复杂钢结构的三维cad仿真技术应用

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1、复杂钢结构的三维C A D 仿真技术应用 余志祥赵世春 ( 西南交通大学土木工程学院成都6 1 0 0 3 1 ) 提要大型三维C A D 软件平台的推广，使C A D 仿真技术近年在钢结构工程领域得到初步推广，文章结合三维C A D 技术在 复杂钢结构工程中的应用现状，分别从钢结构计算分析、施工图设计、加工制造、施工安装等全过程环节探讨了其技术应用， 分析了其技术优势和技术特点，探讨了三维C A D 技术在复杂钢结构工程中的发展方向。 关键词钢结构；三维c A D ；仿真技术；数控加工 一、三维C A D 仿真技术的发展与现状 上世纪7 0 年代末8 0 年代初，三维C A D 技术起源于飞

2、机、车辆制造等领域【l J ，后来逐渐推广到机械电 子、家电模具等行业，无论在概念设计或制造图设计阶段，由于其精确的三维几何造型及装配关系描述能 力，加之极高的设计效率，因此获得了空前应用。后来，数控加工制造技术的出现将三维C A D 技术的应用 推进了一大步，波音7 7 7 的研发制造基于三维C A D 技术，结合先进的数控加工更是创造了“无图设计”的 神话【z 】。目前，国际上已经出现了诸如U G 、C A T I A 、P R o E 、S O L I D W O R K 、R H I N O C E R O S 等一批技术成熟且 功能强大的三维C A D 设计平台。 相比较而言，土木工

3、程领域的三维C A D 技术用起步较晚，大致源于上世纪9 0 年代中后期，主要用在 道路布线规划以及建筑环境虚拟设计领域p J 。在钢结构领域的应用则得益于X S T E E L 、S T R U C A D 等详图软件 的引进，这类软件的引进带来了三维设计的概念，但其影响基本局限在钢结构制造阶段( 包括零件图生成、 输出数控加工代码等) 。近年来，国内个别设计施工单位在一些大型场馆、桥梁和复杂高层钢结构工程建 设过程中初步引入三维C A D 数值仿真技术，解决了施工图设计、结构分析、加工制造、工程安装等不同环 节中的一些传统技术难题，使得三维C A D 技术日益获得重视与推广。三维C A D

4、 对于复杂几何的构成、分解 和图纸表达具有简单、直观、精确、快速的描述能力，同时又是三维动画仿真、三维仿真分析的基础。整 体而言，基于三维C A D 技术的钢结构工程全过程仿真应是这样一个过程：真正实体格式的三维建模三 维仿真分析一三维施工图表达一数控成形一三维运动仿真一数值化施工过程控制，目前任意一个 单一的C A D 平台都还不具备该过程所需的全部技术条件，因此这是一个综合课题，三维C A D 技术为这个课 题的重要核心之一。为便于交流，本文对三维C A D 技术应用的讨论大部分基于通用的A U T O C A D 软件平台。 二、复杂钢结构工程的三维C A D 仿真技术应用 ( 一) 建

5、模与结构分析过程中的应用 复杂钢结构的设计前期，三维C A D 技术主要应用在两个领域：其一为建立结构骨架线框模型；其二为 4 3 4 建立结构整体或者节点文体模型。建模思路包含两种：从低剑高的顺序，即按照点一线一面的顺序进行建 模；另种方式便是所1 目的从高到低的顺序，即按照实体或蒙皮( s o l i d 、b o d y 、f a c e 、s u r f a c e 、) 一切 割( s l i c e 、i n t e r s e c t ) 一点、线( J D i n t ，e d g e 、l in e ) 的咂序建立模型。复杂钢结构的工程单元一般 都且有繁杂的空间几何戈系，整体

6、坐标系( W C S ) 下，按点线面的建模方法，工作量巨大，且容易出 错，时此，为r 建立准确的骨架线框模型自必要引 用广难标系( 瞄) ，其方法叮以大致描述如下： ( 1 ) 建市已知边界几何控制点，在已知控制点上建立用户坐标系， ( 2 ) 在U C S 坐标系统下寻找未知点和控制点的儿f u I 戈系，其几何关系描述如( ”止： 蚶= 姐H + ，( z )u y ；= u y H + ( y J “z 。= 北H + ( z ) ； ( 1 ) ( 3 ) 假定儿何点之问的线性连接关系，建市= 向连线，其交点便足新的几何点。 该过程中常用到偏移( o f f s e t ) 、扣断(

7、 b r e a k ) 、投影( p r o j e c t ) 、外观交点( a p p a r e h ti n t e r s e c t ) 等一系，d 编辑手段。当初婚控$ 点较少的时候，常难以根据较少的边界拄制点寻找到新的几何定位点，此 时可以采用实体或具有宴体性质的呵( b o d y 、f a c e ) 进行切割获得丰富的控制点( c o n t r o lp o in t ) 或控 制线( c o n t r o le d g e ) ，即按照所谓的从高到低的顺序建立几何模型依据该思路建立复杂线框模型，效率 和精度均较高。典型的例了如图l - 3 所示，一般而言复杂的C

8、A D 建模思路口r 以描述如下： ( 1 ) 依据建筑造型几何 亭制点绘制控制边界； ( 2 ) 依据控制边界采用f j 由曲面或扫掠曲面造犁功能生成具有实体格式的结构蒙皮或结构儿何造型体。 ( 3 ) 采用平面或曲面进行切割，提取鲒构主耍骨架的空间定位线，此阶段的模犁可以作为后续精确细化 和调整的基准。 图1 a 某体育挑蓬自面薰皮固l b 某体育* 挑蓬骨架线框 躐 圄2 某市体育馆月盖骨槊曲线国3 某高控体盲馆& 骨架链 该疗法适应性极好，几乎可以完成仟意建筑造型的模颦建立，即使设计方案出现大的调整，也仅需要 调整j 盘犁实体或名蒙皮的绘阿参数- 即可重新修改模型。该A 法即使在常用的

9、A u t oc A D 平台电可实现复 杂模型的建立，如果和具备自由曲面造型能山的的。维软件结合使用，适应性更广。 = 维旨架模型一旦建立，便可以依据宇问线榧建立杆系模型的实体，这个过程一般要求宴体几何格式 颁满足后续的实体儿何布尔运算 4 1 ，口前，常用的几何赏体格式有P a r a s o l i d 、A C I S 和S T P 等，其中 P a r a s a l i d 和S I P 格式主要在u G 、C A T I A 等三维C A D 模型中支持，而A u t oC A D 则可以支持S a t ( A C I S ) 格 式。这些实体模型是后续施T 圈设计与节点有# 元

10、分析的基础，虽然人多数主流C A E 程序如A N S Y S 、A B A Q U S 、 A D I N A 、M A R C 等都自带了前处理建模功能但复杂的T 程节点实体还是在专业的C A D 平台上建模较为方便。 通用c 加平台肚都难卧直接通过选择线框定义截面幅性的方式建立实体模型，崮此建模效率并小高， 常用的方法是咀空问线框为基准，拣后在线框的让面上定义杆件截血，沿线框扫掠形成杆系单元的实体。 也可以将截面设置这些重复的流程编辑成L I S P 稗序，放置在C A D 的安装口泉下则L I S P 程序可阱直接作 为命令调用，大大节省了实体建模的时间。其一般流程如下： ( 1 )

11、切换局部坐标至骨架线框的法面，建立截面轮廓线，形成截面( r e g io n ) 如果是守腹截面则需在 内外界面形成轮廓，将内外面进行减( s u b t r a c t ) 运算。 ( 2 ) 以骨架曲线为扫掠路经( p a t h ) ，扫掠( 1 0 f t ) 生成单元空体。 根据上述流程，可卧形成结构整体实体阻实体模型为摹准，设计师可以冉便的生战后期各种施工图， 其优势如下所述，图4 6 为典犁的工程三维实体。 ( 1 ) 通过建立变体模型，可以将设计思路清晰的展现在二维模型j ：，利于改进设计。 ( 2 ) 三维实体模型稍加处理便可以直接作为精细有H 元仿真分析的儿何模型。 (

12、3 ) 将设计师从繁重的平面一维图纸设引中解脱出来H 王维模型为基准的施T 囤设计过程更多的是醴 计师进行尺、j 标注和结构装配关系改进。 ( 4 ) 利用其参数化建模功能，还可以实现实体模型修改和二维施r 图修改的联动减少r 政圈小错机会， 极大提商了m 图效率。 渺惫 囤6 跨度重型目桁* I 十月 将二维C A D 转换成土流c A E 程序讽别的刚形格式如S A T 、XT 、S T P 等，即可输入到c E 程序中，进行 自限元仿真分析，转化过程需要注意的关键点如F ( 1 ) 工程实体模型由于构造的原困，常常存在几何间隙和实体几何不连通园此，在转换之前，一般均需 要对实体模型进行处

13、理，这些处理方式以力学上的假定为依据，将实际构造的几何不连续转换成几何 意义L 的多联通体。如果需要考虑力学上的边界非线性，则不必作简化处理，直接在有限元边界参数 设定时候进行网格边界约束处理”。 ( 2 ) 对于几何上接触，力学上满足变形协调的区域应该在不同的构件( P a r L ) 之间形成几何上的共用，祟， 如共用点、共用线、菇用面，以方便后期组件( a s s e m b l e ) 网格划分的时候形成连续的网格种予。 澎 一、 ， ， 3 ) 几何区域由于构造的原田形成r 小尺寸的构造 难，通常对这些过小尺、J 的区域进行顺滑处理， 为了避免其舟后期网格划分的时候造成单元划分困 般

14、是将其过滤掉。 目7 某钢结构支仿真模型( 古接触、间隙单i E8 * * * 架支座仿真模型( 含钢砼接触面 团9 某雕塑结构支仿真模! ( 舍接触、间障单i ) 图79 为典型的T 稃节点实体以及其对应的有限兀阿格模型。现代C A E 发展的一个特征便是C A D 与C A E 的丸蛙集成，简n 之，即三维C A D 完成分析所需几何模型的建立，C A E 进行阿格划分和求解，更进步 的发展则是C A D 和c A E 的联机叮动，即二维C A D 的建模佑息变化口r 以同步在c 肛网格中得到修改，个* 口大 犁C A E 程序已经具备这个能力。 ( 二) 施工国过程中的应用 三维融D 给

15、T 程设计带来的最甚并舯变化还是在J 嘴其引 施T 闺设讨。传统的钢结构设计流程如卜 计算分析一节点设“一施T 图设计详刚设计，X S T E E L 、S T R U C A D 等三维详图软件引入钢结构设计领域极 大地提高了加T 件的制造精艘，但是并没有将钢结构设计T 程师从繁复的施工图设计咀及复杂的节点构造 设训过程中解脱 1 来，设计帅很大程度上做的足绘崮员的工作，可咀设想，如果设训师能够将主要精力放 在前期三维站构的分忻、细部的计算、节点构造的推敲，则设计师吏自E 够创造出经济、美观、安仝的结构 设计作品，从笔者的工群实践米右，- 维C A D 技术应该足解决这个问题的个好方案。 首

16、先，二维C A D 前期的模型构建包括骨架线框和结构宴体，是汁算分析的基础，这避免了一些传统 的计算分析模型和施J 二图啦模型分成两条线走的弊端，个模型可H 为结构分析和施工图设计提供基率 数据，这无疑节省了时间，提高rJ 二仆效率。 其次，在三维C A D 模型中完成模型很直观的展现了设计师的构思，使得设计师能够清晰的找到设计需 要改进的弊端，比如体量的不协调、连接是否得当、装配是否合理、构造是否美观等，从而，设计师更容 易进行作品的完善。 第三，三维C A D 仿真模型一旦建立，设计师可以使用程序内部命令轻易的从整体模型提取轮廓线框， 大大减少了设计师繁杂的二维绘图工作；这些轮廓线框实质上为二维线框，但其表达的内容却是全三维的 信息，在这样的图纸上，设计师仅仅需要进行三维尺寸标注，便可以用一个二维线框表达的立体图来反映 节点或构件的全部设计信息，相比较于传统钢结构设计中对复杂构造常采用的多个平面( 立面、剖面) 图 表达方式，图纸量大幅度减少，且表达直观，