探讨以二维工程图实现大型复杂结构体系三维实体的建模方法

　　本文探讨了以二维工程图实现大型复杂结构体系三维实体的相关建模方法。

　　我国的CAD/CAM技术从20世纪70年代开始以来，经过不断的发展和推广应用，取得了良好的经济效益和社会效益。少数大型企业已建立起比较完善的CAD/CAM系统。一些中小型企业通过应用CAD/CAM在提高劳动率方面取得了显著成效。在各类CAD系统中，AutoCAD以其强大的平面设计功能、精确的绘图功能以及开放的体系结构等在工程界拥有广泛的用户群。在目前的结构设计和分析中，使用二维工程图虽然仍是很多企业进行生产的重要手段，并且许多企业都拥有大量的二维图纸资源。但二维CAD软件有其功能局限性，因此三维CAD软件正逐渐被人们接受。现在不少设计单位都已陆续开始建立三维参数化的模型和模型库，并把它和原有的二维资源整合，实现CAD/CAM的数据交换和共享。其中，SolidWorks软件以其强大的设计功能、易学易用、价格便宜等特点在工程设计中得到广泛的应用。

　　基于三维实体模型的CAD/CAM/CAE技术已经成功地应用于航空、航天、汽车等高技术行业，其对建筑领域，尤其是钢结构领域的应用也已经日益成熟。

　　大空间复杂钢结构体系可以通过三维实体模型真实再现。由于目前大部分钢结构设计及施工是基于AutoCAD系统实现的，然而 AutoCAD的平面图形由于其自身的平面图形本质，无法真正实现实体建模。本文以国家大剧院的AutoCAD设计及施工图为起始点，研究了实现复杂结构体系三维实体建模的方法，以及利用三维实体模型实现精准有限元分析的过程。大型复杂结构体系的三维实体模型的建模方法

　　现以国家大剧院钢结构壳体工程的钢精架，编号为AR-002的一榀桁架为例来说明三维实体建模方法。

　　AR-002桁架的三维实体模型，如图1所示。

　　1.1用SolidWorks打开CAD文件

　　该桁架在委托方提供的CAD图中由三部分组成，在图纸中的编号分别是ARC-007 , ARC-008和ARC-009。

　　先将文件ARC-007. dwg用AutoCAD软件打开，把需要实体建模的部分复制、粘贴到SolidWorks的实体建模的环境中，作为在SolidWorks草图设计的几何参考数据，如图2所示。

　　由于SolidWorks是一个基于三维造型的设计软件，它的特征识别技术可以将数据的转换智能化，使它可以读取其他CAD系统的几何模型，且自动识别原有的特征和设计历史。在委托方提供的工程图纸中，由于只是出于表示析架整体形状的需要，并没有给出精确参数化的图形。这从图3的比较中就可以清晰地看出，其底座的中心线距离应该是2 115 mm，然而在CAD软件中绘出来的却是2 121 mm。

　　工程图纸中大量存在几何尺寸的不精确表达，图3仅给出此类几何尺寸不精确表达的一个例子，其他还有很多的尺寸和实际尺寸无法匹配的地方。

　　利用SolidWorks草图的几何约束与修正功能，完成了不匹配的几何元素的约束修正过程。使得修正后的几何尺寸和实际尺寸一一对应，得到精确几何尺寸描述的SolidWorks草图后可以利用SolidWorks的特征建模功能完成结构的实体建模。

　　1. 2利用SolidWorks软件建立三维实体模型

　　由于图2所示的草图上附加标注太多，导致无法得到清晰的结构草图，因此，先把该草图投影到另一张草图上并注意焊缝的位置，如图4所示。

　　仔细观察图4，可以发现很多地方的几何图素缺乏可靠的约束，甚至是十分粗糙，如图5所示。由此可见，委托方提供的CAD施工图中很多几何元素呈现交叉、重复、连接点断开的现象。

　　如此不精确的几何约束在三维参数化实体建模尤其是在后续的有限元分析中是绝对不允出现的。所以，在SolidWorks软件中对该草图的线条交叉、重叠，连接点断开等问题进行修正。图形的应用比例尺取为1:1，以便实现真实结构的安装模拟。得到有精确几何约束的草图之后，利用SolidWorks拉伸特征，得到最终的几何模型，如图6所示。

　　另外的两个部分，用上述同样的方法，得到三维参数化几何模型，分别如图7与图8所示。

　　利用SolidWorks的装配功能，可以实现上述三个结构构件的装配过程，得到图1所示的三维实体几何参数化模型。

　　建模过程中可以发现有些按照原施工图纸绘出来的结构构件装配不起来，如在绘编号为ARC-009的一福析架时，就会出现装配误差，如图9所示。如果钢结构构件的几何尺寸按照图纸上的几何尺寸生产加工，在不考虑加工误差的情况下，同时不考虑结构受力影响，则SolidWorks的装配过程完全真实模拟了结构安装的情形，图9就表明了以上三福析架最终的安装结果。如果在考虑加工误差的情况下，同时考虑结构受力影响，则三榀桁架的安装结果一般会出现更大的安装误差。这表明，二维设计图、二维施工图只是较好表达了设计、施工的某些需要，几乎没有考虑结构安装所必需的精确几何特征，因此几乎无法预测安装误差。本文建立的结构的三维实体模型叮以有效地完成结构安装的数值模拟过程，这正是实体建模的重要优势之一。

　　桁架的模型建好后，结合其结构部分的建模，就可以真实模拟安装的过程，安装的结果如图10所示。

　　2基于三维实体模型的精细有限元分析模型

　　COSMOS是SRAC推出的一套强大的有限元分析软件，现已与SolidWorks集成，成为一个综合的开发环境，并在SolidWorks的环境下为设计工程师提供了比较完整的设计分析手段。凭借先进的快速有限元技术(FFE)，工程师能非常快速地实现对大型复杂结构设计的分析和验证。

　　下面给出了利用COSMOS软件实现该榀桁架的精细有限元分析的过程，用以表明三维实体模型在实现复杂结构精细分析的潜力。

　　2.1定义约束和力

　　在安装的时候，析架会由于重力作用出现安装误差，必须在安装之前，进行分析，以减小安装误差。现在来分析该棍析架在重力作用下的受力状态。首先，把该棍析架的底座固定住，并施加重力，如图11所示。

　　2.2网格划分

　　采用自适应法划分网格单元，采用曲面的外壳网格，如图12所示，在支撑段和梁杆的接口处细分网格，以获得足够高的计算精度，如图12所示。

　　2. 3刚度方程求解

　　利用FFEPIu，解算器完成刚度方程求解，可以得到各种有限元分析结果(图13、图14 ) 。

　　从位移分析图(图14)可见，仅在自身重力作用下，该福拓架顶端的竖向位移已经达到1.172 m。通过三维实体建模和精细的有限元分析，工程师可以真实地模拟安装的过程，并对安装过程中出现的问题做出预测，以减小安装误差，避免安装失败。

　　3结论

　　从目前我国各设计院的实际发展情况来看，结构设计一般还是使用二维CAD系统，二维工程图仍然是设计和分析的依据。当需要对大型复杂结构体系的结构体系进行精细的有限元分析及复杂的施工模拟时，必须首先建立复杂结构的三维实体模型，才能实现复杂结构体系的精细有限元分析及施工过程的数值模拟，同时可以实现结构构件的自动加工过程。