三维工程设计之劳伦斯河建船闸翻新工程

　　本文介绍了劳伦斯河建船闸翻新的三维工程设计相关内容。

　　很久以前，北美的欧洲殖民者就开始寻找一条与东方通商的海路航线，位于美加边境的圣劳伦斯河就是人们认为可以打开这条航线的钥匙。从1895年开始，美国和加拿大就开始商讨共同开辟这条水上路线;1959年，圣劳伦斯河航道正式竣工，该航道长达2038英里，是连接加拿大圣劳伦斯河和美国五大湖的航运大动脉，被誉为20世纪的工程奇迹之一。

　　2002年，圣劳伦斯航道管理公司决定对圣劳伦斯航道韦兰运河段的船闸进行现代化改造。项目完成后，韦兰运河将成为世界上有最大调升水位功能的河道，可将大型轮船升高或降低170米之多，(这一落差也是尼亚加拉大瀑布形成的原因)实现安大略湖与伊利湖之间的畅通。这一长达5年、斥资2400万美元的项目一经提出，全球众多工业企业摩拳擦掌，跃跃欲试。

图：俯瞰圣劳伦斯河

　　尽管回报丰厚，但项目的复杂程度也超乎人们的想象：圣劳伦斯航道韦兰运河段有11个水闸，一套老旧的设备控制着水闸的开关。竞标方需要对的三个主要部件进行更新：一个重达100吨的大型闸门，一个负责控制水闸内放水与储水的阀门，以及防止船身通过水闸时撞到闸门的钢索。同时，该项目还必须使用特殊材料防止河水的侵蚀。

图： 大型船闸和钢索

　　项目最终的赢家是德国博世的子公司博世力士乐(加拿大)(以下简称博世)，博世赢在哪里?只有博世的设计师们才有最好的答案。

　　三维工程设计新理念迎战二维设计传统

　　对于博世来说，这一次的胜利不仅仅是赢得了订单，更是一种观念上的革命，它吹响了三维设计向传统的二维设计挑战的号角，促成了博世设计战略的全面革新。

　　在项目竞标之前， 博世所有的设计都采用二维软件。工程师们说：“我们难以直观地看到自己的设计。尤其是涉及复杂的制造过程时，我们很难向制造车间人员把零件的外形描绘清楚。”确实，这些复杂的水闸、轴承、水阀开关等的工程图纸就像“纸上的一团钢丝棉”，对工程部门以外的人来说，几乎等同于天书。“竞标时，我们不能拿出三张二维图纸，然后期待用户把它们与三维实体建立起联系，”博世的工程师忧心忡忡。

图：复杂的装配图纸

　　为了赢得订单，并改变以往的被动局面，博世终于做出了一个大胆的决定：放弃二维设计，转向三维设计。这个决定当时冒着极大的风险：因为长期使用二维设计及软件，博世的设计历史数据都是以二维格式储存的，它们能够顺利的转入三维软件吗?博世的大部分设计师熟悉二维软件的操作，但几乎都是三维设计的新手，他们能在短期内胜任吗?更重要的是，如果不能产生显著的投资回报，那么采用最新三维设计就毫无意义，但谁能给出准确的预测呢?

　　三维设计和工程解决方案，叩响过程自动化的大门

　　博世曾经为软件平台转换吃过不少苦头，因此从二维转向三维设计和工程软件时疑虑重重。但事实证明这种担忧是多余的，因为整个过程非常顺利。博世结合适当的培训，分阶段部署了欧特克的数字化样机解决方案Autodesk Inventor。

　　Autodesk Inventor是欧特克面向制造业的数字化样机解决方案的核心，该解决方案通过模拟、分析和可视化，在生产前检验产品性能，优化设计方案，减少对物理样机的依赖，从而提高设计效率，有效控制成本，加速产品创新与上市速度。采用三维设计以后，博世不仅节省了设计时间，而且绘图错误也明显减少。

　　在参与竞标时，博世的设计小组使用Autodesk Inventor制作的投标提案动画赢得了甲方的好感与信任，出色的渲染效果让客户欣然同意把项目交给博世。

图：水闸的三维设计图

　　尽管AutoCAD仍然是项目使用的标准软件，但是Autodesk Inventor既能支持三维可视化，又能在设计和绘图完成后将图纸转换成准确的AutoCAD DWG文件格式，因此，博世在项目中广泛使用了Autodesk Inventor进行三维设计。

　　“我们要处理大量复杂形状，出现冲突和尺寸错误之类的问题十分普遍。使用Autodesk Inventor让我们可以看到各部分之间的关系和冲突情况，三维视图可以逼真地显示复杂形状(如软管)的实际状态。” 博世力士乐加拿大公司液压事务部设计工程经理Jim Lambert 回忆说。

　　“欧特克给了我们进行可视化和迅速修改设计的工具，让我们把错误降到最低限度，从而满足并超越客户的期望。”博世力士乐加拿大公司项目首席设计师 Ben Gilmore表示。

图：水闸发电机的三维设计图

　　将三维工程设计进行到底

　　有了Autodesk Invertor，博世可以直接从设计阶段进入生产阶段，而不再需要制作昂贵的物理样机。需要测试某一部件时，博世的工程师就在Autodesk Inventor Professional中使用ANSYS® DesignSpace的有限元分析功能，从而避免了过度设计以及设计不足，实现了成本控制以及安全标准要求。

　　“三维设计让我们得以探索多种工程应用方案，要是没有三维设计软件，类似的工作只能交给专业供应商来完成。在实施项目的时候，如果没有Autodesk Inventor和ANSYS DesignSpace 这样的FEA补充程序的话，我们就肯定无法设计和制造出万向环这样的关键部件来。”博世力士乐加拿大公司的系统工程组组长John Rauscher说。

　　博世也由此成功的设计了运河的新闸门。通过在三维环境中查看模型，车间人员清楚地理解了设计意图，并加快了部件的制作。这样，博世就把三维技术一直应用到了生产车间。

　　随着项目的深化，图纸越来越多。但博世的设计小组的月平均不达标率反而下降了46%，图纸错误率减少了25% ，绘图准确率提高了7%。与使用常规二维AutoCAD进行项目设计相比，设计时间缩短了50%以上。使用Autodesk Inventor后，以前需要1000多个小时设计的项目现在只要一半时间就可以完成。

　　在项目进行到一半的时候，三维设计已经在博世得到了基本普及，一半以上的设计部门已经开始采用三维设计。三维设计让博世赢了项目，更赢得了未来。

　　更广泛的应用，简化生产

　　博世还依靠欧特克制造业解决方案在内部和外部审核中共享设计。圣劳伦斯航道管理公司使用Autodesk DWF Viewer软件审核博世设计的每个新装置，该免费软件能让用户以DWF格式轻松查看并打印包含大量数据的二维图纸和三维模型。Lambert说：“它将设计可视化，给客户带来了极大的帮助。客户可以直接在DWF Viewer里切换查看三维组件中的各个部件，从而充分了解整个组件和设计意图。一旦达到令人满意的渲染效果，他们就可以截屏保存画面，通过画红线标注来清楚地传达设计变更要求。”

　　而博世在在内部使用Autodesk Design Review软件来简化审核，该软件无需原始创建软件即可以全数字方式审核和标记二维、三维设计。装配车间配备工作站，用于检查组件和标记DWFs，以及建议新的管路和其他变更。装配车间主任Bob Van Vliet说：“我们不用再盯着平面图想象哪里可能会出现问题，一切都鲜活地展现在眼前。”

　　为方便管理设计数据，博世还在精选项目中采用Autodesk Vault软件管理过程数据，并计划配合Autodesk Productstream软件一起全面推广，用于自动发布、工程变更跟踪和材料清单(BOMs)管理。“我们现在的文件管理系统不完善，经常需要要求其他人关闭图纸，”Lambert说。“我们急需一套能够便于设计师合作和设计的安全系统。所以，我们打算将所有历史数据导入Autodesk Vault并计划把它连接到我们现在使用的SAP系统上。”