（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）浮箱式坞门参数化设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 浮箱式坞门是大型造船设施的关键设备之一，坞门设计质量的好坏，影响到整个船 坞的整体性能，决定着船舶进坞修理时间的长短及建造或维修质量的高低。为了提高浮 箱式坞门的设计水平，本文开发了浮箱式坞门的参数化设计系统。 在干船坞设计规范中与浮箱式坞门稳性相关的主要有以下两点： ( 1 ) 对于长度大于3 0m 的浮箱式坞门，在轻载吃水时的初稳性高度不小于l m 。 ( 2 ) 所有浮箱式坞门在整个沉浮过程中，经自由液面修正的稳性高度应不小于 0 3 m 。 以往浮箱式坞门的总体设计都是传统的人工分析计算。人工分析计算不仅费时、复 杂、繁琐而且有时很易于出错，不利于提高设计的整体质量和缩短坞门的设计周期。 本文主要针对传统人工分析计算的缺点，基于参数化设计的理论，采用v i s u a lb a s i c 编写设计软件并与s o l i d w o r k s 接口进行二次开发，开发出适用的浮箱式坞门参数化设计 系统。 论文完成了如下工作： ( 1 ) 研究了干船坞设计规范对浮箱式坞门的要求；总结了浮箱式坞门设计特点 与设计思路；学习s o l i d w o r k s 三维建模软件及其二次开发。为开发交互式的浮箱式坞门 参数化设计系统奠定了理论基础。 ( 2 ) 基于s o l i d w o r k s 开发了浮箱式坞门参数化设计系统。实现了在一组给定主尺度 下快速进行交互式浮箱式坞门分舱、稳性校核、建立三维模型的功能，生成满足稳性要 求的较优分舱方案，可以提高设计质量、加快设计进度。 ( 3 ) 研究了与浮箱式坞门稳性相关的变量( 重量余量、潮汐舱甲板比轻载水线的高 度) 的变化对浮箱式坞门浮心高、重心高和初稳性高的影响效果。 关键词：浮箱式坞门；参数化设计；初稳性；影响效果 浮箱式坞门参数化设计 p a r a m e t r i cd e s i g no f f l o a t i n gc a i s s o n a b s t r a c t f l o a t i n gc a i s s o ni st h ek e ye q u i p m e n to fl a r g es h i p b u i l d i n gf a c i l i t i e sa st h en u m b e ro f l a r g e s c a l ed o c ki n c r e a s e s t h eq u a l i t yo fd o c kd o o rd e s i g nw o u l da f f e c tt h ew h o l e p e r f o r m a n c eo ft h ed o c k ，a n dd e t e r m i n et h er e p a i r i n gt i m eo rm a i n t e n a n c eq u a l i t y i no r d e rt o i m p r o v et h el e v e lo ff l o a t i n gc a i s s o nd e s i g n ，t h i sp a p e rd e v e l o p e st h ep a r a m e t r i cd e s i g n s y s t e mo ff l o a t i n gc a i s s o n ； t h e r ea r et w op o i n t ss h o w e da sb e l o wr e l a t i n gt ot h es t a b i l i t yo ff l o a t i n gc a i s s o ni nt h e d e s i g nc o d eo fd r y d o c k ： ( 1 ) f o rt h el e n g t hm o r et h a n3 0mo ff l o a t i n gc a i s s o n ，t h ei n i t i a lm e t a c e n t r i ch e i g h ti sn o t l e s st h a nl mw h e n d r a w i n ga tl i g h t l o a d ( 2 ) d u r i n gr a i s i n ga n dl o w e r i n g ，t h ei n i t i a lm e t a c e n t f i ch e i g h ts h o u l db en o tl e s st h a n 0 3 ma f t e rf r e es u r f a c ec o r r e c t i o n t h e g e n e r a ld e s i g ni nt h ep a s ti st r a d i t i o n a ld e s i g nb yu s i n gm a n u a la n a l y s i s m a n u a l a n a l y s i si sn o to n l yt i m ec o n s u m i n g ，c o m p l i c a t e d ，a n dc u m b e r s o m eb u ta l s oe r r o rp r o n e ， w h i c hg o e sa g a i n s ti m p r o v i n gt h eq u a l i t ya n ds h o r t e n st h ep e r i o do f d e s i g n t h i sp a p e ra i m sa ts h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lm a n u a l a n a l y s i s ，c o m p l e t e st h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n tu s i n gv i s u a lb a s i cs o f t w a r ea n ds o l i d w o r k si n t e r f a c e ，d e v e l o pas u i t a b l e s y s t e mo fp a r a m e t r i cd e s i g no ff l o a t i n gc a i s s o n t h i sp a p e rh a sc o m p l e t e dt h et a s k sa sf o l l o w ： ( 1 ) r e s e a r c ht h er e q u i r e m e n to ft h ed e s i g nc o d eo fd r y d o c k ；s u m m a r i z ed e s i g nf e a t u r e s a n dd e s i g nt h i n k i n go ft h ef l o a t i n gc a i s s o n ；l e a r ns o l i d w o r k s3 dm o d e ls o f t w a r ea n d s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ( 2 ) d e v e l o pp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mo ff l o a t i n gc a i s s o nb a s e do nt h es o l i d w o r k s s o f t w a r e 。i fp r i n c i p a ld i m e n s i o n sa r eg i v e n ，i tc a na c h i e v et h ef u n c t i o n so fs u b d i v i s i o n ， s t a b i l i t yc h e c k i n g ，a n de s t a b l i s h m e n to f3 dm o d e lo fi n t e r a c t i v ef l o a t i n gc a i s s o n ，a n dg e n e r a t e s u p e r i o rp r o g r a m sm e e t i n gs t a b i l i t yr e q u i r e m e n t s ，w h i c hc a l li m p r o v et h eq u a l i t ya n ds p e e d u pt h es c h e d u l e s ( 3 ) s t u d yt h ei n f l u e n c i n ge f f e c to ft h ec e n t r eo fb u o y a n c ea n dg r a v i t ya n dt h e m e t a c e n t r i cs t a b i l i t yh e i g h ta l o n gw i t ht h ev a r i a t i o no fv a r i a b l e sr e l a t i n gt o s t a b i l i t yo f f l o a t i n gc a i s s o n ( t h ew e i g h tm a r g i n ，t h eh e i g h tb e t w e e nt i d a lt a n kd e c ka n dl i g h tl o a dl i n e ) k e yw o r d s f l o a t i n gc a i s s o n ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；i n i t i a ls t a b i l i t y ；i n f l u e n c i n ge f f e c t i i 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同怠大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：至至圭 新签名：丛塑曼 刎年一月# 日 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 乍者签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 我国的海岸线有一万八千多公里，江河广布各地，发展水上运输有优越的条件。因 此在国内各地货物运量逐年增大的情况下，尤其是经过改革开放近3 0 年的发展，我国 势必要不断的建造大量货运船舶，因此同时修造船设施得到了迅猛发展，其中大型干船 坞数量不断增加，而且在今后几年内还要开辟新型巨大港湾、码头和水上建筑物，如大 型船坞、造船台等。 船坞是船舶的医院，浮箱式坞门是大型造船设施的关键设备之一。随着我国各地船 坞的兴建，船坞设计工作，包括浮箱式坞门的设计，也在不断地发展。 浮箱式坞门设计质量的好坏，影响到船坞本身的完整性，影响到修、造船任务的进 行和船舶运行的周期。因此，浮箱式坞门设计工作要在保证质量的基础上达到多快好省。一 而关于论述浮箱式坞门设计的书籍资料目前较少见，以往浮箱式坞门的总体设计都 是传统的人工分析计算，人工分析计算不仅费时、复杂、繁琐而且有时很易于出错，不 利于提高设计的整体质量和缩短坞门的设计周期。 本文开发出浮箱式参数化设计系统，并利用该系统研究影响坞门稳性的各因素以及 其影响效果，所得结论具有工程应用价值，并用实例加以论证。这些结论可以为浮箱式 坞门的优化设计提供借鉴作用。 1 1 参数化法造型 1 1 1 参数化设计的概念与思想 ( 1 ) 有关参数化的几个基本概念【l 2 】 在机械产品的设计、加工中，存在大量尺寸系列标准件与几何拓扑结构相同或相似、 尺寸规格不同的非标准专用零件。过去工程设计人员常常因不同尺寸或相似零件而重复 设计，耗时耗力。而现代计算机辅助设计中，参数化设计则应运而生。这种方法是通过 程序设计将确定设计对象形状和结构尺寸的条件，设计为一个或多个参数或约束变量、 通过给参数赋不同的值，即可由同一软件生成数个形状类似尺寸不同的图形，这样的设 计方法称为参数化设计。 参数一般包括尺寸类参数、几何形状类参数、其它辅助类参数( 零件名称、规格标 记、材料、质量、公差配合等) 。前两类数据是建立各零件三维二维图形所必不可少的， 而后一类参数一般运用在装配中。提到参数化，必须介绍几个与此紧密联系的基本概念： 约束 浮箱式坞门参数化设计 约束的概念是利用一些法则或限制条件来规定构成实体的元素之间的关系。约束可 分为尺寸约束和几何拓扑约束。尺寸约束一般指对大小、角度、直径、半径、坐标位置 等这些可以具体测量的数值量进行限制；几何拓扑约束一般指平行、垂直、共线，相切 等这些非数值的几何关系方面的限制；也可以形成一个简单的关系式约束，如一条边与 另一条边的长度相等或是其几倍等。全尺寸约束是将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺 寸约束来实现对几何形状的控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发( 全约束) ，不能漏 注尺寸( 欠约束) ，不能多注尺寸( 过约束) 。 尺寸驱动 通过约束推理确定需要修改某一尺寸参数时，系统自动检索出此尺寸参数对应的数 据结构，找出相关参数计算的方程组并计算出参数，驱动几何图形形状的改变。 数据相关 尺寸参数的修改导致其它相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。采用这种计算的理 由在于：它彻底克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式而牢牢地控制 住。如修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值即可实现形状上的改变。 基于特征的设计将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺 寸存为可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。 ( 2 ) 参数化造型的主体思想【】 参数化造型的主体思想是用几何约束、数学方程与关系来说明产品模型的形状特征 从而达到设计一组在形状和功能上具有相似性的设计方案。参数化实体造型的关键是几 何约束关系的提取表达、求解以及参数化几何模型的构造。生产中常用于设计对象的结 构形状比较定型的产品，系列化标准件就是属于这一类型。 计算方程组中的方程是根据设计对象的工程原理而建立的求解参数的方程式，例 如，根据齿轮组的齿数与模数计算中心距等。 三维实体几何约束关系可表示为【3 】： 由算术运算符、逻辑比较运算符和标准数学函数组成的等式或不等式关系，它 们可以在参数化造型系统的命令窗中直接以命令行形式输入。 曲线关系直接把物理实验曲线或其它特性曲线用于几何造型。 关系文件，是许多关系命令行语句和特定语句的集合。多种几何约束关系，包 括联立方程组可以写成一种特定格式的文件( 即用户编程) ，中的约束关系的参数控制难 以实现，但可在二次开发中通过程序控制实现。如此便能成批驱动几何设计。 面向人工智能的知识表达方式，这种方式将组成几何形体的约束关系、几何与 拓扑结构用一阶逻辑谓词的形式描述，并写入知识库中。知识表达的方式一方面是以符 大连理工大学硕士学位论文 号化为形式表达各种类型的数据，求取符号解；另一方面是加上基于约束的几何推理， 求取数值解，从而在更大程度上实现机械产品的智能设计。这也是参数化未来发展的趋 势。3 d 参数化模型是由几何模型和约束信息两大部分组成。根据几何尺寸约束和拓扑 信息的模型构造的先后次序，亦即它们之间的依存关系，参数化造型可分为两类。 一类是几何约束作用在具有固定拓扑结构形体的几何模型上，几何约束值不改变几 何模型的拓扑结构；而是改变几何模型的公称大小，这一类的实现相对简单，尤其是算 法简单。 另一类是先说明参数化模型的几何构成要素及它们之间的约束关系。而模型的拓扑 结构是由约束关系决定的。可以改变实体模型的拓扑结构，并且便于以过程化的形式记 录构造的整个过程。这类算法复杂，要考虑的因素很多，特别在参数相互影响，相互嵌 套，与第一类结合运用时，拓扑结构的改变会不会影响图形的正常形成等因素。 1 1 2 参数化方法概述 c a d 技术发展的早期，计算机图形处理的着眼点，主要是如何更方便的绘制和修 改图素。传统的c a d 、系统的工作方式是用户通过图形交互设备来进行精确定形，主要 是建立产品的数字化模型，其应用一般限于详细设计阶段。这种建模与设计方式在实际 应用中存在严重问题。主要表现在以下几个方面【4 。8 1 ： ( 1 ) 无法支持整个设计过程 由于数字化描述方式的单一性，一般只适用于产品设计的某一特定阶段。这样，在 一个产品的整个设计过程中，往往需要多种模式来表达。由于图形描述方法的单一性与 图形复杂性之间的矛盾，传统c a d 方法不能完全表达产品不同设计的过程中的完整信 息，致使许多产品信息在图形描述过程中丢失，从而不能支持产品的整个设计过程，无 法支持并行设计。 ( 2 ) 无法修改图形与参数化设计 传统的图形描述方法，图形中的各元素是孤立的，它们之间不存在联系。因此，无 法对图形进行整体修改。另外，图形的生成过程是一个有序的过程，而图形的描述方法， 无法完全表达这种有序性，给图形的重建造成很大的困难。 ( 3 ) 无法支持初步设计 在实际设计初期，设计人员关心的是零部件的大致形状及标注要求，对精确的尺寸 并不十分关心，而传统的设计绘图系统则始终是以精确形状和尺寸为基础的。 产品的设计是一个不断完善、反复修改的过程。同时，在产品设计中，绝大多数的 设计属于该进型设计，而且大约7 0 的原来的产品设计信息在新产品的设计是被重新利 用，参数化设计技术就在这样的背景下应运而生的。 浮箱式坞门参数化设计 机械设计过程的复杂性、多样性和灵活性要求设计必须走参数化的路子。所谓参数 化就是将设计要求、设计原则和设计结果用灵活可变的参数来表示，以便在人机交互过 程中根据实际情况随时加以更改。要实现参数化设计，仅仅将设计要求参数化是远远不 够的，如果设计原则、方法和结果形式不能在设计过程中根据实际情况进行变更，这样 的设计自动化软件是很难在实践中应用的。 参数化设计技术是计算机辅助设计技术的一次巨大飞跃，目前先进的c a d 软件大 部分实现了参数化。下面介绍参数化设计系统中所涉及到的一些技术和思想，如轮廓 ( p r o f i l e ) 、草图绘带j j ( s k e t c h i n g ) 、尺寸驱动( d i m e n s i o nd r i v e ) 、变量驱动和合理性检查等。 用轮廓体现设计思想 参数化设计系统引入了轮廓的概念，轮廓由若干首尾相连的直线或曲线组成用来表 达实体的截面形状或扫描路径。轮廓上的线段不能断开、错位或者交叉。整个轮廓可以 是封闭的，也可以是不封闭的。 根据轮廓在实体造型中的作用，轮廓主要分为以下两种： 截面轮廓： 闭口轮廓可用来定义实体的截面或剖面形状：开口轮廓通常不仅与相邻的实体轮廓 共同形成截面，而且也能定义均匀壁厚零件截面的中线，或者用来定义空间的曲面。 路径： 路径主要用来描述扫描实体中截面上一点所扫过的轨迹，路径也有开口和闭口两 种，开口路径也可以用来定义剖切路径。 草图绘制 轮廓的草图绘g 0 ( 草绘) 是参数化设计中定义轮廓的绘图方法，草绘是参数化设计系 统的一个重要模块，所有的参数化设计系统都提供草绘功能。一般情况下草绘是在一个 预先设定的平面上进行的，这个平面叫草绘面。草绘面可以是实体上的一个平面，也可 以是非实体的几何平面，特殊情况下也可以在三维空间进行，如可以用局部坐标系标注 样条曲线控制点的z 坐标从而建立3 d 路径。 尺寸驱动 如果给轮廓加上尺寸，同时明确线段之间的约束，计算机就可以根据这些尺寸和约 束控制轮廓的位置、形状和大小。所谓尺寸驱动就是指当设计人员改变了轮廓尺寸数值 的大小时，轮廓将随之发生相应的变化。尺寸驱动把设计图形的直观性和设计尺寸的精 确性有机地统一起来，大大提高设计的效率和质量。 变量驱动 大连理工大学硕士学位论文 变量驱动也叫变量化建模技术。变量驱动将所有的设计要素如尺寸、约束条件、工 程计算条件甚至名称都视为设计变量，同时允许用户定义这些变量之间的关系式以及程 序逻辑，从而使设计的自动化程度大大提高。变量驱动进一步扩展了尺寸驱动这一技术， 给设计对象的修改增加了更大的自由度。变量驱动给c a d 软件带来了空前的适应性和 易用性。 合理性检查 在传统的设计过程中，尺寸不足、多余和相互矛盾是不可避免的，然而在参数化设 计系统中，计算机能够帮助设计人员正确地标注尺寸，过多和过少的尺寸都能被发觉， 计算机会在恰当的时候向设计人员提出忠告。 创建一个参数化的零件模型的过程大致有以下几个步骤： 分析零件由那些特征构成； 绘制二维草图，包括定义草图平面、定义截面轮廓、对草图施加尺寸约束和几何约 束； 创建草图特征，如拉伸、旋转、扫掠、放样等； 创建放置特征，如切割、打孔、抽壳、复制、阵列等； 修改特征，包括修改草图、修改特征、修改各类参数； 创建三维实体，如动态观察、设置材质系数、渲染处理。 在s o l i d w o r k s 中，创建三维零件模型是一个设计的过程，而设计是一个反复修改的 过程。用户在建立模型过程中的每一个步骤、每一个细节的所有信息都不知不觉地被记 录在一个智能的、动态的数据库中，不仅仅记录了模型的信息，更重要的是记录了反映 用户设计意图的各种设计关系和设计约束，从而实现了参数化设计，这是s o l i d w o r k s 这一类特征造型系统的最基本的特点。 参数化c a d 系统与传统c a d 系统的最大区别就在于可以处理在设计过程中起核心 作用的设计知识和设计约束等非几何信息，它存储了设计的整个过程，能设计出一组而 非单一的产品模型。 参数化设计方法的研究工作最早可追溯到2 0 世纪6 0 年代早期【9 】，s u t h e r l a n d 在他 开发的s k e t c h e p a d 系统中，首次将几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位 置。后来h i l l y a r d ，g o s s a r d 进一步发展了这一思想，并使之实用化。在应用此方法的过 程中，人们也发现了早期参数化方法的诸多弊端，如迭代收敛性问题等，由此人们又提 出了符号法用以克服这些问题，但符号法的计算量很大，在实用中受到很大的限制。另 外，人们又提出了应用人工智能思想的方法基于图的方法，用图的表示改善推理过 程，这种方法把约束及其所约束的几何元素用图论的方法表述出来，然后对约束进行几 浮箱式坞门参数化设计 何推理机确定各几何元素的参数值。这种方法有简洁、计算量小，因而在实际软件系统 中得到了广泛应用。 国内近年来对参数化的研究也显示出较高的热情，相继开发出一些具有较高技术水 平的商品化软件，在几何约束的表示和求解方面，提出了各种新方法和思路【lo j ：如葛建 新博士提出的基于整数规划的几何因果定性推理建模和求解；董金祥教授等提出的基于 变分集合的参数化设计方法；孟祥旭教授等提出的基于有向超图的参数化表示模型；陈 立平博士提出的基于归约的几何推理；谭建荣教授等针对在线参数化方法的不足提出模 型建立和求解相分离的离现实参数化方法等。 在参数化方法研究不断深入的基础上，世界各大公司相继推出自己的c a d 系统或 在原有的系统上增加参数化功能。一些著名的商用公司开发的产品，基本代表该项技术 发展的主流，所提供的模块基本覆盖了整个机械产品的设计过程。如美国参数技术公司 p t c 的机械设计自动化软件p r o e n g i n e e r ，u g 公司的s o l i de d g e ，a u t o d e s k 公司的 a u t o c a dd e s i g n e r 、德国西门子- - n 多富公司的s i g r a p h d e s i g n 等。国产的具有参 数化功能的c a d 软件主要有：高华计算机公司的高华c a d 、浙江大学的z d d s 等。 规范化的趋势体现在数据模型的标准化、数据交换格式的标准化及c a d 资源的规 范化三个方面。基于s t e p 标准的数据交换将成为主流，所传输的的内容，也将不仅限 于几何数据模型。目前参数化特征模型的传输还是一个世界难题，在s t e p 标准的基础 上，相信这一点能有所突破。规范化就涉及标准件库，将促使设计更加方便。 1 1 3 参数化设计的必要性、特点及思路分析 s o l i d w o r k s 是全参数化软件设计系统，在s o l i d w o r k s 中构造的零件模型是完全参 数化的，因此，我们可以对其中每一个几何尺寸都赋予设计变量( 参数) ，然后再由设 计变量来驱动几何尺寸。借助于s o l i d w o r k s 强大的尺寸驱动功能，通过修改设计变量的 值的方法来建立三维参数化标准件库，简捷、实用，将大大提高设计效率和准确性。 参数化设计的最大优点是系统自动记录建立几何形体的整个历程，换句话说，系统 不仅记录建立的几何形体，同时也记录设计意图，即几何间的关系。当你改变参数时， 几何关系保持不变。s o l i d w o r k s 作为一个基于特征的三维辅助设计软件，利用几何约束 实现了尺寸驱动，设计者可以在设计过程中预先定义设计变量，再通过简单的算术表达 式定义几何尺寸，几何尺寸也可以以变量的形式加入到算术表达式中，以驱动其它尺寸。 对标准件来说，其结构尺寸均己标准化、系列化，国家标准对其有着明确的规定。在造 型过程中，就某一特定类型的标准件而言，我们只需改变其设计变量的值，就可得到不 同规格的同类零件模型。因此，设计变量的应用，使得标准件模型库建立的繁杂工作变 得简单了。设计变量的应用一般有两种方式【li 】： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 表格方式：在一个表格中( 如m i c r o s o f te x c e l 电子表格) ，建立局部变量或全局 变量，用表格驱动单个或多个零件的尺寸变化； ( 2 ) 直接方式：直接建立局部或全局变量，用变量驱动单个或多个零件的尺寸变化： 利用表格驱动尺寸变化，这种方式实现起来较为复杂，且图形不能立即更新。首先，标 准件规格很多，表格的建立工作量很大，同时表格占据的存储空间也很大：其次，就某些 标准件的某些尺寸而言，同种规格可以有不同的尺寸，如螺栓，其长度尺寸在国标中只 是给出了可选择范围，并没有给出具体数值。若是将每种长度同公称直径的螺栓都作为 一种规格列入表中，显然不切实际，因此，在造型过程中，还需根据实际需要，确定表 格中的长度数值，这使得操作变得繁琐，降低了工作效率。利用直接方式实现尺寸驱动， 则可利用a u t ol i s p 中的c o m m a n d 函数调用s o l i d w o r k s 中的a m v a r s 命令，即可将外部 数据导入到用户定义的设计变量中，从而解决表格方式中存在的问题，而且图形能够立 即得到更新。 a m v a r s 是s o l i d w o r k s 中管理用户自定义变量的命令，它可以对变量进行增删、修 改、导入数值、导出数值等操作。用c o m m a n d 函数调用此命令相当于给用户提供一个 向s o l i d w 0 k r s 自定义变量传递数据的接口。a m v a s r 命令中有两个选项可以修改变量的 值，其一是“e d i t ”，这时变量可设置成局部变量或全局变量，选择此选项后，? 二次只 能修改一个变量的值。由于不能同时修改所有的变量，这样往往会因为某个变量的修改 过大，使得原来依附于该特征的其它特征可能失去约束，变成悬空状态而受到抑制，从 而无法进行下一步的操作。因此该选项仅可用于设计变量中只有一个自变量的零件造 型，如螺母、垫片，而对于有多个自变量的零件造型，就必须使用另一选项“i m p o r t ， 这也是本文所要阐述的内容，此时设计变量必须设置成全局变量。该选项利用参数文件 输入数据的方法来给各个设计变量赋值。参数文件为文本文件，可以用v b 语言建立或 修改此文件。采用文件输入时，所有变量同时得到修改，消除了变量不同步导致的特征 抑制问题。在参数文件中，只需描述各变量的值或它们之间的函数关系，程序简单明了， 节省了大量的存储空间：同时，对于自变量的修改可以通过对话框接受用户输入方式进 行，方便、快捷。 1 1 4 基于特征的参数化建模方法 基于特征的参数化建模是将特征造型技术与参数化技术有机地结合起来，实现多种 设计方式( 自顶向下或自底向上等) 和设计形式( 初始设计、相似设计和变异设计等) 的支 持的一种建模方法【l2 1 。 基于特征的参数化建模主要过程为： ( 1 ) 基于约束的特征描述； 浮箱式坞门参数化设计 基于约束的特征描述：基于特征的参数化设计过程中，最主要的是基于约束的特征 描述，主要包括以下内容： 将产品描述为几何形状特征的集合； 将形状特征分解为具有一定几何体素的特征结构图元，结构图元一般可以是由 线段、圆、圆弧、样条曲线等组成的特征框模型； 以二维几何体素及位置关系进行分析结构图元的几何构成及其位。 ( 2 ) 特征结构图元参数化建模； 特征结构图元参数化：在c a d 参数化设计系统中，产品的主特征和辅特征均要实 现参数化，特征结构图元参数化一般为一个主特征和那部分辅特征参数化，参数化定义 过程可以描述如下： 首先选择并创建结构形状的几何体素，使用参数化完整表达几何形状的结构体 素； 指定足够的测量实体，如组成实体的点、线、圆弧、倒角等测量基准； 建立定形尺寸，即各个标注的尺寸单元； 建立定位尺寸，即定位点为基准，确定各个特征点的对应位置； 确定尺寸约束和位置约束，建立约束方程，并对约束方程进行求解。 针对某一类部分辅特征还应单独定义，如轴类零件，其中的键槽、中心孔就应作为 辅特征单独定义，以满足特征主特征的需要。辅特征实现参数化主要是将辅特征用计算 方程和逻辑方程表达，参数可以逻辑谓词事计算关系式的变量。 ( 3 ) 特征之间的约束建模。 特征之间的约束建模：在设计过程中j 特征之间的约束建模主要包括在下列三个方 面： 针对不同的类型的产品，建立产品的形状特征分解简图： 分析构成此类产品的各个特征之间的拓扑关系，并用二叉树表示特征模型之间 的拓扑关系： 分析构成此类产品的各个特征之间的约束关系，显式地指定以完全满足产品建 模所需确定的约束，这些约束主要是特征的空间位置关系、公差、装配结构等几何约束。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 坞门研究现状及本课题研究内容 1 2 1 坞门研究现状 坞门是一种适合于运河或沿海地区水利枢纽工程建设的水工建筑物，具体研究浮箱 式坞门其结构、稳性与设计的书籍资料目前并不多见，对于坞门的研究具体体现在以下 几个方面。 黄履【1 3 】根据多年的工作经验在船坞闸门设计中着重介绍了浮箱式坞门的结构计 算和稳性计算，并通过实例说明它的具体计算方法。 南毅【14 】在万吨级注水式船坞浮箱式坞门设计浅析中主要对坞门工作过程、坞 门尺寸的确定、静力计算的三种工况确定、浮坞门的稳性校核等进行了计算和论述。 李型1 5 】在干船坞气控式坞门的参数化建模和优化中对气控式卧倒坞门作了较深 入的研究：气控式卧倒坞门数字化仿真模型的研究；气控式卧倒坞门参数化建模的研究； 气控式卧倒门系统动态特性优化分析的研究；气控式卧倒坞门专用仿真系统的研究。 李延磊【1 6 】在气控式干船坞卧倒门的动力特性分析与参数化设计中研究了气控式 干船坞卧倒门结构设计、动力学特征、参数化建模、专用仿真系统。 张久锋【1 7 】在干船坞气控式坞门的设计和动态仿真中对气控式卧倒坞门的结构设 计、工艺设计、动态特性仿真进行了研究。 南彦波【1 8 】在自动下沉浮箱闸门设计探讨中通过对橡胶坝、水力自动翻板闸门、 浮箱式闸门等方案进行的论证比较，结合工程特点，简述了自动下沉浮箱闸门的优点与 工作原理，探讨了设计中的几点新突破。 总结目前研究现状：在国内外对浮箱式坞门的研究专题论述很少，而且目前的设计 研究工作都是传统的人工分析计算，人工分析计算不仅费时、复杂、繁琐而且有时很易 于出错，不利于提高设计的整体质量和缩短坞门的设计周期。 因此针对传统人工分析计算的缺点，基于参数化设计的理论，采用v i s u a lb a s i c 编 写设计软件并与s o l i d w o r k s 接口进行二次开发，开发出适用的浮箱式坞门参数化设计系 统，以提高设计质量、加快设计进度，具有重要的实际工程意义。 1 2 2 选题的目的和意义 本课题主要针对浮箱式坞门的结构特点，在s o l i d w o r k s 平台上，采用v i s u a lb a s i c 编程语言建立参数化建模系统。 ( 1 ) 完成了浮箱式坞门参数化设计系统。系统设计中，强调了简洁、实用的特点， 提高了自动化的程度。尝试在s o l i d w o r k s 平台上建立浮箱式坞门结构模型，提高了 s o l i d w o r k s 软件在大型结构建模行业的适用程度。系统实现了以下功能： 浮箱式坞门参数化设计 能够根据设计参数快速设计出满足要求的相关方案，达到设计参数变化方案随 之发生变化的目标。 能够根据确定的一组方案，自动进行稳性计算，浮船坞三维模型建立，为浮船 坞的方案设计提供自动化三维可视化手段。 ( 2 ) 掌握了s o l i d w o r k s 与v b 间的接口s o l i d w o r k sa p i ，为开发面向对象的c a d 系 统、实现c a d c a m 的集成奠定了良好的基础。 ( 3 ) 利用该系统通过实例来研究影响坞门稳性的各因素以及其影响效果，所得结论 具有工程应用价值，这些结论可以为浮箱式坞门的优化设计提供借鉴作用。 1 2 3 论文主要研究内容 本文主要进行浮箱式坞门参数化设计系统的开发，即针对浮箱式坞门的特点，基于 参数化设计的理论，采用v i s u a lb a s i c 编写设计软件并与s o l i d w o r k s 接口进行二次开发， 开发出适用的浮箱式坞门参数化设计系统；并利用该系统研究影响坞门稳性的各因素以 及其影响效果，所得结论具有工程应用价值。这些结论可以为浮箱式坞门的优化设计提 供借鉴作用。 本课题主要要解决的技术问题有： ( 1 ) 开发浮箱式坞门的的参数化设计及三维建模系统，实现浮箱式坞门主体结构的 参数化设计及三维建模。该系统必须具备实用性强、操作简单等特点。 ( 2 ) 实现模型的全尺寸约束与知识驱动。只需修改参数，即可实现模型的改变以及 对参数的校核和修改。 研究本课题具有以下意义： ( 1 ) 本系统是基于s o l i d w o r k s 的设计及三维建模系统，既利用了s o l i d w o r k s 软件的 通用平台的优点，又不失浮箱式坞门结构建模的针对性，具有一定的开创性； ( 2 ) 浮箱式坞门是大型造船设施的关键设备之一，浮箱式坞门设计的好坏直接影响 整个干船坞的整体性能。通过人机交互的设计方式，能够根据设计参数快速设计出满足 要求的坞门结构，达到设计参数变化方案随之发生变化的目标。提高设计效率，减少设 计周期。 ( 3 ) 研究影响浮箱式坞门稳性的各因素以及其影响效果，所得结论可以为浮箱式坞 门的优化设计提供借鉴作用。 大连理工大学硕士学位论文 2 浮箱式坞门的设计方法 2 1坞门的作用 每一干船坞都必须配备一个坞门作启闭船坞之用。坞门的位置是在坞口临水一边， 当船舶已经进坞，就把坞门关好，随即将坞内的水抽干，船舶就可在坞内进行修理。当 船舶修好坞内充水后，先将门内的水舱水放出，使坞门浮起，然后拉开坞门靠于坞口岸 壁，此时闸门开启。随着船舶出坞之后，一般多是安排好有其它船舶进坞修理。当待修 的船舶经过进坞的操作程序把船舶拉进坞内后，接着就拉引坞门靠近坞口，将水逐渐注 入闸门内部的水舱，使闸门逐渐沉下而坐落于坞口底座之上。这时必须检验坞门在靠壁 处是否漏水，如有漏水就须进行捻缝止漏。 坞门关好之后，必须通过水泵抽出坞内的全部水量。当坞内的水抽干后，要用皮带 水冲洗沉淀在坞底的淤泥以便修理船舶。这时拉进的船舶已经坐落于坞底龙骨墩与边墩 之上。 按照船舶的大小来设置船侧的撑木与拉紧船上的钢索使船固定，再吊放从船旁至坞 岸的木质引桥，以便工作人员来往于船上，即可进行船舶的修理工作。 坞门是船坞设备最重要的组成部份之一，而且也是一种复杂的挡水建筑物，它切断 船坞进口，并承受静水压力以及其他可能来自邻接水域一侧的水平荷载的作用。 2 2 坞门的种类 坞门按其作用的不同分为：工作坞门，在船舶建造或修理的整个过程中将坞室与水 域隔开；中间坞门，将坞室分为独立的不同部分工段，目的在保证几艘船舶独立地 进出坞；修理坞门，在工作坞门修理期间用来将坞室、坞首与水域隔开。 坞门在造船厂中用高强钢或钢筋混凝土制造。 坞门结构应有必要的强度和刚度，应满足门体水密和关闭密合的要求，应保证使用 时工作的机动性和可靠性。坞门顶层甲板上应有通道，以保证物品和行人跨过船坞。坞 门的结构和密合性对支座接触长度上的水密性有重要影响。 传统的坞门分为下列几种：横拉门、卧倒门、人字门、浮坞门 1 9 , 2 0 】。 2 2 1 横拉门 横拉门是由彼此直交的水平桁架、铅垂桁架和面板组成的透空式空间结构。横拉门 最常见的形式是直角平行六面体。 浮箱式坞门参数化设计 按横拉门的构造特点，可分为承重骨架只一侧有面板的挡板式坞门和骨架由面板完 全封闭的箱式坞门。横拉门的特点是一例坞首门墩中必须设置 室，丌启坞门刚将坞门 存放在门室内。 幽21 横拉门 f i g21 h o r i z o n t a ls l i d i n gg a l e 如图21 中的横拉r ，为了保证坞门的移动，设置有专门的小车。在船坞中，横拉 门的一台小车布置在底缘，沿敷设在坞首底板上的低轨移动；另一台小车在顶缘，沿敷 设在门边沿的高轨移动。坞门利用上部小车的驱动装置或设置在门事端部的柔性缆索和 卷扬机系统移动。 在横拉门门体中，通常设有空气压线箱，通过在箱中灌水来保证不同的浮游状 态。空气压载箱的容积做成能保证坞门飘浮在水上移出船坞。在个别情况下，坞r 修理预定在门室中进行。为此，在门室入口处应做门槽，其中放置叠梁门的组成构件， 以便将门室抽干【t 9 , 2 0 。 横拉门刚度大，能适应夫跨度情况，但用钢量大，要求坞首设门盒，增加工程造价， 在干船坞中采用不多。 222 卧倒门 卧倒门是一种支承在两个铰支座上而绕水平轴旋转的钢制坞门。坞门在开启时系平 卧在坞口前水底上的门坑中，而在关闭时，当坞内抽干以后，则在静水压力作用下紧压 在坞首门墩和坞槛上。这种坞门在宽坞口的现代化干船坞中被广泛采用。它制造简单、 罨 大连理工大学硕士学位论文 启闭操作需要的时间不长，能够增加船坞的有效长度，因而相应地降低了建筑物的总造 价。 图2 2 为一个卧倒门的示意图，坞门铰支座做成开口式或闭口式，而且允许坞门在 水平方向移动，以保证坞门贴紧并避免荷载作用引起的铰支座反力。坞门的支承接触面 上安装有保证坞门水密性的带橡胶垫的木梁1 9 ，2 0 1 。 图2 2 卧倒式坞门 f i g 2 2f a l l i n gg a t e 浮箱式坞门参数化设计 223 人字门 图23 人字f j f i g23m i t e r g a t e 人字门水密性差，在干船坞中很少采用，多用在水利设施上，作为船闸。图23 中 就是一个人字r ，使用在三峡大坝上，作为通航所用的船闸。 224 浮箱式坞门 浮箱式坞门义简称浮坞门，在h 前的船坞中使用较广，也是本文的研究对象，在下 文中有详细的介绍及研究。 23 浮箱式坞门 浮坞门是个浮箱型闸门，当关闭船坞的进口时将它沉放到规定的位置，以闸门的 立柱紧靠在门框和坞槛上。为了打行船坞，从浮箱里抽水以后，坞门浮起而被拖到一旁。 第座浮坞门出现在十八世纪。它是一座木船型的坞门。此后。浮坞门的尺寸，结 构和所用材料都起了变化。但是，与从前一样，浮坞门的结构仍设计和制造成船舶的型 式，崮此，它的构件名称使用船舶术语。浮坞门的侧面边缘称为立柱，而底部称龙骨。 大连理工大学硕士学位论文 231 浮箱式坞门概况 原始的浮箱式浮门，所有的压载舱全部用水做压载。在中段和上段的左右均各设有 平衡水舱，这是因为浮箱的浮力甚大，必须在中段和上段安排四个平衡水舱的水重超过 浮 最大的浮力，见图25 所示，这种浮箱式坞门制作简单，操作方便，不占船坞的有 效长度。缺点为水舱多，开关时抽水量多，水泵与电动机比较大，浮沉速度慢。 圈25 原始的浮箱式坞门 f i g2 5 p n n r yf l o a t i n gc a i s s o n 浮箱式浮门的上段可以采用溢流舱( 潮汐舱) 如图26 所示，已达到溢流舱内的水 重与浮力相抵消。在设计时首先确定闸门的轻载吃水线。要求三个水舱尚未装满时就可 使闸门下沉。 麓 遮嗡嗡黔囊 浮箱式坞门参数化设计 图2 6 采用潮汐舱的浮箱式坞门 f i g 2 6f l o a t i n gc a i s s o nw i t ht i d ec a b i n 当坞门淹没到上甲板顶时，即利用溢流舱充满水时，其全重超过浮力5 - 1 0 t 。此时， 闸门就可安全地工作而不发生震动。 2 3 2 浮坞门的分舱原则 当闸门的外形尺寸决定后，设计的第二步是研究结构形式与分舱问题。分舱与船舶 相似，一般是用甲板与隔壁分成舱室。它的作用主要是使闸门便于起浮和下沉。常见的 分舱形式如下： ( 1 ) 无潮汐舱的浮坞门 图2 7 无潮汐舱的浮箱式坞门 f i g 2 7f l o a t i n gc a i s s o nw i t h o u tt i d ec a b i n 国内在1 9 3 0 年以前，浮坞门是没有潮汐舱的，如图2 7