1 绪论 

1.1 闸门的研究现状 

     钢闸门的结构计算按照《水利水电钢闸门设计规范》DL/T5013-95的规定和要求来进行计算，计算方法有两种：平面体系方法和空间体系方法。 

     目前平面钢闸门的计算，主要是按平面体系考虑进行计算，而在实际工作中，是一个完整的空间结构体系，作用外力和荷载将由全部组成构件共同传递分担。因此，在按平面体系计算各个构件内力时，不管作了多么精细的假定，总是不能完善的体现出它们真实的工作情况。整体上说，结构优化设计应用的广度、深度和效用远远落后于优化理论的进展，特别是在土木和建筑工程界应用的还不普遍。究其原因主要有： 

      一，理论研究工作与实际设计工作的脱节。一方面理论研究人员过多关注研究新算法，工程设计人员关心的是实用；另一方面，研究人员在解决工程问题时，不熟悉具体工程要求或忽略一些工程要求，致使优化结果不为工程设计人员所接受。 

      二，对于每一类具体结构的设计都必须建立优化数学模型，这给工程技术人员带来一定的困难，目前，工程中大多数结构优化问题都是通过委托相关研究人员进行的。

      三，现行设计规范和规程中没有明确规定采用优化设计方法。目前土木工程界的管理体制和习惯作法也缺乏使人们追求优化设计方案的动力。 

      对于有些闸门，受的水荷载比较大，主要以静力设计为主。有些钢闸门，结构动力学问题比较突出，以静力准则设计已不能满足结构的使用要求，结构在运行过程中，有可能发生过大振动，导致破坏。为了提高结构设计水平，迫切要求对以动载为主的闸门进行动力优化设计。 

      结构在动荷载作用下的优化设计是结构优化设计一个分支方向，也是实际工程中需要解决的问题。结构动力学优化设计通常包括对固有频率、振动模态、频率响应、元件应力等的控制。结构动力优化问题的求解更为复杂和耗时。与静力优化设计的研究和应用情况比较而言，对结构动力优化设计的研究还不成熟，究其原因，无疑是因为结构动力优化研究中还存在一些需要突破的困难问题。困难之一，是结构动力优化设计本身是一个典型的动力学反问题，为了避免求解的盲目性，应该比较清楚地研究其解的存在性与惟一性（即使不是在严格数学意义上，也应该建立在可信的工程意义上）。此问题又与约束本身的可行域有关。研究发现动力学约束中确实存在像固有频率这类可行域可能是空集的约束（具有“空集”的约束，称之谓“关键约束”），从而使问题无解。对于像简单桁架这类结构，姜节胜等人分析了频率优化解的存在性并提出了相应的算法。而对于复杂结构，还有待进一步研究。困难之二是，结构的动力特性本身是设计变量的高度非线性函数，而且，对于大型复杂结构，通过重分析获取结构的动力学特性及其灵敏度计算工作量很大。因此，针对结构动力优化设计问题，研究各种计算量小、计算精度高的重分析方法也是结构动力优化设计的一个研究课1.2题。 

1.2 CAD技术在水工钢闸门设计中的应用现状 

      近年来，随着计算机技术的突飞猛进的发展，钢闸门设计水平也得到了很大的提高。但总的来讲尚不能满足设计的需要。一般的设计单位计算机应用仅停留在使用小程序计算分析某个部件和直接用AutoCAD交互绘制工程图的水平上，常规设计速度慢，精度低，设计人员劳动强度大，很难对结构进行更精确的分析，影响了设计的优化。因此，提高计算机应用水平，以带动设计水平和生产效率的提高，已在业内达成共识。在钢闸门设计上，我国主要设计单位已经意识到CAD软件二次开发的重要性，并能够利用lisp、VBA语言开发相对应的一些程序，这些程序改变了以往计算和结构设计分离的现象，大大减轻了设计人员的工作量，提高了工作效率，并为今后的钢闸门软件系统的开发提供了大量的经验，但真正结合工程设计及施工需要的通用钢闸门的三维可视化设计软件尚未见更多报道。 

2 平面钢闸门三维建模 

2.1 闸门参数化建模技术 

参数化建模有两种方法：自上向下和自下向上。 

自上向下 

      所谓的自上向下的设计就是从整体到局部，先主后次的理念。它强调从实体人手，从实体上衍生出设计人员需要的分析计算模型，二维工程图模型，通过实体的参数化模型带动分析模型和二维工程图模型的改变，达到提高设计效率的目的。 

      自上向下的设计理念也符合人类认识事物的基本过程：人们观察到的总是三维的物体；运用投影、剖分等技术把物体在纸面上表现出来就是工程图；利用三维模型的简化模型进行计算就是规范规定的方法；从三维实体模型中得出有限元网格进行有限元数值分析，即可得到细部结构的应力、位移等的详细情况。 

自下向上 

      所谓的自下向上的设计理论，就是从局部到整体的设计理论，即先分别设计制造好单独的零部件，再根据不同的位置和约束关系，将一个一个的零件装配起来。这种设计方法能充分利用现代三维建模软件强大的零件实体造型以及零件装配功能。这种设计方法思路简单，操作快捷、方便，容易被大多数人员所理解和接受。但是自下向上在设计意图的表达，装配协调、设计变更等方面存在不足之处，具体变现为：零件实体造型是基于零配件特征的设计，无法表达和传递产品的设计意图（如产品的功能、结构要求、装配关系等信息），无法支持和指导后继的设计过程。零部件的装配依靠各零件间的配合关系，无法完整表达零部件间的装配关系（定位关系、运动关系等），且装配时操作频繁，当配合关系较多时容易出现欠约束和过约束情况。零部件间没有任何关联，当某些设计参数改变时，与之相关的其他设计参数不能同步修改，造成设计变更的不一致，由此引起重复修改及装配错误等问题。 

2.2 平板检修闸门参数化修正 

      真正的参数化设计是一个选择参数建立程序、将设计问题转变为逻辑推理问题的方法。在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。 

2.2.1 参数化理论 

      参数化建模是指先用一组参数来定义几何图形尺寸数值并约束尺寸关系，然后提供给设计者进行几何造型使用。它的主题思想是用几何约束、数学方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而得到一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。参数化设计是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。目前它是CAD技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的课题。利用参数化设计手段开发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。 

      参数化驱动机制是基于对图形数据的操作，通过参数驱动机制可以对图形的几何数据进行参数化修改，在修改的同时，还要满足图形的约束条件。参数驱动是一种新的参数化方法，其基本特征是直接对数据库进行操作，因此它具有很好的交互性，用户可以利用绘图系统全部的交互功能修改图形及其属性，进而控制参数化过程。 

      对产品进行设计时，采用参数化建模方法对尺寸进行更新，这样对于不同结构尺寸的产品只需要改变相应参数化尺寸的值就可以自动迅速的得到产品的模型，省去了大量重复过程，提高了设计生产效率。基于此优点，参数化建模的思想与功能在诸多CAD软件中得到应用实现。 

2.2.2 平板检修闸门参数化修正流程 

平板检修闸门参数化修正流程用下图表示。

        

      这种由初步建模得出结构的三维模型，再由三维模型去调整模型的三维可视化设计方法，有助于提高设计效率、缩短设计周期、保证设计质量，也是今后钢闸门设计的发展方向。