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[CATIA实例教程] 探索复杂曲面钢结构桥梁的三维设计

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CATIA软件培训 发表于 2019-10-22 16:29:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
CATIA软件培训
2019-10-22 16:29:44 1066 0 看全部
  探索复杂曲面钢结构桥梁的三维设计

  长安街西延永定河特大桥是一座极具动感与张力的现代城市化景观桥梁,不仅结构外形新颖、景观效果独特,同时由于其新颖的空间曲面结构形式,给设计和施工控制带来了巨大的挑战。大桥设计团队通过大胆引入catia设计平台,并反复实践,探索出了一套适应于复杂曲面钢结构桥梁的创新设计方法与思路,为大桥设计的顺利完成、项目的顺利实施奠定了基础。
探索复杂曲面钢结构桥梁的三维设计91

  长安街西延永定河特大桥斜跨现况永定河莲石湖区,斜交角度约57°,永定河特大桥主桥采用斜拉组合体系桥,其中主跨为280m,桥梁标准宽度47m。由于大桥与河道斜交,为满足行洪要求,主塔塔肢根部在顺桥向有25m迈步,使主塔形成倾斜不对称扭转变截面钢箱形式。

  大桥体系在高塔处为塔梁墩固结,矮塔处为塔梁固结,且在梁底设置单向活动支座。索塔采用全钢结构拱形塔柱,高塔桥面以上高约114m,矮塔桥面以上高约66m。主梁采用分离式变截面钢箱,中间采用大横梁连接,横梁间距3m,中跨主梁为变宽,宽度47~54.9m,边跨主梁标准宽度为47m。

  本桥最大特点之一就是钢塔超常规曲板造型,常规二维设计方法对本桥设计基本无法适应。基于这个原因,大桥设计团队借助BIM三维设计技术,替代传统的二维设计方法,为大桥设计的顺利完成打下了坚实的基础。
探索复杂曲面钢结构桥梁的三维设计2

  永定河特大桥三维模型


  系统平台个性化转变:达索系统涉及土木工程领域的相关设计平台有:项目协同管理平台ENOVIA、设计建模平台CATIA软件及Digital Project、建筑性能分析平台SIMULIA(Abaques)、施工模拟平台DELMIA、虚拟现实交互平台3DVIA等几大类软件平台,涵盖了土建行业所涉及的项目全寿命周期管理所有相关内容。

  参数化协同设计:协同设计需要搭建统一的协同设计模型构架,第一步就需要对项目整体进行拆分,即搭建“设计骨架”。根据大桥的特点,主要将其拆分为如下几个大部件。再在大部件的基础上,将各个主要部件进一步进行分解,逐步落实到每一个零件上进行设计。

  拆分前的部件可以通过装配先进行条件关联,则拆解后的零件之间就可以独立进行设计,达到协同设计的目的。当然也可以先分别进行部件设计,再后期进行装配。对于本桥而言,后者的控制难度较大,却比较适应常规标准化的建模工作。

  参数化设计是三维设计软件的又一个基本特点,也是传统二维设计手段的一个基本区别所在,参数化设计的一个突出优点就在于设计调整时,通过参数的改变可以很方便地实现自适应调整。如在设计过程中根据需要设置一些设计后期可能会出现调整的参数,如板厚、加劲肋高度、孔的尺寸等,能极大地降低设计后期的调整工作量。

  对于大桥的参数设置,主要按部件进行分类分别设置了相关控制性参数,如高塔部件参数就设置了翼缘板参数、腹板参数、钢锚箱腹板参数、塔底加强板参数、锚区参数、横隔板参数等各种参数,方便后期调整,提高了后期设计修改效率。

  “骨架+模板”设计方法:“骨架”顾名思义是一个项目中的骨骼框架,是一个项目的控制性要素。而“模板”实例化后的特征如同骨骼上的肌肉,能够随着骨架的调整而自适应性调整,达到骨架控制部件特征的目的。
探索复杂曲面钢结构桥梁的三维设计48

  全桥“骨架”示意图

  下面简单介绍几种大桥项目中应用较多的模板形式。

  1.POWERCOPY:POWERCOPY即超级副本,其功能与通常的复制功能差不多,是比较简单的模板功能之一。

  超级副本实例化时会在选定的几何图形集下新生成一个特征。超级副本实例化后其所有操作流程都会保留,但新生成特征中跟外部相关的公式关系式不会被保留。

  2.UDF:UDF(User Feature Definition)即“用户特征定义”,它是一种封装后的特征,与POWERCOPY不一样,UDF实例化后,原有流程不会再出现,仅给出实例化后的特征及发布的参数等。这种形式的模板在CATIA里使用频率是比较高的一种,也是比较方便使用的一种模板。UDF可以类似POWERCOPY一样被实例化,也可以被Catalog收录后被引用实例化,同样也可以被PKT或VBS等脚本语言所调用后实例化。

  生成UDF时可以事先在选项“Parameters”中对需要调整的参数进行发布,便于后期调整,没有发布的参数后期将无法调整。

  实例化UDF时可以产生若干个特征结果和参数,实例化后的结果可以通过预定义好的参数进行调整,可以显示或隐藏,但是不能像POWERCOPY一样在流程上被编辑修改。

  UDF在CATIA中是一种比较灵活的模板,它可以定义不同类型的特征,也可以将不同的特征定义在同一个UDF中,还可以比较方便地被其他程序所调用。

  3.文档模板:文档模板与前面几类模板不一样,前面几类模板如POWERCOPY或UDF都是针对特征而言的,而文档模板是针对文档部件而言的,它是以零件为单位进行实例化。文档模板在实例化部件的同时还可以附着二维图文档,也就是三维模型与预定义的二维图同步进行实例化,在一些比较规则的结构中,可以大大简化工作量。

  除此之外,LOOP循环、PKT、VBA等均可以创建及调用模板。

  碰撞检查及曲面优化

  碰撞检查是三维设计软件具有的一项较为特殊而实用的功能,通过它可以尽可能地消除人为因素引起的冲突问题,减少施工过程中因空间干涉引起的变更,减少返工,节约工期。

  对于本项目而言,通过对比各种曲面成型方式,最后确定选取直纹扫略面作为本项目曲面的主要形成方式。采用直纹扫略面的优点主要有如下两点:

  一是对于不规则空间曲线,直纹扫略形成曲面时能够使形成后的曲面的高斯曲率较优,便于后期加工时曲面展开,同时也便于节段块件的成型控制。

  二是直纹扫略面的控制条件除了两条引导曲线(Guide curve)外,还有一条脊线(Spine)作为控制条件。对于比较简单的直纹扫略面而言,引导曲面间的扫略直线与脊线始终保持垂直关系,这样在节段划分时,就可以使垂直于脊线的节段端口四边始终保持直线,便于后期节段吊装时的精度控制。

  本桥桥塔造型为倾斜的椭圆形拱圈,由于塔肢在顺桥向的“迈步”,同时塔肢由底部的矩形变化到顶部的平行四边形,使桥塔壁板形成空间扭曲形式,塔柱壁板由壁板边线及塔柱辅助轴线通过直纹扫略形成。

  长安街西延永定河特大桥项目,作为国内市政桥梁行业较早引入三维设计手段直接进行设计的工程案例,CATIA设计平台很好地适应了复杂钢结构桥梁的设计工作,特别是对空间曲面及复杂的空间结构的合理设计,具有很好的适应性。
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