二維工程圖的大型復雜結構體系三維實體建模方法

2013-05-19 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

大型復雜結構體系由于其復雜的幾何形狀,無法使用兩維平面圖紙完全表達,建立大型復雜結構體系的三維實體模型已經成為復雜結構體系,尤其是鋼結構體系設計分析的一種必然趨勢。大型復雜結構的三維實體模型是實現結構的設計、分析、加工制造及施工過程數值模擬最重要的基礎。針對大部分實際結構工程基于兩維工程圖紙設計施工的具體情況,文中給出了基于兩維工程圖紙的實現大型復雜結構三維實體模型建模方法。結合國家大劇院結構的三維實體模型的建模過程,詳細闡明了建模過程中所出現的問題及解決方案,并以此三維實體模型為基礎,給出了重要子結構的三維精細有限元分析,初步表明了三維實體模型在實現精準結構設計分析中的重要作用。
作者: 黃曦*王人鵬*羅永峰來源: 萬方數據
關鍵字: 鋼結構 Solidworks Cosmos 三維實體建模

我國的CAD/CAM技術從20世紀70年代開始以來,經過不斷的發展和推廣應用,取得了良好的經濟效益和社會效益。少數大型企業已建立起比較完善的CAD/CAM系統。一些中小型企業通過應用CAD/CAM在提高勞動率方面取得了顯著成效。在各類CAD系統中,AutoCAD以其強大的平面設計功能、精確的繪圖功能以及開放的體系結構等在工程界擁有廣泛的用戶群。在目前的結構設計和分析中,使用二維工程圖雖然仍是很多企業進行生產的重要手段,并且許多企業都擁有大量的二維圖紙資源。但二維CAD軟件有其功能局限性,因此三維CAD軟件正逐漸被人們接受?，F在不少設計單位都已陸續開始建立三維參數化的模型和模型庫,并把它和原有的二維資源整合,實現CAD/CAM的數據交換和共享。其中,SolidWorks軟件以其強大的設計功能、易學易用、價格便宜等特點在工程設計中得到廣泛的應用。

基于三維實體模型的CAD/CAM/CAE技術已經成功地應用于航空、航夭、汽車等高技術行業,其對建筑領域,尤其是鋼結構領域的應用也已經日益成熟。

大空間復雜鋼結構體系可以通過三維實體模型真實再現。由于目前大部分鋼結構設計及施工是基于AutoCAD系統實現的,然而 AutoCAD的平面圖形由于其自身的平面圖形本質,無法真正實現實體建模。本文以國家大劇院的AutoCAD設計及施工圖為起始點,研究了實現復雜結構體系三維實體建模的方法,以及利用三維實體模型實現精準有限元分析的過程。

    1、大型復雜結構體系的三維實體模型的建模方法

現以國家大劇院鋼結構殼體工程的鋼精架,編號為AR-002的一棍析架為例來說明三維實體建模方法。

    AR-002析架的三維實體模型,如圖1所示。

二維工程圖的大型復雜結構體系三維實體建模方法solidworks simulation應用技術圖片圖片1

    1.1用SolidWorks打開CAD文件

該彬架在委托方提供的CAD圖中由三部分組成,在圖紙中的編號分別是ARC-007 , ARC-008和ARC-049。

先將文件ARC-007. dwg用AutoCAD軟件打開,把需要實體建模的部分復制、粘貼到SolidWorks的實體建模的環境中,作為在SolidWorks草圖設計的幾何參考數據,如圖2所示。

二維工程圖的大型復雜結構體系三維實體建模方法solidworks simulation應用技術圖片圖片2

由于SolidWorks是一個基于三維造型的設計軟件,它的特征識別技術可以將數據的轉換智能化,使它可以讀取其他CAD系統的幾何模型,且自動識別原有的特征和設計歷史。在委托方提供的工程圖紙中,由于只是出于表示析架整體形狀的需要,并沒有給出精確參數化的圖形。這從圖3的比較中就可以清晰地看出,其底座的中心線距離應該是2 115 mm,然而在CAD軟件中繪出來的卻是2 121 mm。

工程圖紙中大量存在幾何尺寸的不精確表達,圖3僅給出此類幾何尺寸不精確表達的一個例子,其他還有很多的尺寸和實際尺寸無法匹配的地方。

二維工程圖的大型復雜結構體系三維實體建模方法solidworks simulation應用技術圖片圖片3

利用SolidWorks草圖的幾何約束與修正功能,完成了不匹配的幾何元素的約束修正過程。使得修正后的幾何尺寸和實際尺寸一一對應,得到精確幾何尺寸描述的SolidWorks草圖。之后,可以利用SolidWorks的特征建模功能完成結構的實體建模。

1. 2利用SolidWorks軟件建立三維實體模型

由于圖2所示的草圖上附加標注太多,導致無法得到清晰的結構草圖,因此,先把該草圖投影到另一張草圖上并注意焊縫的位置,如圖4所示。

二維工程圖的大型復雜結構體系三維實體建模方法solidworks simulation應用技術圖片圖片4

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仔細觀察圖4,可以發現很多地方的幾何圖素缺乏可靠的約束,甚至是十分粗糙,如圖5所示。由此可見,委托方提供的CAD施工圖中很多幾何元素呈現交叉、重復、連接點斷開的現象。
如此不精確的幾何約束在三維參數化實體建模尤其是在后續的有限元分析中是絕對不允許出現的。所以,在SolidWorks軟件中對該草圖的線條交叉、重疊,連接點斷開等問題進行修正。圖形的應用比例尺取為1:1,以便實現真實結構的安裝模擬。得到有精確幾何約束的草圖之后,利用SolidWorks拉伸特征,得到最終的幾何模型,如圖6所示。

另外的兩個部分,用上述同樣的方法,得到三維參數化幾何模型,分別如圖7與圖8所示。

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二維工程圖的大型復雜結構體系三維實體建模方法solidworks simulation應用技術圖片圖片7

利用SolidWorks的裝配功能,可以實現上述三個結構構件的裝配過程,得到圖1所示的三維實體幾何參數化模型。

建模過程中可以發現有些按照原施工圖紙繪出來的結構構件裝配不起來,如在繪編號為AR-009的一福析架時,就會出現裝配誤差,如圖9所示。如果鋼結構構件的幾何尺寸按照圖紙上的幾何尺寸生產加工,在不考慮加工誤差的情況下,同時不考慮結構受力影響,則SolidWorks的裝配過程完全真實模擬了結構安裝的情形,圖9就表明了以上三福析架最終的安裝結果。如果在考慮加工誤差的情況下,同時考慮結構受力影響,則三福析架的安裝結果一般會出現更大的安裝誤差。這表明,二維設計圖、二維施工圖只是較好表達了設計、施工的某些需要,幾乎沒有考慮結構安裝所必需的精確幾何特征,因此幾乎無法預測安裝誤差。

本文建立的結構的三維實體模型叮以有效地完成結構安裝的數值模擬過程,這正是實體建模的重要優勢之一。

拓架的模型建好后,結合其結構部分的建模,就可以真實模擬安裝的過程,安裝的結果如圖10所示。

    2基于三維實體模型的精細有限元分析模型

COSMOS是SRAC推出的一套強大的有限元分析軟件,現已與SolidWorks集成,成為一個綜合的開發環境,并在SolidWorks的環境下為設計工程師提供了比較完整的設計分析手段。憑借先進的快速有限元技術(FFE),工程師能非?？焖俚貙崿F對大型復雜結構設計的分析和驗證。

    下面給出了利用COSMOS軟件實現該榻析架的精細有限元分析的過程,用以表明三維實體模型在實現復雜結構精細分析的潛力。

    2.1定義約束和力

在安裝的時候,析架會由于重力作用出現安裝誤差,必須在安裝之前,進行分析,以減小安裝誤差。現在來分析該棍析架在重力作用下的受力狀態。首先,把該棍析架的底座固定住,并施加重力,如圖11所示。

    2.2網格劃分

采用自適應法劃分網格單元,采用曲面的外殼網格,如圖12所示,在支撐段和梁桿的接口處細分網格,以獲得足夠高的計算精度,如圖12所示。

    2. 3剛度方程求解

利用FFEPIu,解算器完成剛度方程求解,可以得到各種有限元分析結果(圖13、圖14) 。

二維工程圖的大型復雜結構體系三維實體建模方法solidworks simulation學習資料圖片8

從位移分析圖(圖14)可見,僅在自身重力作用下,該福拓架頂端的豎向位移已經達到1.172 m。通過三維實體建模和精細的有限元分析,工程師可以真實地模擬安裝的過程,并對安裝過程中出現的問題做出預測,以減小安裝誤差,避免安裝失敗。

    3結論

從目前我國各設計院的實際發展情況來看,結構設計一般還是使用二維CAD系統,二維工程圖仍然是設計和分析的依據。當需要對大型復雜結構體系的結構體系進行精細的有限元分析及復雜的施工模擬時,必須首先建立復雜結構的三維實體模型,才能實現復雜結構體系的精細有限元分析及施工過程的數值模擬,同時可以實現結構構件的自動加工過程。

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