搜索二維工程圖的大型復雜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系的三維實體模型已經(jīng)成為復雜結(jié)構(gòu)體系,尤其是鋼結(jié)構(gòu)體系設計分析的一種必然趨勢。大型復雜結(jié)構(gòu)的三維實體模型是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的設計、分析、加工制造及施工過程數(shù)值模擬最重要的基礎。針對大部分實際結(jié)構(gòu)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(xiàn)大型復雜結(jié)構(gòu)三維實體模型建模方法。結(jié)合國家大劇院結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)的三維精細有限元分析,初步表明了三維實體模型在實現(xiàn)精準結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 鋼結(jié)構(gòu) Solidworks Cosmos 三維實體建模
我國的CAD/CAM技術(shù)從20世紀70年代開始以來,經(jīng)過不斷的發(fā)展和推廣應用,取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。少數(shù)大型企業(yè)已建立起比較完善的CAD/CAM系統(tǒng)。一些中小型企業(yè)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(tǒng)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(jié)構(gòu)等在工程界擁有廣泛的用戶群。在目前的結(jié)構(gòu)設計和分析中,使用二維工程圖雖然仍是很多企業(yè)進行生產(chǎn)的重要手段,并且許多企業(yè)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。現(xiàn)在不少設計單位都已陸續(xù)開始建立三維參數(shù)化的模型和模型庫,并把它和原有的二維資源整合,實現(xiàn)CAD/CAM的數(shù)據(jù)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(shù)已經(jīng)成功地應用于航空、航夭、汽車等高技術(shù)行業(yè),其對建筑領(lǐng)域,尤其是鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應用也已經(jīng)日益成熟。
大空間復雜鋼結(jié)構(gòu)體系可以通過三維實體模型真實再現(xiàn)。由于目前大部分鋼結(jié)構(gòu)設計及施工是基于AutoCAD系統(tǒng)實現(xiàn)的,然而 AutoCAD的平面圖形由于其自身的平面圖形本質(zhì),無法真正實現(xiàn)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(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)體系三維實體建模的方法,以及利用三維實體模型實現(xiàn)精準有限元分析的過程。
1、大型復雜結(jié)構(gòu)體系的三維實體模型的建模方法
現(xiàn)以國家大劇院鋼結(jié)構(gòu)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。
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(huán)境中,作為在SolidWorks草圖設計的幾何參考數(shù)據(jù),如圖2所示。
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(shù)可以將數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換智能化,使它可以讀取其他CAD系統(tǒng)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(shù)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。
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。
仔細觀察圖4,可以發(fā)現(xiàn)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(xiàn)交叉、重復、連接點斷開的現(xiàn)象。
如此不精確的幾何約束在三維參數(shù)化實體建模尤其是在后續(xù)的有限元分析中是絕對不允許出現(xiàn)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(xiàn)真實結(jié)構(gòu)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(shù)化幾何模型,分別如圖7與圖8所示。
利用SolidWorks的裝配功能,可以實現(xiàn)上述三個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裝配過程,得到圖1所示的三維實體幾何參數(shù)化模型。
建模過程中可以發(fā)現(xiàn)有些按照原施工圖紙繪出來的結(jié)構(gòu)構(gòu)件裝配不起來,如在繪編號為AR-009的一福析架時,就會出現(xiàn)裝配誤差,如圖9所示。如果鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何尺寸按照圖紙上的幾何尺寸生產(chǎn)加工,在不考慮加工誤差的情況下,同時不考慮結(jié)構(gòu)受力影響,則SolidWorks的裝配過程完全真實模擬了結(jié)構(gòu)安裝的情形,圖9就表明了以上三福析架最終的安裝結(jié)果。如果在考慮加工誤差的情況下,同時考慮結(jié)構(gòu)受力影響,則三福析架的安裝結(jié)果一般會出現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的三維實體模型叮以有效地完成結(jié)構(gòu)安裝的數(shù)值模擬過程,這正是實體建模的重要優(yōu)勢之一。
拓架的模型建好后,結(jié)合其結(jié)構(gòu)部分的建模,就可以真實模擬安裝的過程,安裝的結(jié)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(xiàn)已與SolidWorks集成,成為一個綜合的開發(fā)環(huán)境,并在SolidWorks的環(huán)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(shù)(FFE),工程師能非?？焖俚貙崿F(xiàn)對大型復雜結(jié)構(gòu)設計的分析和驗證。
下面給出了利用COSMOS軟件實現(xiàn)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(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)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(xiàn)安裝誤差,必須在安裝之前,進行分析,以減小安裝誤差。現(xiàn)在來分析該棍析架在重力作用下的受力狀態(tài)。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(wǎng)格劃分
采用自適應法劃分網(wǎng)格單元,采用曲面的外殼網(wǎng)格,如圖12所示,在支撐段和梁桿的接口處細分網(wǎng)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(jié)果(圖13、圖14) 。
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(jīng)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(xiàn)的問題做出預測,以減小安裝誤差,避免安裝失敗。
3結(jié)論
從目前我國各設計院的實際發(fā)展情況來看,結(jié)構(gòu)設計一般還是使用二維CAD系統(tǒng),二維工程圖仍然是設計和分析的依據(jù)。當需要對大型復雜結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的三維實體模型,才能實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)體系的精細有限元分析及施工過程的數(shù)值模擬,同時可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自動加工過程。
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