1 緒論 

1.1 閘門的研究現狀 

     鋼閘門的結構計算按照《水利水電鋼閘門設計規范》DL/T5013-95的規定和要求來進行計算，計算方法有兩種：平面體系方法和空間體系方法。 

     目前平面鋼閘門的計算，主要是按平面體系考慮進行計算，而在實際工作中，是一個完整的空間結構體系，作用外力和荷載將由全部組成構件共同傳遞分擔。因此，在按平面體系計算各個構件內力時，不管作了多么精細的假定，總是不能完善的體現出它們真實的工作情況。整體上說，結構優化設計應用的廣度、深度和效用遠遠落后于優化理論的進展，特別是在土木和建筑工程界應用的還不普遍。究其原因主要有： 

      一，理論研究工作與實際設計工作的脫節。一方面理論研究人員過多關注研究新算法，工程設計人員關心的是實用；另一方面，研究人員在解決工程問題時，不熟悉具體工程要求或忽略一些工程要求，致使優化結果不為工程設計人員所接受。 

      二，對于每一類具體結構的設計都必須建立優化數學模型，這給工程技術人員帶來一定的困難，目前，工程中大多數結構優化問題都是通過委托相關研究人員進行的。

      三，現行設計規范和規程中沒有明確規定采用優化設計方法。目前土木工程界的管理體制和習慣作法也缺乏使人們追求優化設計方案的動力。 

      對于有些閘門，受的水荷載比較大，主要以靜力設計為主。有些鋼閘門，結構動力學問題比較突出，以靜力準則設計已不能滿足結構的使用要求，結構在運行過程中，有可能發生過大振動，導致破壞。為了提高結構設計水平，迫切要求對以動載為主的閘門進行動力優化設計。 

      結構在動荷載作用下的優化設計是結構優化設計一個分支方向，也是實際工程中需要解決的問題。結構動力學優化設計通常包括對固有頻率、振動模態、頻率響應、元件應力等的控制。結構動力優化問題的求解更為復雜和耗時。與靜力優化設計的研究和應用情況比較而言，對結構動力優化設計的研究還不成熟，究其原因，無疑是因為結構動力優化研究中還存在一些需要突破的困難問題。困難之一，是結構動力優化設計本身是一個典型的動力學反問題，為了避免求解的盲目性，應該比較清楚地研究其解的存在性與惟一性（即使不是在嚴格數學意義上，也應該建立在可信的工程意義上）。此問題又與約束本身的可行域有關。研究發現動力學約束中確實存在像固有頻率這類可行域可能是空集的約束（具有“空集”的約束，稱之謂“關鍵約束”），從而使問題無解。對于像簡單桁架這類結構，姜節勝等人分析了頻率優化解的存在性并提出了相應的算法。而對于復雜結構，還有待進一步研究。困難之二是，結構的動力特性本身是設計變量的高度非線性函數，而且，對于大型復雜結構，通過重分析獲取結構的動力學特性及其靈敏度計算工作量很大。因此，針對結構動力優化設計問題，研究各種計算量小、計算精度高的重分析方法也是結構動力優化設計的一個研究課1.2題。 

1.2 CAD技術在水工鋼閘門設計中的應用現狀 

      近年來，隨著計算機技術的突飛猛進的發展，鋼閘門設計水平也得到了很大的提高。但總的來講尚不能滿足設計的需要。一般的設計單位計算機應用僅停留在使用小程序計算分析某個部件和直接用AutoCAD交互繪制工程圖的水平上，常規設計速度慢，精度低，設計人員勞動強度大，很難對結構進行更精確的分析，影響了設計的優化。因此，提高計算機應用水平，以帶動設計水平和生產效率的提高，已在業內達成共識。在鋼閘門設計上，我國主要設計單位已經意識到CAD軟件二次開發的重要性，并能夠利用lisp、VBA語言開發相對應的一些程序，這些程序改變了以往計算和結構設計分離的現象，大大減輕了設計人員的工作量，提高了工作效率，并為今后的鋼閘門軟件系統的開發提供了大量的經驗，但真正結合工程設計及施工需要的通用鋼閘門的三維可視化設計軟件尚未見更多報道。 

2 平面鋼閘門三維建模 

2.1 閘門參數化建模技術 

參數化建模有兩種方法：自上向下和自下向上。 

自上向下 

      所謂的自上向下的設計就是從整體到局部，先主后次的理念。它強調從實體人手，從實體上衍生出設計人員需要的分析計算模型，二維工程圖模型，通過實體的參數化模型帶動分析模型和二維工程圖模型的改變，達到提高設計效率的目的。 

      自上向下的設計理念也符合人類認識事物的基本過程：人們觀察到的總是三維的物體；運用投影、剖分等技術把物體在紙面上表現出來就是工程圖；利用三維模型的簡化模型進行計算就是規范規定的方法；從三維實體模型中得出有限元網格進行有限元數值分析，即可得到細部結構的應力、位移等的詳細情況。 

自下向上 

      所謂的自下向上的設計理論，就是從局部到整體的設計理論，即先分別設計制造好單獨的零部件，再根據不同的位置和約束關系，將一個一個的零件裝配起來。這種設計方法能充分利用現代三維建模軟件強大的零件實體造型以及零件裝配功能。這種設計方法思路簡單，操作快捷、方便，容易被大多數人員所理解和接受。但是自下向上在設計意圖的表達，裝配協調、設計變更等方面存在不足之處，具體變現為：零件實體造型是基于零配件特征的設計，無法表達和傳遞產品的設計意圖（如產品的功能、結構要求、裝配關系等信息），無法支持和指導后繼的設計過程。零部件的裝配依靠各零件間的配合關系，無法完整表達零部件間的裝配關系（定位關系、運動關系等），且裝配時操作頻繁，當配合關系較多時容易出現欠約束和過約束情況。零部件間沒有任何關聯，當某些設計參數改變時，與之相關的其他設計參數不能同步修改，造成設計變更的不一致，由此引起重復修改及裝配錯誤等問題。 

2.2 平板檢修閘門參數化修正 

      真正的參數化設計是一個選擇參數建立程序、將設計問題轉變為邏輯推理問題的方法。在參數化設計系統中，設計人員根據工程關系和幾何關系來指定設計要求。要滿足這些設計要求，不僅需要考慮尺寸或工程參數的初值，而且要在每次改變這些設計參數時來維護這些基本關系，即將參數分為兩類：其一為各種尺寸值，稱為可變參數；其二為幾何元素間的各種連續幾何信息，稱為不變參數。參數化設計的本質是在可變參數的作用下，系統能夠自動維護所有的不變參數。 

2.2.1 參數化理論 

      參數化建模是指先用一組參數來定義幾何圖形尺寸數值并約束尺寸關系，然后提供給設計者進行幾何造型使用。它的主題思想是用幾何約束、數學方程與關系來說明產品模型的形狀特征，從而得到一簇在形狀或功能上具有相似性的設計方案。參數化設計是CAD技術在實際應用中提出的課題，它不僅可使CAD系統具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能。目前它是CAD技術應用領域內的一個重要的、且待進一步研究的課題。利用參數化設計手段開發的專用產品設計系統，可使設計人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來，可以大大提高設計速度，并減少信息的存儲量。 

      參數化驅動機制是基于對圖形數據的操作，通過參數驅動機制可以對圖形的幾何數據進行參數化修改，在修改的同時，還要滿足圖形的約束條件。參數驅動是一種新的參數化方法，其基本特征是直接對數據庫進行操作，因此它具有很好的交互性，用戶可以利用繪圖系統全部的交互功能修改圖形及其屬性，進而控制參數化過程。 

      對產品進行設計時，采用參數化建模方法對尺寸進行更新，這樣對于不同結構尺寸的產品只需要改變相應參數化尺寸的值就可以自動迅速的得到產品的模型，省去了大量重復過程，提高了設計生產效率。基于此優點，參數化建模的思想與功能在諸多CAD軟件中得到應用實現。 

2.2.2 平板檢修閘門參數化修正流程 

平板檢修閘門參數化修正流程用下圖表示。

        

      這種由初步建模得出結構的三維模型，再由三維模型去調整模型的三維可視化設計方法，有助于提高設計效率、縮短設計周期、保證設計質量，也是今后鋼閘門設計的發展方向。