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1、学校代码 10078 学号2007703043 华北水利水电学院硕士学位论文基于CATIA设计平台的重力坝三维设计方法研究DESIGNS THE PLATFORM BASED ON CATIA THE GRAVITY DAM 3-D DESIGN METHOD RESEARCH专 业： 水工结构 研究生： 导 师： 二零零九年四月 独立完成与诚信声明本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含
2、为获得华北水利水电学院或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名： 签字日期：保证人（导师）签名： 签字日期：学位论文版权使用授权书本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。（涉密的学位论文在解密后应遵守此规定）学位论文作者签名： 导师签名：签
3、 字 日 期： 签字日期：华北水利水电学院硕士学位论文摘 要在不断提高设计质量和水平的基础上，最大限度地缩短设计周期、提高工作效率、节约各方资源，是水工建筑物优化设计的重要目标。本文以重力坝设计方法为研究对象，基于全景观、多视角的CATIA环境，实现了重力坝各部分三维参数化模型的建立；通过自上而下的三维设计理念，运用CATIA装配设计模块，对重力坝各部分的三维模型进行装配，完成了整个重力坝的三维设计。该设计方案有利于缩短设计周期、提高工作效率、节约各方资源，并且便于设计变更，能够对重力坝模型的应用进行深层次的研究。本文的主要研究工作有：1建立三维地质模型，并在此基础上根据自上而下的设计理念，拟
4、定骨架元素：坝肩控制点、坝轴线和0+000.00桩所在平面；2在对重力坝设计理念和步骤了解的前提下，参照混凝土重力坝设计规范，对重力坝工程从结构上进行划分。并通过CATIA实现重力坝各个部分的三维参数化建模；3以石柱沟重力坝工程为例，运用CATIA装配设计模块，参照骨架元素进行重力坝各个部分三维模型的装配，并通过开挖等结构上的处理，实现整个重力坝工程的三维设计；4对整体重力坝三维模型进行深层次的研究，实现三维模型至二维工程图的快速转换、各种工程量的快速量取；5对未来研究工作进行展望：结合VBA二次开发技术，进一步实现程序驱动模型的建立；结合CATIA自身优势，进一步展开对渲染技术的研究以及与有
5、限元技术相结合来开展研究工作。关键词：CATIA，重力坝，参数化，装配设计，模型，ABSTRACTIn the current water conservation and electricity power profession, the method which is utilized to carry on the 3D design already to become the key point the water conservation water and electricity power profession to conduct the 3D design research.
6、 This article takes the gravity dam as the study object, applied the advanced and mature CATIA-3D design software, realizes the each part model establishment of gravity dam 3D parameterization. Finally through the top-down 3D design idea, utilizes the CATIA assembly design module, carries on the ass
7、embly to gravity dam each part of 3D models, and completes the 3D design of the entire gravity dam. For ease of the design alteration, reduces the design cycle and the enhancement rated capacity, carry on the deep level the research to the application of the gravity dam model.1. Established the 3D g
8、eological model, and based on this acts according to the top-down design idea, draws up the skeleton element: Dam abutment control point, dam spool thread and the plane in 0+000.00 piles;2. Under the premise of profound understanding the gravity dam design idea and step, reference concrete gravity d
9、am design standard, carries on the division structurally to the gravity dam project. And realizes the gravity dam each part 3D parameterization modeling through CATIA;3. Take the ShiZhuGou gravity dam project as the example, utilizes the CATIA assembly design module, refers to the skeleton element t
10、o carry on gravity dam each part 3D models assembly, and through the structuralism processing, such as the excavates, realizes the entire gravity dam project 3D design;4. Carry on the deep level research on the pair of overall gravity dam 3D models, realizes the fast transformation of 3D model to th
11、e 2D model, and the fast quantity take of each kind of the project scale;5. Forecast the future research work, unified the VBA re-development technologies, further liberates the designers from the complex modeling process, realized the procedure actuation model establishment. Unifies CATIA own super
12、iority, further launches to the researches of exaggerates as well as union finite element.Key words: CATIA，gravity dams，parametrization ，assembly design，model第 58 页目 录摘 要IABSTRACTIII目 录I1 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究现状11.3 研究意义及主要内容31.3.1 研究意义31.3.2 主要研究内容42 CATIA 设计软件概述及建模技术62.1 系统支撑平台CATIA V5及其特点62.1.1 C
13、ATIA软件简介62.1.2 CATIA设计平台的特点62.2 基于CATIA V5的参数化建模技术72.2.1 知识工程技术概述72.2.2 基于特征的参数化建模技术82.2.3 知识驱动技术82.3 本章小结93 基于CATIA V5的重力坝三维设计103.1重力坝的结构划分103.2 地质模型的创建及坝轴线的确定113.2.1 地质模型的创建113.2.2 坝址的选择133.3 重力坝各部分的参数化建模153.3.1 参数化设计概述153.3.2 挡水坝段的参数化设计163.3.3 溢流坝段的参数化设计203.3.4 重力坝附属建筑物的建模253.4 重力坝各部分模型的模板化及装配273
14、.4.1 知识模板功能273.4.2 装配设计273.5 本章小结284 CATIA三维重力坝设计在石柱沟工程中的应用294.1 石柱沟工程模型装配294.1.1地质模型和骨架的装配294.1.2 知识模板功能在挡水坝模型装配中的应用304.1.3 知识模板功能的溢流坝模型装配314.1.4 导墙、闸墩和工作桥及其他的模型装配324.1.5 廊道的模型装配334.2 开挖过程的模拟344.3 石柱沟重力坝模型混凝土分区354.3.1 石柱沟重力坝混凝土分区原则354.3.2 石柱沟重力坝工程挡水坝段混凝土分区364.3.3 石柱沟重力坝工程溢流坝段混凝土分区364.3.4 重力坝模型的分区的实
15、现374.4 石柱沟重力坝模型的二维图转换374.5 石柱沟重力坝所需工程量的量取384.6 本章小结395 重力坝三维模型智能化应用395.1 CATIA三维模型的智能化395.1.1 传统参数化三维设计的不足395.1.2 基于CATIA的智能参数化解决方案395.2 模型材质的添加和渲染405.3 3DXML格式的三维观察器415.4 模型与有限元的结合425.4.1 CATIA自身的有限元分析模块425.4.2 CATIA与ANSYS的联合使用435.5 CATIA三维建模的二次开发445.5.1 图形界面开发工具VBA445.5.2 CATIA V5软件二次开发的方法455.5.3
16、CATIA挡水坝模型的程序创建过程465.6 本章小结506 总结与展望516.1 工作总结516.2 进一步展望511 绪论1.1 课题背景我国水能资源得天独厚，总量居世界第一，可开发的水电装机容量达3.78亿kW，然而到目前为止，全国水电开发利用程度仍然较低，开发率仅18.5%。而且，我国水能资源分布和开发程度严重不平衡，我国东部地区经济较发达，而水能资源贫乏，西部地区水能资源丰富，但开发率很低。新世纪伊始，我国政府提出了西部大开发战略计划，必将带动西部地区水能资源的开发，促进东西部水电资源的平衡和快速发展。从目前世界各国所修建的坝来看，重力坝是一种最重要的、有代表性的广泛采用的坝型1。1
17、949年我国水利水电事业逢勃发展，从1949-1985年，在已建成的坝高30米以上的113座混凝土坝中，重力坝达58座，占总数的51%。50年代首先建成了高105米的新安江和高71米的古田一级两座宽缝重力坝，60年代建成了高97米的丹江口宽缝重力坝和高147米的刘家峡、高106米的三门峡两座实体重力坝，70年代建成了黄龙滩、龚嘴重力坝，80年代建成了高165米的乌江渡拱型重力坝和高107.5米的潘家口低宽缝重力坝，刚刚建成的长江三峡水利枢纽重力坝坝高185米。由此可见，我国水利水电工程建设中，混凝土重力坝是广泛采用的的重要坝型之一2。为了提高重力坝设计的深度和精度要求，传统的二维设计已经不能满
18、足现代重力坝设计过程中工作任务重、质量要求高、设计周期短的特点，亟需采用集成化、可视化、参数化的设计方法和理念，推动我国水利水电工程设计向智能化、信息化迈进。本文将结合实际工程数据，基于CATIA平台完成重力坝的设计，旨在提高工程技术品质、降低工程造价、缩短设计周期、提高设计质量。1.2 国内外研究现状三维设计是工程设计的必然趋势,目前，三维技术在机械、电子、航空、航天以及建筑等部门应用广泛。随着技术水平的提高，三维设计方法在水利工程中的应用也越来越多。目前国内外流行的三维设计软件很多3，根据产品的性能及应用领域的不同大致分类如下:1用于三维渲染绘图设计，如3DMAX、MAYA、Rhino、S
19、ogtimage3D、Lightwave、Bryce3D等；2着重于三维建模功能，如AutoCAD、SolidWorks、SolidEdge、MDT、MasterCAM等；3.大型集成化系统，它不但兼有CAD/CAE软件之长,还集成有CAE、CAPP、PDM等分析、工艺、产品资料管理的功能,这类软件以CATIA、UG、Pro/E、I2DEAS为代表,还包括AutodeskInventor、Cimatron、PDS、PDMS、PLANTSPACE等。目前，在水利水电行业特别是水工建筑物设计领域，国内外采用较多的有UG、Pro/Engineer、CATIA等，下面对它们的特点及在水电行业的应用进行
20、简单的介绍。1UG是高中挡软件的杰出代表，功能模块齐全，是Unigraphics Solutions公司的拳头产品。优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起。UG一个最大的特点就是混合建模,在一个模型中允许存在无相关性特征,可以局部参数化曲面造型。在曲面造型、数控加工方面是强项,但在分析方面较为薄弱。UG软件中的UG/Routing模块使得管道、管系、导管、水道和钢结构等走线应用的装配件建立更加方便快捷,在水利、石油、化工及各种液压系统等工程中的应用逐渐广泛。2Pro/Engineer是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation,
21、简称PTC）的产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念。该软件操作较为复杂,存储空间大,但二维绘图工具不完善。Pro/E中的Toolkit是进行流体机械（泵、水轮机、喷灌机、风机、压气机等）计算机辅助设计及结构分析的良好工具。3CATIA是法国Dassault公司发展的一套完整的高档3D CAD/CAM/CAE一体化软件。支持复杂曲面造型和复杂装配。零件间的接触自动地对连接进行定义,加快了装配件的设计进度。CATIA自身带有有限元分析模块并且与其他三维设计软件如：ABQUS、ANSYS等之间有非常好的接口,CATIA的零件可直接
22、转化为其他三维有限元分析软件可以兼容的模型,为复杂有限元分析提供了较好的平台4。CATIA软件是加拿大QUEBEC电力公司于2003年提供Mercier水电站设计时，对各种三维设计软件提供商进行测试后决定广泛采用的。该电力公司目前已成功将CATIA应用于地质重构、大坝设计、厂房设计和机电设备安装等,且已建立水电站三维设计的标准环境。基于加拿大QUEBEC电力公司运用CATIA软件在水利水电行业取得的巨大成功，CATIA三维设计软件越来越被水利水电行业工作者所重视。国内各大水电设计院及各大院校就如何运用CATIA设计平台进行三维水工设计做出了不懈的努力，并取得了许多值得瞩目的成绩：国内的小湾、溪
23、落渡、锦屏等水电工程设计中运用CATIA三维设计软件取得很好的应用。此外成都勘测规划设计研究院基于CATIA完成了数字拱坝可视化设计技术的研究以及地下厂房可视化设计技术的研究56；长江勘测规划设计研究院成功的将CATIA应用于水工金属结构设计中7；贵阳勘测规划设计研究院则将CATIA应用于岩质边坡稳定计算的研究8；昆明勘测规划设计研究院在水利水电行业中应用三维设计的探讨中，对CATIA三维设计平台以很高的评价9；中水北方勘测设计研究有限公司则开展了用CATIA辅助设计水利工程的研究工作10；同时，黄河勘测规划设计研究院的南水北调中线工程、石柱沟重力坝以及古贤工程的方案比选都用到了CATIA三维
24、设计软件，并取的了满意的效果。在本课题的设计过程中，需要完成诸如地质模型构建、坝址选择、坝体结构划分、坝体模型建立、附属建筑物建模、各部分模型装配等一系列设计过程，以及结构处理（如开挖、坝体混凝土分区等）、3D-2D工程图快速转换、工程量快速量取、功能的二次开发、有限元分析和重力坝设计模版的建立等工作，相对于其他设计平台来说，CATIA完全能够满足以上设计要求，而且，在水电设计行业所采用的以上三维设计方法中，CATIA在坝址地形的逆向模拟、创成式外观设计、参数化设计、零部件装配方法等操作中具有独特优势，因此更适用于重力坝的设计。1.3 研究意义及主要内容1.3.1 研究意义水利水电工程往往是建
25、设周期长、投资大、影响深远的复杂工程，其中，工程设计是工程建设过程最重要的环节和主要依据，设计方案的优劣、水平的高低以及设计周期的长短，均直接影响工程建设的质量和投资5。十多年前,水利工程设计逐步摆脱了手工绘图,改为用AutoCAD辅助设计出图,大大提高了设计效率。但传统的设计方法导致设计与施工无法紧密结合，设计信息无法直接为施工服务，信息不能与生产管理之间进行有效沟通，因此导致设计与施工脱节。水工设计是一个反复的过程，往往需要不断的修改和优化设计方案，二维设计的非参数化会因为中间的修改和反复而增加很多冗余设计。受二维的局限性，二维设计不能直观准确的反映出设计方案的意图和目的。鉴于此，国内外对
26、水工的三维可视化设计、参数化设计都在不断进行研究和探索。三维设计之所以能迅速成为CAD技术的主流,是因为它有许多传统的平面二维设计所无法比拟的优越性，表1.1对二维、三维设计从性能、效率等诸多方面进行了比较，可以看出，三维设计显示了其对结构描述更加真实、更准确、更全面的强大优势，克服了二维设计中可想而不可见的缺点，是技术进步的必然趋势。表1.1 二维设计与三维设计比较Table1.1 Design of two-dimensional design and three-dimensional comparison项 目二维三维可视性能平面性,间接性,借助平面的视图、投影等关系来反映立体性,直接
27、性,借助三维立体真实造型来反映思维过程经过了由“二维-两维”,再由“二维-三维”的两个思维过程直接从三维至三维,简化过程,节约成本效 率无法保证生产周期快速捕获设计意图,加快产品设计设计改型更改设计困难，不利于改型方便改型设计,提高设计质量图 纸无法得到三维轴测图更好的三维可视性,能够直接从三维模型得到二维图纸但总体来说，我国水利水电工程勘察设计行业仍停留在传统设计模式和二维设计阶段，信息化和自动化水平不高，尤其在三维参数化技术方面依然落后，与国际先进水平差距很大。鉴于此，我国水利水电设计行业迫切需要采用新技术进行三维参数化设计，全面提高工程设计质量、效率和水平，最大限度地减少设计失误和设计人
28、员的工作量，从而节约人力物力、缩短产品开发周期、提高企业的科技实力和综合竞争力。而且，三维参数化设计方法能够顺应水利水电行业三维设计信息化的趋势，推动我国水利水电产业由粗放型向集约型的转化，为科学技术改造传统水利水电产业提供新思路。1.3.2 主要研究内容在掌握重力坝的设计流程的基础上，本文立足可视化思想，以石柱沟重力坝为特例进行研究。将基于特征的参数化造型理论应用于重力坝三维设计中，利用CATIA实现重力坝参数化建模以及用于指导施工的工程图的绘制，具体内容如下:1根据地质信息，建立三维地质模型，在此基础上根据重力坝设计规范进行坝址的选择，采用自上而下的三维设计理念拟定骨架元素：坝肩控制点、坝
29、轴线和0+000.00桩所在平面；2在对重力坝设计理念和步骤了解的前提下，参照混凝土重力坝设计规范，对重力坝工程从结构上进行划分。并通过CATIA实现重力坝各个部分的三维参数化建模；3以石柱沟重力坝工程为例，运用CATIA装配设计模块，参照骨架元素进行重力坝各个部分三维模型的装配，并通过开挖等结构上的处理，实现整个重力坝工程的三维设计；4对整体重力坝三维模型进行深层次的研究，实现三维模型至二维模型的快速转换和各种工程量的快速量取；5对未来研究工作进行展望，结合VBA二次开发技术，进一步把设计人员从复杂的建模过程中解放出来，实现程序驱动模型的建立。结合CATIA自身优势，进一步展开对渲染、仿真以
30、及与有限元结合的研究。2 CATIA设计软件概述及建模技术2.1 系统支撑平台CATIAV5及其特点2.1.1 CATIA软件简介CATIA（Computer Aided Three-Dimensional Interactive Application即计算机辅助三维交互应用）是法国达索公司开发的高档CAD/CAM软件，CATIA提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb
31、网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块,使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的。CATIA比较广泛的用于汽车、航空航天、轮船、军工、仪器仪表、建筑工程、电气管道、通信等方方面面。最大的客户有：通用（同时使用UG），波音麦道，空客，福特，大众，戴克，宝马，沃尔沃，标致雪铁龙，丰田，本田，雷诺，达索飞机，菲亚特，三菱汽车，西门子，博世，现代，起亚，中国的上汽，一汽，东风等大公司。欧盟以及其成员国军方，美国军方都是其忠实的用户。2.1.2 CATIA设计平台的特点C
32、ATIAV5版本是IBM和达索系统公司长期以来在数字化企业服务过程中不断探索的结晶。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。CATIAV5具有一下特点6：1.重新构造的新一代体系结构为确保CATIA产品系列的发展CATIAV5新的体系结构突破传统的设计技术，采用了新一代的技术和标准，可快速地适应企业的业务发展需求，使客户具有更大的竞争优势。2.支持不同应用层次的可扩充性CATIAV5对于开发过程、功能和硬件平台可以进行灵活的搭配组合，可为产品开发链中的每个专业成员配置最合理的解决方案。允许任意配置的解决方案，可满足从最小的供货商到最
33、大的跨国公司的需要。3.与Windows和UNIX硬件平台的独立性CATIAV5是在Wnidows平台和UNIX平台上开发完成的，并在所有所支持的硬件平台上具有统一的数据、功能、版本发放日期、操作环境和应用支持。CATIAV5在Wnidows平台的应用可使设计师更加简便地同办公应用系统共数据；而UNIX平台上NT风格的用户界面，可使用户在UNIX平台上高效地处理复杂的工作。4.专用知识的捕捉和重复使用CATIAV5结合了显式知识规则的优点，可在设计过程中交互式捕捉设计意图，定义产品性能和变化。隐式的经验知识变成显式的专用知识，提高了设计的自动化程度，降低设计错误的风险。2.2 基于CATIAV
34、5的参数化建模技术2.2.1 知识工程技术概述1997年，第五届国际人工智能联合大会上，美国斯坦福大学计算机科学系费根鲍姆（E.A.Feigenbaum）教授所作的“人工智能的艺术：知识工程课题及实例研究”特约演讲中第一次提出“知识工程KE”这个词，它的出现改变了传统的知识记载和传播的方式。知识工程（KE.Knowledge Engineering）是一个非常广泛的概念，最基本的含义就是人工智能在知识信息处理方面的的发展，利用大型技术基础设施（网络平台与计算机系统），完成知识采集、整理、加工、制作、存储和发送的工作。知识工程实现的系统就称为基于知识的工程系统。基于知识的工程系统与传统程序之间的
35、差别就在于，基于知识的工程系统以知识作为处理对象，而传统程序则以数据作为处理对象。而KE技术是人工智能领域的一个重要分支，它研究的主要内容包括知识的获取、知识的表达、知识库的构造、知识的自动获取和更新等，其核心是如何运用知识来解决问题。基于知识的系统实质上是突破了简单的逻辑运算，把经验和推理结合起来，将逻辑思维和形象思维结合起来，实现计算机的智能化。美国和欧洲已在大型知识库系统的开发上投入了巨额的人力和财力，目标是建立大型的、易维护和可重用的知识库系统。影响较大的有美国军方DARPA投资的HPKB11及欧洲数国联合开发的BIR0W12。美国福特和通用汽车公司将KE技术视为提高产品开发和研制能力
36、的关键技术，并为此开发了多个基于知识的设计咨询系统（Design Adviser System）13。知识库系统的开发将会向以所求解任务为目标的知识库组件智能拼装的方向发展，整个开发过程将逐步实现自动化，这将依赖于组件化技术和智能代理技术的进一步发展。建立知识库系统的最终目标就是以Internet为基础实现一个巨大的、虚拟的、分布式的知识仓库，它能够利用散布在Internet上的所有知识帮助使用者解决所提出的问题。2.2.2 基于特征的参数化建模技术通过一组参数建立有关曲线之间的对应关系，给出不同的参数，即可得到不同的曲线，这就是最基本的参数化原理。参数化设计就是根据这种基本原理，建立的一组参
37、数与一组图形基本元素或多组图形之间的对应关系，给出不同的参数，即可得到不同的结构图形。参数化设计（Parametric）是新一代智能化、集成化CAD系统的核心内容，它不仅可使CAD系统具有交互式建模功能，还具有自动建模功能。采用预定义的办法建立图形的几何约束集，指定一组尺寸作为参数与几何约束集相联系，改变指定的尺寸就能改变图形。利用参数化设计手段开发出来的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。其主要技术特征是:基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关14-16。1.基于特征：将某些具有代表性的平面几何定义为特征，
38、并将其所有尺寸存为可调参数，进而形成实体，以此为基础进行更为复杂的几何形体的构造。2.全尺寸约束：将形状和尺寸联合起来考虑，通过约束来实现对几何形状的控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发点（全约束），不能漏注尺寸（欠约束），不能多注尺寸（过约束）。3.尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。4.全数据相关：尺寸参数的修改导致其它相关模块的相关尺寸得以更新。2.2.3 知识驱动技术知识工程是CATIAV5软件的重要组成部分，CATIA实现了工程设计与产品设计系统的无缝连接，是使KE工程化、实用化的重要工具。CATIAV5的知识工程模块主要是定义特征、公式、规则和检查，来检验设计过
39、程是符合技术要求或给予设计的评估以及建议等。在CATIAV5中实现知识工程的流程图如图2-1所示。定义检查定义规则建立数学模型定义参数定义公式图2-1知识工程设计流程图Fig.2-1 Knowledge of engineering design flow chart1.公式（Formula）可以建立参数（包括几何参数和工程参数）之间的关系，通过公式驱动尺寸变化修改零件。2.设计表（Design Table）根据零件特征值创建，这些特征值能够完整描述零件特征，设计表可以是Excel格式也可是文本格式，通过调用创建好的设计表中不同系列值实现修改零件。3.规则（Rule）可以采用IF THEN语句
40、编写程序，有条件地改变尺寸值或激活特征，从而实现尺寸驱动或特征驱动。4.检查（Check）主要检查设计中的参数是否符合设计标准等，从而及时有效地提醒设计人员进行修改。因此，采用CATIA实现知识工程首先需要对设计对象进行特征的提取，通过参数化建模，将其特征量用参数表示，从而奠定了下一步建立公式或规则的基础。在确定特征的基础上，将专家的设计思想或设计方法等知识归纳为规则或公式，通过建立特征之间的关联，将设计思想或方法等知识转化为可用计算机实现的工作过程。最后，这些规则或公式还可以根据特征或参数对设计的结果进行量化评估17。2.3 本章小结本章不但对CATIA软件及其特点进行了简单的介绍，而且对知
41、识工程、基于特征的参数化建模技术以及知识驱动技术做出了初步的阐述，对基于CATIA三维设计平台下的重力坝可视化、参数化设计打下了理论基础。3 基于CATIAV5的重力坝三维设计在水利工程设计中，CATIA与AutoCAD方法在设计思想上有很大的不同，CATIA是一个三维立体设计平台，所以在画设计图时首先要有面和体的概念。在以往的设计过程中，设计者习惯于平面设计图，在画AutoCAD设计图时（在这里暂不涉及AutoCAD的三维绘图），往往针对具体的剖面图直接成图，再标明是平视、立视、侧视图或者其它属性。但在用CATIA设计时要首先定义出这个面，要先在设计的产品中定义出这个图的位置，然后基于该位置
42、完成草图设计，所以草图就相当于是AutoCAD里的设计图。与习惯于运用AutoCAD进行设计的人员不同的是，CATIA设计者更关注体的概念，关注将不同面上的草图有机组合起来形成一个三维实体。CATIA系统主要运用零件设计（Part Design）、装配设计（Assemble Design）来完成三维建模工作18。本章将主要完成地质模型构建、坝址选择、坝体结构划分、坝体模型建立、附属建筑物建模、各部分模型的知识模板化和装配等一系列设计过程。3.1重力坝的结构划分现实中的重力坝是一个非常复杂的体型，如果不进行划分，一方面体现不出结构上：挡水坝、溢流坝和内部廊道等结构相互独立的特征。另一方面参数繁多
43、，难以确定，体现不出参数化的特点和优势，所以在重力坝模型对象的设计中，首先要考虑如何把复杂的重力坝进行合理地拆分，使之形成多个简单的模型对象的组合。当把重力坝完全抽象为若干个对象的集合时，我们也就完成了对重力坝实体对象的划分。重力坝可简单的分为：挡水坝段和溢流坝段两部分，当然也包括廊道、排水管和帷幕等细节。其设计思想可概括为：1.根据河道的地形地质条件确定溢流坝段的平面位置；2.拟定非溢流坝坝体轮廓尺寸并进行稳定及应力计算，首先确定坝顶高程，根据坝顶的交通、运行等要求初步拟定坝顶宽度；根据地质资料按规范要求拟定河床和两岸岸坡坝段的建基面高程，根据规范要求初步拟定上、下游折坡点高程和上、下游坝坡
44、；根据规范要求拟定各设计工况并进行相应工况的荷载计算、稳定和应力计算；根据稳定和应力计算成果看拟定的剖面是否合适，如不合适则调整断面尺寸重新进行稳定和应力计算，直到满足“稳定和应力均满足规范要求、坝体工程量相应最省”的原则。3.根据下游河道的地形地质条件和水位情况确定消能方式，通过水力计算拟定溢流坝坝体轮廓尺寸并进行稳定及应力计算。地形条件由此考虑到地形条件和坝址的选择是重力坝的设计的前提，因此首先将地形条件作为一个基本对象，选择合适的坝址。在此基础上，再考虑主要建筑物，包括挡水坝和和溢流坝等。最后考虑其他建筑物，比如廊道，导墙和闸门等。我们可以把地形条件看作一个大的实体图元，其他看作是大图元
45、中的小实体，最后得到的重力坝实体就是这些大小实体的组合。根据此原则和思想，重力坝的所有基本类型和结构都在考虑的范围之内，如图3-1所示。主要建筑物其 他廊道系统导 墙溢流坝挡水坝坝址选择其他建筑物图3-1 重力坝模型划分 Fig.3-1 The division of gravity dam3.2 地质模型的创建及坝轴线的确定3.2.1 地质模型的创建重力坝的设计和建设是在对地质地形条件充分了解的情况下进行的。一个设计人员对大坝的设计，首先要对地质地形条件进行分析，才能进一步确定坝址，完成整个大坝的设计，所以对地质地形条件的掌握是重力坝设计的前提。然而地质地形条件不是设计人员设计的，而是客观存
46、在的设计依据。通过对现场地质地形的勘察，将实际的地质地形条件转换为数字信息反映给设计人员作为设计依据。传统意义上是通过带有地理信息的二维等高线把地质地形信息作为设计依据反馈给设计人员。但是由于二维的局限性，不能很直观地反映实际的地质地形条件，不利于设计人员的快速决策。而三维设计则不同，它通过实物逆向工程将勘测获得的反映地质地形条件的数字信息，再次转换为能够准确反映真实地质地形条件的三维模型，服务于设计人员做出快速准确的决策。3.2.1.1 实物逆向工程的应用所谓“实物逆向工程”是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。运用CATIA进行重力坝的设计，首先要完成的工作就是将坝址附近的地质信息完整地采集到计算机中，再次基础上开展后续工作。3.2.1.2 地质模型创建的方法和步骤地质体表面数据的获取方法可分为接触式和非接触式测量两类，接触式测量将测量机与被测目标地质体接触以获得表面数据，非接触式测量则利用基于旅行时差或空间角度的光学量测方法获得地质体信息。目前，地表数据的获取方法多采用激光雷达技术，该技术充分挖掘激光所具有的方向性好、向干性强和发散角小等优点，具有精度高、速度快、抗干扰