（机械设计及理论专业论文）自立式铁塔建模系统的开发研究.pdf

摘要 摘要 电力事业是我国的一个重要支柱产业，它直接关系到国民经济的发展。高压 输电铁塔是电力部门主要的电力传输工具，随着我国现代化的进程，铁塔的需求 量也在逐渐增加。特别是长江三峡水电站建成后，我们需要大量质量好、适应性 强的铁塔。铁塔的样式中除了一些标准化的塔型，由于我国幅员辽阔、地形复杂， 工程技术人员还要设计大量的非标准铁塔样式。但传统的手工设计、放样、下料 方式工作量繁重、效率低，很难满足市场迅速发展的需要。 因此很有必要把计算机辅助设计引入铁塔制造行业，使计算机的准确、快速 的处理能力和设计者的创造力、判断力有机地结合起来。设计者将大量的数据处 理和绘图工作交给计算机，自己着重于创新和选优。这样即减轻了设计者的劳动 强度，又可大大提高设计效率和设计质量。 目前，国内外有一些相关的软件提供了几种铁塔设计的解决方案，但设计的 效率、对设计成果的可重用性还远没有达到理想的程度。 好的设计方法可以从本质上提高设计的效率和质量，因此本课题着眼于自立 式铁塔单线图的建模，提出铁塔设计的从“样式”到“组件”再到“装配”的设 计步骤( 即设计人员可以自己定义各种样式，然后引用样式来设计具体的组件， 最后把组件装配成铁塔的设计过程。) ，并在a u t o c a d 2 0 0 2 平台上用a r x 编程实 现了这一设计思想。 本课题的设计思想“样式组件装配”是一个从微观到宏观的设计过程，比 较符合事物本身的客观规律，因此提高了工程技术人员设计的效率和可重用性， 有利于设计人员保存自己的设计成果和形成较好的设计习惯。 为了把设计成果保存下来，本课题设计了样式、组件和装配的数据存储结构， 需要绘图的时候可以直接读取这些数据，计算出所有的相关节点及杆件信息。力 图用最精简的数据描绘出复杂的铁塔造型，并兼顾修改的方便性。 本课题在设计过程中主要运用了c + + 提供的面向对象的开发环境，用m f c ( 微软基础类库) 开发图形用户界面，用o p e n g l 和a r x 的图形库显示图形， 运用a c g e 几何类库进行有关的空间解析几何运算。 实践证明，本设计思想可以较大的提高设计效率，具有一定的理论价值和社 会价值。 关键词输电铁塔；c a d ；a r x 华南理t 大学丁学硕士学位论文 a bs t r a c t e l e c t r i cp o w e r p r o j e c ti so n e o ft h ei m p o r t a n ts u p p o r t e n t e r p r i s e si no u rc o u n t r y ， a n di th a st h ei m m e d i a t er e l a t i o n s h i pw i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m y h i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o ne l e c t r i c i t yt o w e ri s a ni m p o r t a n tt o o lt ot r a n s m i te l e c t r i c p o w e ra l o n gw i t ht h ec o u r s eo f o u rc o u n t r y sm o d e r n i z a t i o nt h er e q u i r e m e n to ft h e t o w e ri si n c r e a s i n g e s p e c i a l l y ，a f t e rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ec h a n g j i a n gr i v e rt h r e e g o r g e se l e c t r i ，c s t a t i o n ，w en e e dal o to fg o o dq u a n t i t ya n dv e r s a t i l et o w e r e x c e p t s o m es t a n d a r dt o w e rs t y l e ，t e c h n i c i a nm u s tt od e s i g nm a n yn o n s t a n d a r ds t y l e sa s c h i n ai sav e r yl a r g ec o u n t r y b u tt r a d i t i o n a lm e t h o d st od e s i g n ，l o f t i n ga n dd r a w i n g i sv e r yh a r dw o r k i n ga n dl o w e f f i c i e n c y c o m p u t e r a i d e d d e s i g n i sn e c e s s a r yi nt h ei n d u s t r yo ft o w e rm a n u f a c t u r e s ot h e c o m p u t e r sc o r r e c ta n df a s tp r o c e s s i n gc a p a b i l i t yc a nh e l pt h ed e s i g n e rt oc r e a t ea n d j u d g et h er i g h td e s i g n t h ec o m p u t e rh e l pt h ed e s i g n e r t op r o c e s st h ed a t aa n dt od r a f t ， s ot h ed e s i g n e rc a nh a v et i m et od om o r ei m p o r t a n tt h i n g s ，s u c ha sc r e a t i o na n d c h o o s i n gt h eb e t t e rd e s i g n w i t ht h ec a d s o f t w a r e ，t h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ft h e d e s i g nw i l lb e i n c r e a s e d a tp r e s e n t ，t h e r ea r es o m es o f t w a r ec a nt a c k l es o m eq u e s t i o ni nt o w e rd e s i g n i n s i d ea n do u t s i d eo u rn a t i o n b u tt h ee f f i c i e n c ya n dt h er e u s eo ft h ed e s i g ni sn o t a p p r o v i n g b e t t e rd e s i g nm e t h o dc a ne n h a n c et h ee f f i c i e n c ya n d q u a l i t yo f t h ep r o d u c t i o no f t o w e r t h i sa r t i c l e ss u b j e c ti si n d e p e n d e n c et o w e r t h ew r i t e rg a v ean e w a p p r o a c h f i r s t ，d e s i g nt h es t y l e s e c o n d ，d e s i g nt h eg r o u p f i n a l l y 。a s s e m b l es o m eg r o u p s t h e w r i t e rr e a l i z e dt h i s a p p r o a c hi na u t o c a d 2 0 0 2p l a t f o r mw i t ht h ed e v e l o p m e n tt o o k k i t s a r x t h i sa p p r o a c hi sad e s i g np r o c e s sf r o mm i c r o c o s mt om a c r o c o s m t h i si sa g e n e r a lr u l eo f t h en a t u r e s oi tc a nh e l pt h et e c h n i c i a n se f f i c i e n c y , a n dt h er e s u l ti s r e u s a b l e d e s i g n e rc a ns a v eh i sp r o d u c t i o na n d m a k ea g o o dd e s i g n h a b i t t h ew r i t e rd e s i g n e dt h ed a t as t r u c t u r eo ft h es t y l e ，g r o u pa n d a s s e m b l a g e s ot h e d e s i g n e rc a ns a v eh i sd e s i g na n dr e a dt h e s ed a t aw h e nh en e e d b yt h i sm e t h o d ，w e c a nd e s c r i b et h ec o m p l i c a t e dt o w e rw i t hs i m p l e s td a t a ，a n dm o d i f yi te a s i l y ， t h i ss y s t e mu s et h eo b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g i t sg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ei s b a s e do nm i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s 。i ts h o w st h eg r a p h i c sw i t ht h eo p e n g la n d a r x i tm a k e s g e o m e w yo p e r a t i o nw i t ht h e a c g e l i b r a r y p r a c t i c ec a l l p r o v e t h a tt h i s a p p r o a c h c a ne n h a n c et h e e f f i c i e n c y o ft h e p r o d u c t i o no ft r a n s m i s s i o ne l e c t r i c i t y t o w e ra n dh a sg r e a tt h e o r yv a l u ea n ds o c i e t y v a l u e k e y w o r d s t r a n s m i s s i o ne l e c t r i c i t yt o w e r ；c a d ；a r x 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：伽牛年年月髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密龇 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：受潴 导师签名：参聪 日期： 神车年舡月巧日 日期：加p 年，月f 日 第一章绪论 1 。1 输电铁塔简介 第一章绪论 随着世界各国工业迅猛发展，各行各业对电力的需求量也急剧增加，由此导 致了电厂装机容量也越来越大。为了减少电能在输电过程中的损失，就必须用高 压输送。在向远距离的用电单位进行输电的过程中，考虑到安全性，高压线必须 离地有几十米的距离，因此输电铁塔就成了必不可少的设备。 铁塔是支持导线及避雷线的空间钢结构，国内外多数用热轧等肢角钢( 对于 腹杆国外有用不等肢角钢的) 。对于选用螺栓连接的空间衍架结构，只有少数国家 采用冷弯型钢或钢管及钢筋混凝土结构。 根据受力特点，输电铁塔可以分为两大类型：自立塔和拉线塔。 自立式塔可分为导线呈三角形排列的鸟骨型、猫头型、干字型( 用于承力型) 及导线水平排列的酒杯型及门型。自立式双回路铁塔有鼓型和蝴蝶型。 k i 六 图卜1 上字型鸟骨型猫头型 华南理工大学工学硕士学位论文 黄忤两 图卜2 于字型酒杯型门型 图卜3 鼓型蝴蝶型 拉线塔由塔头、主柱和拉线组成，塔头和主柱一般由角钢组成空间衍架，有 较好的整体稳定性，能承受较大的轴向压力。拉线一般用高强度钢绞线做成，能 承受很大的拉力，因此拉线塔能充分利用材料的强度特性而减少材料用量，但拉 线占地面积较大，欧美及日本较少采用，加拿大使用较多，我国也采用了一些。 铁塔所用钢材品种。在我国常用热轧钢材q 2 3 5 及1 6 m n 钢，其屈服强度为 2 4 0 n m m 2 及3 5 0 n m m 2 ，国外有4 5 0 n m m 2 的钢。1 6 m n 钢多用于受力较大的铁 塔的弦材( 主材) ，q 2 3 5 钢多用于腹材( 斜材) ，但受力大的腹材也用1 6 m n 钢， 国外受力大的弦杆多用4 5 0 n m m 2 钢。因此铁塔耗钢量比我国少【1 1 。 出于我国幅员辽阔，输电线路通过的地区，其地形、地质和气象等都十分复 杂，对输电铁塔样式的需求也是多种多样。特别是我国正在建设中的三峡大坝， 更呼唤着多回路的以及1 0 0 0 k v 以上的特高压输电铁塔的产生，这么多的样式， 如果只是单单依靠手工设计，效率会十分的低，所以运用计算机辅助设计铁塔就 显得很有意义。 2 第一章绪论 1 2 传统的铁塔设计方法 目前铁塔种类除了一些标准化的铁塔样式，还需要大量的非标准铁塔。传统 的铁塔设计方法首先要根据不同的地形、地质等条件设计合适的塔身和塔头样式， 然后计算出各个节点的坐标进行应力分析，应力分析合格的样式就可以画成设计 图纸，最后由相应的技术人员进行放样、下料和装配等，如图1 4 所示。这其中 只有应力分析已经有很好的电算化方案，其它部分的电算化程度不高。所以整个 设计过程的工作量很繁重，效率低下。极大地影响了铁塔工程的进度，是铁塔制 造中亟待解决的问题。而铁塔的制造质量直接影响到我国电力事业的发展，在市 场经济高速发展的今天，这个问题的解决显得十分迫切。 图1 - 4 铁塔一般设计加工流程图 1 3 铁塔的现代设计方法的发展状况及存在的问题 随着计算机技术的发展，国内外已有几个铁塔设计软件，有的软件是基于 a u t o c a d 的开发平台，有的是独立的开发平台：有的系统关注于设计，有的设计 重点放在对设计图纸的放样。目前，国内市场上比较成熟完善的产品是北京信狐 天健科技有限公司的基于自主平台的三维实体绘图放样软件 t m a ( t o w e r m a n u f a c t u r i n ga s s i s t a n t 铁塔制造助手) 。 t m a 与以往基于铁塔绘图放样程序相比，在体系结构、稳定性、可维护性、 可扩充性、智能化及自动化计算方面都有一定的提高，在操作方式、交互方式、 用户界面上有明显改善，同时系统功能也更加完善。数控自动生产线与微机终端 连接既保证了加工质量，又适应了大批量生产的需求。 3 华南理工大学工学硕士学位论文 图1 4 是用t m a 生成的一个铁塔设计图 图卜5t m a 操作界面 t m a 提供了比较全面的铁塔设计解决方案，但是其对铁塔杆件的绘制效率很 低，并且可重用性差，由于t m a 的编辑命令不够充分，不利于设计人员提高设 计效率。 1 4 课题的意义及主要研究内容 1 4 1 本课题的意义 目前，由于铁塔的整个设计制造过程大多都是由手工完成，对生产的效率和 质量都有很大的影响，并且现有的一些软件在设计效率的提高上效果不是十分显 著。所以有必要对铁塔的设计提供一些更高效的方案，以便减轻设计人员的劳动 强度，提高铁塔生产的效率，保证铁塔产品的质量。 本文研究了铁塔从微观到宏观的设计方法，即从样式到组件再到装配的思想， 在此基础上研究开发了相关的软件系统。设计人员可以直接使用软件本身带有的 样式进行设计，也可以自定样式并保存起来，供以后设计的时候自动套用，和同 类软件相比是一个进步。对铁塔的设计思想有一定的启发作用。 本软件另一点比同类软件进步的地方在于设计界面比较友好，在设计的过程 中，工程技术人员可以实时预览自己设计的铁塔样式。在十分强调人机工程学的 今天，这对铁塔软件界面的探索是一个有益的尝试。 1 4 2 主要研究内容 由于a u t o c a d 已经成了事实上的工业标准，世界上d w g ( a u t o c a d 文件格 式) 格式的文件数不胜数，并且有上百万的工程技术人员能很熟练地操作这个软 件，所以本软件系统是以a r x 、m f c 和o p e n g l 为开发工具，且基于a u t o c a d 平台开发的自立式铁塔建模系统( 以下简称建模系统) 。主要完成以下一些内容的 4 第一章绪论 设计： 研究铁塔样式的规律，提供一种良好的可以扩充的样式设计方法。 探索基于a u t o c a d 平台的二次开发工具a r x 和专业的图形库o p e n g l 在铁塔建模中的使用。 研究面向对象技术在样式设计和绘图过程中的应用。 从样式到组件再到装配的设计思想。 研究设计参数的保存方式和存储格式。 研究图形数据库的信息存储方式。 设计一系列的类，抽象化一些设计中的重点和难点，方便以后的修改和 对软件的扩充。 设计友好的界面，便于工程技术人员对软件的学习和操作。 1 5 本章小节 本章首先介绍输电铁塔的定义、分类等知识背景，然后简要介绍了输电铁塔 的传统设计方法，探讨现代设计方法的发展现状和存在的问题，规划了本课题的 研究内容，阐述了研究的理论和现实意义。 5 华南理t 大学工学硕士学位论文 第二章建模系统中的关键问题和解决方案 2 1 自立式铁塔建模系统的基本概念 2 1 1 全塔坐标系 全塔用户坐标系是进行铁塔设计的基础，只有坐标系确定，设计才能开始， 在建模系统中使用的是右手螺旋直角坐标系，如图2 1 所示。x 轴位于铁塔前后 对称面上，并且指向右侧；y 轴位于塔身的左右对称面上，并且指向用户；而且 两者均与地面平行；z 轴同重力方向一致，并且同铁塔的中心轴线重合；用户坐 标系的原点一般置于铁塔的最高点，并位于铁塔的中心轴线上。这种坐标系统的 优点是：对于多接腿可以避免不必要的换算。 图2 - 1 全塔坐标系 2 1 2 对称关系 由于铁塔对称性比较强，一般的角钢铁塔为前后或左右对称，而方塔则四个 面均对称，所以在铁塔的设计中对称信息的处理十分重要。经过分析，铁塔设计 中出现的对称关系共有四种，分别为：关于x 轴对称、关于y 轴对称、对角对称 和四度对称。因没有关于z 轴的对称，故可以将其归纳到仅有x y 坐标的二维坐 标系下处理，图2 - 2 以个点为例说明对称关系。 6 第二章建模系统中的关键问题和解决方案 l ，蒲 辍 图2 - 2 对称关系示意图 在图2 - 2 中，点a 关于x 轴的对称点是点d ，点a 关于y 轴的对称点是点b ， 点a 的对角对称点是点c ，点a 的四度对称点有三个，分别是点b 、点c 和点d 。 点的对称关系可以扩充到线上，以图2 - 2 中的线a e 为例，线a e 的x 轴对 称线为线d f ，y 轴对称线为线e b ，对角对称线为f c ，四度对称线有三条：线 e b 、线f c 和线d f 。 2 1 3 节点的父子关系 铁塔是由许多杆件组成的。杆件的两个端点可以叫做节点，在设计中只要确 定了杆件节点的位置，就能完全定下一根杆件的空间位置，所以节点在铁塔的设 计中起着举足轻重的作用。在建模系统中节点的坐标并不全部是用户给出的，其 中大部分是由计算机根据一定的规则计算而来。节点坐标是由用户直接通过交互 界面输入的节点称为独立节点。在独立节点的基础上，通过某种算法计算出来的 节点在建模系统中被称为生成节点。 图2 - 3 节点父子关系示例图 7 华南理工大学工学硕士学位论文 在图2 3 中，如果假设a 、b 、c 、d 点是独立节点，那么就没有必要给出点 m 的实际坐标，只要指定点m 是线c d 和线a b 的交点，点m 的实际坐标可以 由计算机计算得到，所以点m 就是生成节点。 经过仔细分析，总结出生成节点共有六种： 一、 两角钢交叉交点 这种节点的坐标是由其所依附的两根角钢线空间求交计算所得。所以只要两 根依附角铜位置发生变化，此节点的位置就会自动计算更新。此类节点简称交叉 点，也即是两根角钢交点处的节点，如图2 3 中的m 点就是交叉点。这类节点的 生成方法简单并且在铁塔中大量存在。 图2 4 交叉点设计对话框 图2 - 4 表示的是两根角钢的交叉点，第一根角钢用线段a b 来表示，第二根角 钢用线段c d 来表示。 二、 角钢上的比例等分点 这种节点需要一根依附角钢，该节点在被等分的角钢上。此类节点简称为等 分点，主要是根据一定比例等分角钢生成。这类节点在一些等比例的塔材中广泛 存在。 图2 - 5 等分点设计对话框 图2 - 5 表示了线段a b 的四分点，对话框中表明的是线段a b 的四等分点中的 距a 点三等分的那个点。 8 第二章建模系统中的关键问题和解决方案 三、 沿角钢与某节点等高的节点 等高节点是指在依附角钢上与依附节点具有相同z 轴坐标值的点。因此，这 种节点需要一个依附节点和一根依附角钢。根据一个已知节点和一根已知角钢， 在这根角钢上生成一个与这个节点z 轴坐标相同的节点。 图2 - 6 等高点设计对话框 图2 - 6 表示沿着a b 角钢和c 点高度相同的点，即a b 角钢上和c 点的z 轴坐 标相同的点。 四、沿角钢自某节点的垂直偏移点 垂直偏移节点需要一个依附节点和一根依附角钢。垂直偏移节点是以依附节 点为基准，沿全塔z 坐标轴方向偏移某值，同时保证当前节点在依附角钢上，偏 移参数是全塔z 坐标轴方向的投影值。 图2 - 7 偏移点设计对话框 图2 7 表示沿着a b 角钢从c 点向下偏移若干距离( d ) 的点，即是求在直线a b 上点c 的z 轴坐标减去d 的一个点。 五、点线垂足点 这种节点需要一个依附节点和一根依附角钢。此类节点不能通过交互界面直 接生成，点线垂足节点的生成原理是：通过空问一节点向一角钢线作垂线，求得 的垂足即为此节点的位置。因此，此类节点的依附条件便被简化为：将空间节点 9 兰童堡三查兰王兰堡主兰垡笙茎 作为第一个依附节点，同时选择被投影到的直线处的角钢为第一根依附角钢。 图2 - 8 垂足点设计对话框 图2 - 8 表示在直线a b 上，经过c 点并与a b 线垂直的点。 六、线线平行点 需要一个依附节点和两根依附角钢。线线平行点的生成原理是：通过空间一 节点作一平面与一已知角钢线平行，此平面与另一角钢线的交点即为待求的线线 平行点。其中通过的空间节点即为第一个依附节点；与求交平面平行的角钢线所 代表的角钢即为第一根依附角钢；求交角钢线所代表的角钢即为第二根依附角钢。 图2 - 9 平行点设计对话框 图2 - 9 中表示的线线平行点是直线a b 上的一个点，这个点和点e 的连线平行 于直线c d 。 以上六种生成方式基本上包含了铁塔设计中所有的节点设计情况。2 3 1 小节 会通过样式的自定义方法来举例说明节点父子关系的应用。 2 1 4 型材分类 型材有四种：主材、斜材、辅材和横材。这四种样式是填充塔身段材料的基 1 0 第二章建模系统中的关键问题和解决方案 本样式。这四种样式所指的部分如图2 i o 所示，为了表达清晰。前后面的斜材和 辅材被隐藏。 i ， 1 ( i 捌 厶 图2 一l o 四种样式示意图 主材指的是塔身外框架的四根棱线，斜材指的是塔身框架的台型的四个斜面 上的支撑钢材，辅材指的是在斜材中起辅助支撑作用的钢材，横材是指横断面上 的支撑钢材。主材和斜材是一定要有的，辅材和横材则是可有可无的。 2 2 建模系统的开发思路 2 2 1 现有建模系统的开发思路 由文献【2 ，3 】及其它一些软件( t m a ) 说明书可知，现有的软件开发主要关注杆 件的对称信息，一般都是通过对称来简化数据的输入，到达事半功倍的效果。例 如，种杆件的对称情况是关于x 轴对称的，就可以先画出这根杆件，然后指定 由这根杆件派生出对称的另一根杆件，这样绘图的效率就会提高倍；如果一种 杆件的对称情况是四度对称的，画出这根杆件，可以指定由这根杆件派生出另三 条杆件，绘图的效率就提高了三倍。 还有一种情况，如图2 - 1 l 所示，线a e 的四度对称线是线e b 、线d f 和线 f c ；如果把这四条线以线a c 为对称轴进行镜像，可以得线a g 、线g d 、线b h 和线h c 。由于这八条线构成的样式很常见，所以可以把线a e 四度对称后再进行 侧面镜像，这样就可以由a e 一条线得到七条线，绘图速度提高了七倍， 华南理工大学工学硕十学位论文 d 1 厂f 1 。1 1 一1 。一一 ，、 一 三j 二l r 彩 彳l 占 l y 轴 图2 一1 1 四度对称加镜像侧面示意图 这种思路十分容易被设计人员接受，因为它简化了铁塔设计的机械步骤。所 以能够在一定程度上减轻设计人员的工作量。 2 2 2 本软件系统的开发思路 现有系统的设计方法是一种机械的简化方法，只是通过对称关系省略了传统 设计方法中的机械化的动作，是对铁塔设计的浅层的、表面的抽象。并且其效率 的提高受对称关系的限制，如果四度对称的杆件很多，效率就能提高一些，如果 对称很少的话，绘图效率就得不到提高，所以这种设计思路并不能从根本上提高 设计的效率。 图2 1 2 “样式一组件一装配”设计思想示意图 1 2 第二章建模系统中的关键问题和解决方案 本软件系统吸收了软件设计中的组件化思想，经过仔细分析研究，提出了铁 塔建模中的从样式到组件、再到装配的设计过程。如图2 1 2 所示。 这种设计思路是一种从小部件到大部件、从微观到宏观的设计，符合事物的 客观规律。由图2 1 2 可见，同样的样式可以用于不同的组件( 样式三、样式五) ， 同样的组件也可以运用于不同的装配中( 组件二) 。 经过归纳，在铁塔设计中，常用的样式不会超过五十种，所以软件中定义了 一些常用的样式，如果设计人员有特殊的需求，可以通过自定义样式的方法扩充 样式的数量。样式设计好了以后，就可以根据样式来设计组件，最后把几个相关 的组件放在一起就完成了装配。整个过程就像是搭积木，不需用户输入一个杆件 的空间位置，所有的空间坐标都是计算机计算得来的。这种方法最大地发挥了计 算机电算化的功能，把设计人员从繁重的数据输入中解放了出来。 在“样式一组件一装配”设计思想的基础上，充分考虑了铁塔的对称性，以 最大可能地提高效率。例如，铁塔一般都是前后对称且左右对称的，所以设计中 只需输入铁塔前面和右面的样式，后面和左面可以自动套用。如果铁塔是四度对 称的，还可以省略右面样式的设计，即只需设计一个面，另四个面可以自动套用。 这种设计思想应用在实际上，可以给设计的效率带来质的提升。 2 2 3 本软件系统开发思路的优点 通过上一小节的分析，可以看到本软件开发思路有以下一些优点： 1 设计思路清晰，方便修改。 2 设计的可重用性强，设计人员可以保存自己的设计成果( 样式、组件和 装配的数据) ，方便下次设计使用。 3 可以和其他设计人员共享自己的设计成果( 只需要把相关的设计数据拷 贝到其他机上) 。 4 可以简化一些多接腿的铁塔设计。 5 给设计的效率带来十倍以上的提升。 2 3 自定义样式的方法和数据流规划 为了让设计人员能够根据自己的需求扩充样式库，需要找出一种能够自定义 的设计方法。根据图形从点到线，再到面的构成，本建模系统设计了先定义节点， 然后把相应节点连接起来组成线段的方法。通过此方法可以最大限度的扩充样式 库，满足设计人员的特殊需求。 2 3 1 节点的定义 在自定义样式中，要用到2 1 3 小节地节点概念。自定义样式会根据样式的 1 3 华南理工大学丁学硕士学位论文 不同，假设出几个独立节点。用户要作的就是在独立节点的基础上根据节点生成 方式定义生成节点。 图2 1 3 样式节点定义 如图2 一1 3 所示，点l 、点2 、点3 和点4 是独立节点，点5 和点6 是生成节 点。点5 的生成方式是线1 3 和线2 4 的交点。点6 的生成方式是线1 2 的中点，也 可以说是二等分点。 2 3 2 节点数据的存储格式 为了把定义的生成节点的数据存储起来，就要研究节点数据的存储格式。由 于生成节点有六种类型，所以可以用s 1 到s 6 来表示。把独立节点用s o 来表示。 独立节点s o 不需要附加数据，但生成节点需要附加的数据。 用s 1 来表示交点生成方式，需要四个附加数据来表示两条相交线的端点。 如图2 4 所示。 用s 2 来表示等分点生成方式，需要四个附加数据，其中两个是依附线的两 个端点，另外两个表示对依附线的等分数和距起点的等分数。如图2 5 所示。 用s 3 来表示等高点的生成方式，需要一个依附线和一个参考点，共是三个 附加数据。如图2 - 6 所示。 用s 4 来表示偏移点的生成方式，需要一个依附线、一个参考点和一个偏移 距离，共是四个依附数据。如图2 7 所示。 用s 5 来表示垂足点的生成方式，需要三个附加数据，其中两个是依附线的 端点，另一个是垂线经过点。如图2 8 所示。 用s 6 来表示平行点的生成方式，需要五个附加数据，其中四个是两个依附 线的端点，另一个是经过点。如图2 - 9 所示。 经过上面分析，可以看出需要最多附加数据的是生成方式s 6 ，共需要五个数 据。为了便于设计，可以设计所有的生成方式都附加五个数据，数据的使用根据 1 4 第二章建模系统中的关键问题和解决方案 生成方式的不同而不同。因此用图2 1 4 的数据存储格式来保存节点数据。 图2 - 1 4 节点数据存储格式 为了能够编程计算，一个节点只能通过它前面的节点来描述，而不能通过它 后面的节点描述。例如在图2 1 4 中，点5 可以用点1 、点2 、点3 和点4 来描述， 但不能够通过其后的点6 、点7 来描述。这样可阻保证每一个点的空间坐标都可 以计算出来，不会出现两个生成点相互描述的情况。 2 3 3 线的定义及存储 如果已经定义了节点，线的定义就很简单了，只要把已定义好的节点连接起 来就可以唯一确定一个线的空间位置。 根据上面分析，图2 1 3 的点样式定义如图2 一1 5 所示。 图2 - 1 5 点样式定义 根据点的定义，线样式定义如图2 1 6 所示。 1 5 华南理工大学上学硕十学位论文 图z 1 6 线样式定义 2 3 4 由点和线的定义生成三维图形的算法 点样式和线样式的定义已经完全描述了一个空间的平面形状，只要在编程的 时候用适当的数据结构来描述相应的关系，就可以方便的计算出所有杆件的空间 数据信息。在建模系统中，使用了一个v e c t o r 容器来存储所有的节点，节点是用 a c g e 几何运算库中的a c g e 3 d p o i n t 类来描述的，按照节点的编号顺序把所有节 点推入v e c t o r 容器。这样当计算后面节点的时候，就可以随时取用前面的已经计 算过的节点。 图2 1 7 节点数据的组织 如图2 1 7 所示，点5 的计算需要点l 和点2 的数据( 例如点5 是点1 和点2 的中点) ，点1 8 的计算需要点3 和点5 的数据。因为是从前往后计算节点坐标的， 所以当计算点1 8 的坐标时，点5 的坐标已经计算出来。 按照这种方法计算完所有的节点数据后，就可以根据这个数组容器和线的定 义文件生成所有的线，图2 1 8 表示的是图2 1 5 和图2 1 6 数据文件在内存中的组 织方式。 1 6 第二章建模系统中的关键问题和解决方案 图2 1 8 线的数据生成方式 2 4 组件 2 4 1 组件的分类 样式只描述了一种连接方式，而不代表具体的空间图形。而组件是在样式的 基础上，结合一些基本的参数，由计算机根据相关的样式计算出的具体图形。根 据铁塔的结构，组件可以分为两类。一类是塔身组件，一类是塔头组件。塔身的 结构比较固定，而塔头就有很多了，有猫头型、上字型等等。建模系统只考虑了 三种组件：塔身、猫头型塔头和上字型塔头。 2 4 2 塔身组件的基本参数 塔身的外框架是一个四棱台，如图2 1 9 所示，确定四棱台需要五个数据，即 顶面矩形的宽、高和底面矩形的宽、高以及四棱台的高度。为了把这个四棱台在 空间唯一确定下来，还需要一个空间的定位数据。 为了简化设计，可以用上标高和下标高两个数据来决定四棱台的空间位置( 标 高即是全塔坐标系中z 轴的坐标) ，因为上标高减下标高就是四棱台的高度，所 以共需要5 + 2 1 = 6 个数据。把这六个数据分为两类：上口参数和下口参数。上 口参数三个：正面宽、侧面宽和上标高；下口参数三个：正面宽、侧面宽和下标 高。如图2 2 0 所示。 1 7 华南理1 二大学工学硕士学位论文 图2 1 9 塔身外框架示意图 图2 2 0 塔身基本参数输入框 2 4 3 塔身组件的样式设计 设计完塔身组件的基本参数，就可以在空间唯一的确定一个塔身框架。接下 来就是如何向塔身框架中填充样式了。 塔身组件的样式设计是通过标高来规划的，即通过给定标高把塔身的主框架 划分成一个个的小四棱台。如图2 - 2 l 所示。 标高l 括高2 舞劫 括离7 图2 2 1 塔身标高示意图 根据塔身的六个基本参数可以计算出塔身主框架八个顶点的坐标。如果附加 1 8 第二章建模系统中的关键问题和解决方案 上所有小塔段的标高，就可以由空间解析几何的知识计算出每个小塔段的八个顶 点的坐标。这些坐标就可以构成铁塔样式的独立节点，供样式的算法使用。 通过标高规划塔身的样式会有一个问题，即n 个标高对应的是n 一1 个小段， 需要设计n 1 组斜材、辅材样式和n 组横材样式。这在设计时很容易造成混乱。 铁塔建模系统中使用的解决方法是在每个标高上设计这个标高上的横材样式及这 个标高和其下一标高间的小段的斜材和辅材样式。 图2 2 2 塔身组件参数设计 图2 2 2 中的塔身样式参数设计对应的就是图2 2 3 中的预览图形。 图2 - 2 3 塔身样式预览 2 4 4 猫头型塔头组件 猫头型塔头造型十分复杂，其构造如图2 2 4 所示。 1 9 华南理t 大学工学硕士学位论文 图2 2 4 猫头型塔头 但考虑到猫头型的对称型和构造规则，可以用十二个参数来描述它。这十二 个参数分为x 轴方向上的五个参数，y 轴方向上的三个参数和z 轴方向上的四个 参数。很难给这些参数命名，就算给出合适的名字，设计人员也很难记全。在建 模系统中采用的方法是动态显示法，即如果鼠标在相应的参数输入文本框里单击， 预览框中会用红色线条动态显示当前框对应的距离。如图2 2 5 所示，如果当前的 输入焦点是在参数为h 3 的文本框里，预览视图显示了参数h 3 所表示的意义。 图2 - 2 5 猫头设计对话框 2 4 5 上字型塔头组件 上字型塔头的主框架有十八的节点。经分析，可以用九个参数描述，如图2 - 2 6 2 0 第二章建模系统中的关键问题和解决方案 所示。 图2 2 6 上字塔头设计对话框 根据所属塔身段，可以获得塔身主框架的参数。根据上段的上标高和下标高， 可以计算出上段和塔身相接的四个节点。根据下段的上标高和下标高及下段的对 称关系，可以计算出下段和塔身相接的八个节点。剩下的六个节点数据可以由枝 宽和侧宽计算得出。 2 5 装配 如果设计好了所有需要的组件，只需要指定对应的塔身和塔头组件就完成了 装配。在两个不同的装配中可以使用相同的组件，这就通过重用组件提高了设计 的效率。如图2 2 7 所示，在图中右边的预览对话框里就可以看到设计的大致效果， 还可以通过拖动预览控制的滑块旋转铁塔。 图2 2 7 装配对话框 2 1 华南理工大学上学硕士学位论文 2 6 参数化图库的研究 2 ，6 1 参数化图库的设计方法分析 给定一些必要的基本参数，让计算机根据一定的规则来计算图形所有的具体 数据是一种充分利用电算化功能的好的设计方法。根据设计需求的不同，参数化 图库有很多种实现方法 4 1 。其中最核心的i ；7 题就是绘图类的设计和使用。 绘图类封装了绘图时必备的数据和产生这些数据的方法。在绘图类中还可以 封装具体的绘图函数，图2 2 8 是其中可行的一种数据流程图。 图2 - 2 8 绘图类数据流程 这种数据流程的优点在于把绘图函数也封装在绘图类中。当需要绘图的时候， 在对话框中获得绘图类的指针，然后给绘图类发送几条简单的消息。接下来的数 据处理和图形绘制，绘图类会帮助解决。但这种数据流程有很大的局限性，例如 只能读取对话框中的数据，且存在指针的调用，维护起来困难等。 由于在铁塔建模系统中不但需要在对话框中绘图，还需要在a u t o c a d 的模 型空间中绘图。在对话框中绘图可以调用w i n d o w s 的g d i 函数p 】【6 1 ，也可以调 用o p e n g l 图形库【7 1 。所以需要一个比较灵活且结构清晰、容易维护的绘图类。 下面介绍一种比较合适的数据流程图。 第二章建模系统中的关键问题和解决方案 图2 2 9 绘图类数据流程图 图2 - 2 9 表示的是，对话框和a r x 命令都包含了绘图类，由绘图类直接调用 外部数据文件进行图形信息的计算，对称框负责在预览区中绘图，a r x 命令负责 在模型空间中绘图，可以在对话框中向a u t o c a d 主应用程序发送字符命令调用 a r x 命令。用这种数据流设计的程序很容易修改和维护，程序的结构也很清晰。 把复杂的算法隐藏在一个类里，当需要绘图的时候，产生这个绘图类的一个对象 实例，给这个实例发送几条消息，绘图所需要的数据文件就全部生成了a 2 6 2 塔身绘图类 垦 图2 3 0 塔身绘制类的结构 第二章建模系统中的关键问题和解决方案 由于塔身比较复杂，所以塔身绘制类的函数也比较多，具体的类结构如图2 3 0 所示。在给变量及函数命名时，约定“前面”用f 来表示，“后面”用b 来表示， “左面”用l 来表示，“右面”用r 来表示，“斜材”用x 来表示，“辅材”用f 来表示，“横材”用h 来表示。如果方向和材料同时出现，一般方向在前，材料 在后。例如v e e t o r f