基于Inventor钢结构三维参数化设计

（中交第三航务工程局有限公司江苏分公司，江苏 连云港 222000）

基于Inventor钢结构三维参数化设计

季景远

（中交第三航务工程局有限公司江苏分公司，江苏 连云港 222000）

本文对机械设计软件Inventor在钢结构模板三维设计中的应用进行了探讨，介绍了该软件在钢结构模板设计关键环节的使用方法，演示了用三维信息模型（ BIM）设计方法代替传统二维设计在钢结构模板设计中的应用。

钢结构；模板；三维；建筑信息模型

前言

在工程实践中，经常要用到复杂结构的模板，常规的模板设计往往是采用CAD制图，查表手工计算。因计算烦琐、复杂，致使常规的设计效率、可靠性、准确性大大降低，而且对于系列化产品设计需要进行反复的计算、查询和绘图，造成大量重复劳动。

在科学技术日益发展的今天，虽然CAD技术已被企业重视，但通用CAD软件对大多数用户来说，只是绘图工具，只是使所绘工程图便于保存，便于修改，不是达到真正的通过计算机进行辅助设计的目的，不能解决设计问题，其实质仍是手工设计；而且，在模板图纸绘图过程中，工程师们感到最别扭的、最影响设计质量的、最需要有人辅助的几个常见的问题可能有下列几项：复杂的投影线生成问题、漏标尺寸，漏画图线的问题、不同部件的几何关系的分析讨论问题、设计的更新与修改问题等等，在二维CAD软件绘图中都不能得到很好的解决。

三维CAD设计软件的应用是第二次建筑设计的飞跃，三维设计能直接以三维概念开始建立设计模型，这个模型能表达出设计构思的全部几何参数，整个设计过程可以完全在三维模型上讨论，对设计的辅助就很容易迅速扩大到设计的全过程。人们在设计零件时的原始冲动是三维的，是有颜色、材料、硬度、形状、尺寸、位置、相关零件、制造工艺等等关联概念的三维实体，甚至是带有相当复杂的运动关系的三维实体。

利用三维设计软件可比较容易地建立充分而完整的设计数据库，并以此为基础，进一步进行应力应变分析、空间装配干涉分析、高正确率的二维工程图生成、动画生成等一系列的需求都能充分满足，是对设计全过程的有效的辅助，是有明确效益的CAD。

目前国内常见的适合做模板设计的三维软件有Pro-E， Solidworks，3Dmax等，这些软件建模较为复杂，对于普通的工程技术人员存在上手较慢，熟悉应用需要较长时间的问题。针对模板结构设计中所遇到的单纯应力应变分析的问题，其应用有一定的难度。而Auto Desk公司开发的Inventor Professional是一个强大易用的机械设计三维参数化建模软件，它融合了二维和三维设计并带有装配功能，是集参数实体造型、曲面造型、装配造型、二维与三维双向关联绘图以及与Auto CAD相互转换于一体的机械设计系统。除此以外，Inventor Professional还包含了应力分析模块，该模块能够对结构件进行应力、应变分析，并输出分析报告。

1 设计内容概述

本文以某项目钢结构模板的设计为例，详细介绍了在Inventor平台下建模、受力分析、输出施工图、材料表等环节的具体应用方法。面板的主要材料为各种槽钢、角钢、扁钢等标准材料，这些材料的信息均已储存在Inventor系统自带的数据库中，所以这些材料的基本数据可以直接引用，而不必手工输入。首先利用EXCEL输入各种模板的主要参数数据，链接到Inventor中作为建模的基本数据；然后在零件环境下利用二维和三维功能，建立模板的主面板、纵向肋梁、横向肋梁和支撑系统的相互关系框架；其次在装配环境中导入模板框架，启动结构件生成器，将横肋、竖肋等各种支撑材料放置到框架上，进行装配和节点处理；再次，启动应力分析模块或结构件计算模块，对构件进行应力、应变分析，并改变参数进行方案比较，输出分析报告；最后在二维工程图纸界面中利用生成的三维模型投影生成所需要的工程图。 一套参数化的三维模型建好以后，如果对关键参数（如模板的长度、宽度、纵横肋间距、材料类型等）改变，三维模型和工程图中的相关联尺寸和数据也随之而变化，这样设计人员就可以看到三维的立体空间结构设计成果，了解各部分之间的空间关系，不必更多地考虑在平立面上的投影及画线、画弧等图面表达方式，可以有更多的精力去思考结构的优化，从而实现从计算机辅助绘图到计算机辅助设计的飞跃。

图1 Excel数据文件

图2 模板框架模型

图3 模板三维参数化模型

2 结构件的三维参数化建模

2.1 基本数据的输入

在Inventor 中可以直接链接Microsoft Excel的文件作为基本的建模数据，而且Inventor能够实时监测到Excel文件的修改而提醒用户及时更新模型。如果在许多模型中使用相同的参数，则可以在Microsoft Excel 电子表格中定义这些参数，可以将电子表格嵌入或链接到部件或零件模型中。首先启动EXCEL软件，建立新的文件，在文件中输入模板的基本数据，然后储存到一个文件夹中，如图1所示。

2.2 结构件框架模型的建立

进入Inventor ，启动标准零件模板，建立新零件，进入草图模式。单击标准工具栏的参数按钮，点击下部的链接按钮，打开文件浏览窗口，浏览到上步建立的Excel文件，参数表中随即出现已经输入的主要参数。模板的纵肋和横肋的数量由模型的长度、宽度和纵横肋的间距，通过输入公式函数由系统计算得出。利用这些参数就可以绘制模板的外形和纵、横肋的位置图形，如图2所示。

2.3 模板模型的建立

进入Inventor的装配模式，新建一装配文件，放入建立的模板主框架，启动结构件生成器，通过选择标准库中的各种横断面的型材，点击模型中曲线，就可以将材料放置到相应的位置上，对骨架产生实体结构。这样就完成了模板的初步设计，再使用“修剪”、“延伸”、“斜接”、“开槽”等功能对型材进行局部的修正，可以建立型材之间的准确的符合实际的链接方式，消除型材之间的干涉。

这样就建立了参数化的模板三维模型，如图3所示。如果要对模板参数进行修改，只要用Excel打开基本数据文件，修改其中的数据后存盘，然后点击工具条上的“全部更新”按钮，所建立的模型中相关的部分就会随即改变，而不必重新建立模型。

3 应力分析

应力分析是 Inventor的附加分析模块，为用户的设计提供一个快捷而强大的用于校核和优化的工具。应力分析的基本步骤是：

（1）选择分析对象；

（2）检查并为零件指定材料；

（3）定义相关的约束模型（打开约束向导）；

（4）应用荷载，可以在构件上加载集中荷载、均布荷载、力矩等；

（5）检查并修改零件之间的接触；

（6）验证网络进行收敛设置；

（7）运行分析并输出分析报告。

图4 模板应力分析结果

下面以面板计算为例演示应力分析的过程。模板计算模型的宽度定为1205mm，高度为1000mm，厚度为6mm，纵肋间距300mm；模板受到的均布荷载为52.3kPa；打开面板的三维模型文件，点击工具条的“应力分析按钮”切换到应力分析环境，根据实际情况对材料进行定义，也可以定义新的材料，给定适当的材料参数。用户可以直接从材料库中选定一种材料作为该结构的材料，该实例面板材料选为“钢”；其次定义“约束”，可以选定特定的点、边线、或面作为约束面，可以指定固定约束、轴承约束、无摩擦约束等，模板面板约束指定与纵梁接触的部位与端部为固定约束；荷载、接触和网络进行设置， 然后执行“分析”，就可以在屏幕上产生应力分析结果，如图4所示。

图5 模板二维工程图

4 输出二维工程图

二维工程图是设计意图、设计信息的最主要携带和表达者，最终的设计成果主要还是以二维工程图的形式提供给各方。Inventor提供了创建二维工程图（零件图、装配图）的功能，而且可以做到二维与三维相关联。从三维的零件甚至装配模型开始，几乎可以自动地、正确地、可关联更新地得到需要的工程图及材料表。模板二维工程图如图5所示。

使用自动化工程视图可以减少在传统二维环境中创建工程图的时间。自动化功能能够使用所有的视图形式显示工程图，包括主视图、侧视图、等轴测视图、局部放大图、剖视图和斜视图，并且使Inventor在投影图元的时候可以具备完全的可控选项，可以在图线级别控制隐藏线的显示。从三维模型中获取尺寸，并且将获取的尺寸标注在工程图中，包括轴测图的尺寸。同时Inventor中的尺寸会随着三维模型的更改而自动更新。使用大量的尺寸组合、注释和二维设计的符号快速灵活的完成工程图组的创建。

物料清单为确切的机器组成列表提供了原始数据，从而提高了对成本和用料的预见性。并且使用精确的工程物料清单可以简化从发布到制造的过程。根据传统二维设计的需要，可迅速自动生成和更新明细栏，这从本质上减少了人工失误。关联的明细栏能够保留一个精确的零件和装配成员表，并且能够自动更新，组织和加入到工程图中。同时能够快速的将零部件序号添加到装配工程图中。使得用户有很大的灵活空间，根据公司标准自定义明细栏。

结语

本文用inventor机械设计软件和数据库技术，进行钢结构模板的参数化建模设计，进行应力应变分析、并最终生成二维工程图。应用三维软件进行三维参数化设计，易于对复杂几何形状的控制和修改，在计算机上从三维开始，实现全部的设计过程，符合人们的思维习惯，提高了可视化程度，三维参数化设计能准确反映设计者的思想，给钢结构设计带来很大的方便，还易于进行多方案的比较，也容易检查设计错误，这样不仅提高了设计效率和设计质量，也缩短了设计周期。

（1）在三维建模软件运用过程中，二维和三维是双向关联的，所以在设计过程中可随意更改三维实体的尺寸，更改后的三维实体和所有的二维视图会自动更新，给结构的修改以及在三维装配图中更改带来极大方便。

（2）利用Inventor自带的数据库，可以直接得到所需要的标准件，加速了设计的自动化。也可以将自己建立的零件储存到数据库中建立自己的标准件库。

（3）利用三维建模软件生成的构件是三维的实体和表面，为有限元应力应变分析准备了数学模型，三维建模软件能进行结构的有限元分析软件，极大地简化了应力应变计算过程，提高了计算精度，避免了可能出现的计算措施。

[1]熊娣芬.大吨位油码头登船梯三维参数化设计系统开发与应用[D]. 武汉理工大学，2009.

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