利用CATIA三维软件建立面板坝趾板参数化模型的方法与流程

利用catia三维软件建立面板坝趾板参数化模型的方法
技术领域
1.本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及利用catia三维软件建立面板坝趾板参数化模型的方法。


背景技术：

2.目前面板堆石坝以其较好的适应性和经济性在水利水电工程中得到了广泛的应用。趾板作为面板坝最主要防渗结构之一，它是面板坝设计和施工的主要基准结构，设计质量的优劣和设计效率的高低直接关系着整个面板坝的质量、安全和经济性。
3.目前关于趾板的三维建模方法在水电工程领域尚无精确建模方法，一般都是分段建模，趾板在发生转折或断面发生变化处为断开状态，趾板沿整个周边缝不能封闭。第二，目前的趾板建模方法具有一次性，当趾板断面或趾板走向布置发生变化时，其三维模型需重新修改，重新创建，模型的重复利用率较低。第三，目前关于趾板的三维建模思路与方法尚停留在二维设计的阶段；通常在二维趾板布置确定后，根据趾板的二维设计来创建三维模型，不能直接进行趾板的三维设计。
4.公开号为cn107194074b的发明专利中公开了一种利用catia三维软件建立面板坝趾板参数化模型的方法，该方法按以下步骤建立面板坝趾板参数化模型
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创建控制趾板走向、嵌深和趾板断面尺寸的参数
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绘制趾板线
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建立关联和约束
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创建趾板典型断面草图支持面
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创建各段趾板草图，并关联趾板走向、嵌深和趾板断面尺寸参数关联
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创建各段规则趾板实体
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创建过渡异型趾板实体
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统计趾板工程量、尺寸信息
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工程出图。本发明在趾板布置或趾板断面尺寸发生修改时，仅通过调整步骤2中创建的相应参数值，趾板三维模型、趾板工程量以及趾板结构图即可随之更新，避免重新建模浪费大量时间。但是该方法是利用翻模的方式进行趾板体型的创建，需要在存在设计图纸的基础上去创建，需要创建大量的趾板体型轮廓草图，然后利用catia中“多截面体型”命令去生成趾板体型，此过程中在每段趾板衔接部分处理不妥当，与实际工程不符，并且趾板参数发生改变时，需要依次调整每个草图得参数。


技术实现要素：

5.针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种利用catia三维软件建立面板坝趾板参数化模型的方法，以解决上述所述的现有设计中存在的问题。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
7.利用catia三维软件建立面板坝趾板参数化模型的方法，其特征在于，包括以下步骤，
8.s1：创建面板坝三维模型骨架；面板坝三维模型骨架包括坝轴线左端点、坝轴线右端点、坝轴线、防浪墙上游端面、防浪墙底平面、面板上表面平面、面板下表面平面和趾板坐标系；
9.s2：创建趾板线设计草图及相关参考元素，绘制并发布趾板线及趾板点；
10.s3：对每一段趾板线进行外插延伸和包络体拉伸，得到趾板包络体实例，并对趾板包络体实例进行切分；
11.s4：基于步骤s1中的面板上表面和步骤s3中的趾板包络体实例，构建各段趾板线对应的趾板中间体型，以及相应的分割曲面；
12.s5：对步骤s4中得到的趾板中间体型，利用各分割曲面/平面进行切割，得到各段趾板最终体型；
13.s6：基于所有切割后体型，构建最终完整趾板三维模型；
14.s7：创建各项尺寸参数和工程量参数，通过调整创建的参数值，更新趾板三维模型。
15.进一步的，步骤s2的具体操作包括以下步骤，
16.s201：根据地质模型成果，创建趾板定线三维骨架元素，将各地质层面转化为nurbs曲面；所述趾板定线三维骨架元素包括地形面、吕荣面、覆盖层底面、强风化分界面、弱风化分界面、微风化分界面、防浪墙底平面和面板下表面；
17.s202：将转化为nurbs曲面的地形面、覆盖层底面、吕荣面、强风化分界面、弱风化分界面及微风化分界面与面板下表面相交形成各地质层线；
18.s203：创建多个高程平面，将防浪墙底平面及各控制点所在高程平面分别与面板下表面平面相交形成多条高程线；
19.s204：在面板下表面平面创建草图，根据各地质层线及高程线，在草图中指定初始位置，然后用多段线命令绘制趾板线；
20.s205：完成趾板线绘制后，将绘制的趾板线控制点从起始点到终止点按照x1～xn的方式命名，随后将趾板线控制点复制粘贴到“趾板定位元素”几何图形集中，并将绘制的趾板线从起始线段依次将各段直线命名为x1x2、x2x3、
…
、x
n-1
xn，然后同样复制粘贴于“趾板定位元素”几何图形集中，最后将“趾板定位元素”中的趾板控制点及趾板线创建发布；
21.s206：通过修改趾板控制点坐标，调整趾板线至合适位置。
22.进一步的，步骤s3的具体操作包括以下步骤，
23.s301：选择趾板线x1x2，将其两侧端点作为边界做外插延伸，得到外插延伸线；
24.s302：在外插延伸线的中点做法线平面，将该平面作为草图支持面，绘制趾板体型轮廓；
25.s303：退出草图支持面，以s301中得到的外插延伸线为轴，拉伸趾板体型轮廓，得到趾板包络体实例；
26.s304：重复步骤s302中绘制趾板体型轮廓的操作，分别输出趾板上表面平面，趾板中间面平面，趾板内立面平面，趾板外立面平面和趾板下表面平面；
27.s305：用趾板中间面平面和趾板上表面平面分别切分趾板包络体实例，得到趾板上部、中部和下部体型；
28.s306：将趾板内立面平面和趾板中间面平面作相交，获得相交线进行留用；
29.s307：依次取其他段趾板线，重复步骤s301～s306。
30.进一步的，步骤s4的具体操作包括以下步骤，
31.s401：用步骤s1中创建的面板上表面平面分割每一段趾板上部体型；
32.s402：将步骤s401分割后的结果与步骤s3中生成的趾板中部、下部包络体实例相
结合，生成趾板中间体型1；
33.s403：对各段趾板的中间体型1下表面及内立面做提取和接合操作，并对接合面与趾板线相平行的边界进行外插延伸，生成各段趾板中间体型1的下表面及内立面的外插延伸面。
34.进一步的，步骤s5的操作包括以下步骤，
35.s501：以步骤s306成的相交线为旋转轴，将面板上表面旋转90
°
，生成周边缝平面；
36.s502：利用周边缝平面对各段趾板的中间体型1进行切割，得到各段趾板的中间体型2；
37.s503：对每一段趾板的中间体型2，依次用紧邻的下一段趾板中间体型1的下表面及内立面的外插延伸面、周边缝面和趾板内立面平面进行切割，得到各段趾板最终体型。
38.进一步的，一种catia三维软件设计系统，其特征在于：包含有趾板设计模块，所述趾板设计模块上存储有用于调用的绘图指令，以执行上述所述的建立面板坝趾板参数化模型的方法。
39.本发明的有益效果是：
40.1、本发明中利用catia三维软件建立面板坝趾板参数化模型的方法通过对工程区三维地质体模型进行剖切，辅助设计人员快速进行趾板定线操作，随后程序通过特定算法自动优化调整趾板线各控制点位置，并自动输出趾板线控制点坐标。与传统趾板定线方法相比，趾板定线设计的效率及准确性有效提升。
41.2、本发明通过结合ekl与caa二次开发技术封装趾板体型模板，通过统计大量实际工程项目案例，提供一系列常规趾板设计参数，自定义的设计参数合理性也可根据内嵌规则进行判断。依据设计参数、趾板线及预设修剪规则，一键生成趾板体型模型，并同步输出相关特征参数及工程量信息。与传统趾板设计方法相比，趾板体型设计的直观性、准确性、效率有效提升。
附图说明
42.图1为本发明中面板坝三维模型骨架结构示意图；
43.图2为本发明中趾板线示意图；
44.图3为本发明中趾板定线三维骨架元素示意图；
45.图4为本发明中地质层相交线示意图；
46.图5为本发明中高程平面与面板下表面相加出多条高程线段示意图；
47.图6为本发明中趾板线段示意图；
48.图7为本发明中趾板定位元素创建发布示意图；
49.图8为本发明中对趾板包络体实例进行分割的示意图；
50.图9为本发明中趾板中间体型示意图；
51.图10为本发明中完整趾板三维模型示意图。
52.图中，1-坝轴线左端点，2-坝轴线右端点，3-坝轴线，4-防浪墙上游端面，5-防浪墙底平面，6-面板上表面平面，7-面板下表面平面，8-趾板坐标系，9-趾板线。
具体实施方式
53.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
54.实施例一：
55.利用catia三维软件建立面板坝趾板参数化模型的方法，包括以下步骤，
56.s1：创建面板坝三维模型骨架；面板坝三维模型骨架包括坝轴线左端点1、坝轴线右端点2、坝轴线3、防浪墙上游端面4、防浪墙底平面5、面板上表面平面6、面板下表面平面7和趾板坐标系8；
57.具体创建方法是：如附图1所示，在catia三维软件的零件part坐标系下按照设计要求分别输入坝轴线3的左右端点坐标x，y，z，连接坝轴线左端点1和坝轴线右端点2生成坝轴线3，使得坝轴线右端点2(不含坝顶高程值)与趾板坐标系8原点相合，坝轴线3与趾板坐标系8的x轴向相合。
58.以坝轴线3和趾板坐标系8的z轴为条件创建平面a，以坝轴线3和y轴为条件创建平面b，按照设计要求，分别将平面a和平面b偏移一定的距离得到防浪墙上游端面4和防浪墙底平面5，将此两平面相交得相交线a，过坝轴线3的中点做法面得到平面c，将平面c与相交线a求交得相交线b，过相交线b沿平面a方向做出直线c，最后以平面c作为草图支持面，以相交线b为起点，与直线c进行角度约束做出草图，在草图中输出3d平面，得到面板上表面平面6与面板下表面平面7。
59.s2：创建各个趾板点的坐标参数，依次连接各个趾板点，生成趾板线9，如附图2所示；
60.具体的，s201：根据地质模型成果，创建趾板定线三维骨架元素；所述趾板定线三维骨架元素如附图3所示，包括地形面、覆盖层底面、吕荣面、右岸强风化分界面、左岸强风化分界面、弱风化分界面、微风化分界面、防浪墙底平面和面板下表面；具体创建方法是，在catia三维软件的地形模块下，使用根据地形创建曲面命令将各地质层面(mesh面)转化为nurbs曲面，如附图3所示；
61.s202：将转化为nurbs曲面的地形面、覆盖层底面、吕荣面、右岸强风化分界面、左岸强风化分界面、弱风化分界面、微风化分界面通过catia三维软件中地形模块的相交命令与面板下表面相交成各地质层相交线，如附图4所示；根据设计出图要求，相交出来的各地质层相交线赋予各自的线型、呈现的颜色及在结构树上的命名都有确定的配置规范；
62.s203：创建多个高程平面，并与面板下表面相加出多条高程线段，如附图5所示；
63.s204：创建以面板下表面为草图支持面的草图，选择合适的地质层，在草图中指定初始位置，绘制趾板线段，在草图中可以对不合适的趾板拐点进行拖拽修改，使趾板点的位置满足要求，如附图6所示；
64.s205：将绘制的趾板线控制点从起始点到终止点按照x1～xn的方式命名，随后将趾板线控制点复制粘贴到“趾板定位元素”几何图形集中，并将绘制的趾板线从起始线段依次将各段直线命名为x1x2、x2x3、
…
、x
n-1
xn，然后同样复制粘贴于“趾板定位元素”几何图形集中，最后将“趾板定位元素”中的趾板控制点及趾板线创建发布；如附图7所示；
65.s206：通过修改趾板控制点坐标，调整趾板线至合适位置；当后续绘制的趾板线位置有偏差，可直接通过修改s205创建趾板定位元素，避免重新建模浪费大量时间。
66.进一步的，s3：对每一段趾板线进行外插延伸和包络体拉伸，得到趾板包络体实例，并对趾板包络体实例进行分割；
67.具体的，s301：选取一段趾板线，找其端点作为点i，将该段趾板线以点i为边界分别向两端做外插延伸(本发明中两端各延伸10000mm)，得到外插延伸线；
68.s302：在外插延伸线的中点做法线平面d，将该平面d作为草图支持面，绘制趾板体型轮廓；
69.s303：退出草图支持面，以s301中得到的外插延伸线为轴，拉伸趾板体型轮廓，得到趾板包络体实例；
70.s304：重复步骤s302中绘制趾板体型轮廓的操作，分别输出趾板上表面平面，趾板中间面平面，趾板内立面平面，趾板外立面平面和趾板下表面平面；
71.s305：用趾板中间面平面和趾板上表面平面分别分割趾板包络体实例，得到上部，中部和下部趾板体型；
72.s306：将趾板内立面平面和趾板中间面平面作相交，获得相交线进行留用，如附图8所示；
73.s307：依次取其他段趾板线，重复步骤s301～s306。
74.进一步的，s4：基于步骤s1中的面板上表面和步骤s3中的趾板包络体实例，构建各段趾板线对应的趾板中间体型1，以及相应的分割曲面；
75.具体的，s401：基于步骤s1中的面板上表面和步骤s3中的趾板包络体实例，构建各段趾板线对应的趾板中间体型，以及相应的分割曲面；
76.s402：将步骤s401分割后的结果与步骤s3中生成的趾板中部、下部包络体实例相结合，生成趾板中间体型1；
77.s403：对各段趾板的中间体型1下表面及内立面做提取和接合操作，并对接合面与趾板线相平行的边界进行外插延伸(本发明中延伸长度为10000mm)，生成各段趾板中间体型1的下表面及内立面的外插延伸面。
78.进一步的，s5：对步骤s4中得到的趾板中间体型，利用各分割曲面/平面进行切割，得到各段趾板最终体型；
79.具体的，s501：以步骤s306成的相交线为旋转轴，将面板上表面旋转90
°
，生成周边缝平面；
80.s502：利用周边缝平面对各段趾板的中间体型1进行切割，得到各段趾板的中间体型2；
81.s503：对每一段趾板的中间体型2，依次用紧邻的下一段趾板中间体型1的下表面及内立面的外插延伸面、周边缝面和趾板内立面平面进行切割，得到各段趾板最终体型，如附图9所示。
82.s6：基于所有切割后体型，构建最终完整趾板三维模型，如附图10所示；
83.s7：创建各项尺寸参数和工程量参数，当后续趾板布置或趾板尺寸发生修改时，仅通过调创建的相应参数值，趾板三维模型、趾板工程量即可随之更新，避免重新建模浪费大量时间。
84.实施例二：
85.实施例二提供一种catia三维软件设计系统，包含有趾板设计模块，所述趾板设计
模块上存储有用于调用的绘图指令，以执行实施例一中所述的建立面板坝趾板参数化模型的方法
86.具体的，在现有的catia三维软件的原生功能命令的基础上利用caa二次开发，添加了“趾板设计”命令模块，“趾板设计”命令模块中封装有实施例一中所述的建立面板坝趾板参数化模型的方法。此命令不需要在去利用catia中点线面、分割修建等命令，只需要点击“趾板设计”命令，选择输入面板上表面及趾板体型端面，然后输入趾板体型主要控制参数就可以内部运算得到最终的趾板体型，也就是将之前所有过程都封装在“趾板设计”命令中，利用程序去自动修建创建，节省了人工时间。
87.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.利用catia三维软件建立面板坝趾板参数化模型的方法，其特征在于，包括以下步骤，s1：创建面板坝三维模型骨架；面板坝三维模型骨架包括坝轴线左端点、坝轴线右端点、坝轴线、防浪墙上游端面、防浪墙底平面、面板上表面平面、面板下表面平面和趾板坐标系；s2：创建趾板线设计草图及相关参考元素，绘制并发布趾板线及趾板点；s3：对每一段趾板线进行外插延伸和包络体拉伸，得到趾板包络体实例，并对趾板包络体实例进行切分；s4：基于步骤s1中的面板上表面和步骤s3中的趾板包络体实例，构建各段趾板线对应的趾板中间体型，以及相应的分割曲面；s5：对步骤s4中得到的趾板中间体型，利用各分割曲面/平面进行切割，得到各段趾板最终体型；s6：基于所有切割后体型，构建最终完整趾板三维模型；s7：创建各项尺寸参数和工程量参数，通过调整创建的参数值，更新趾板三维模型。2.根据权利要求1所述的利用catia三维软件建立面板坝趾板参数化模型的方法，其特征在于，步骤s2的具体操作包括以下步骤，s201：根据地质模型成果，创建趾板定线三维骨架元素，将各地质层面转化为nurbs曲面；所述趾板定线三维骨架元素包括地形面、吕荣面、覆盖层底面、强风化分界面、弱风化分界面、微风化分界面、防浪墙底平面和面板下表面；s202：将转化为nurbs曲面的地形面、覆盖层底面、吕荣面、强风化分界面、弱风化分界面及微风化分界面与面板下表面相交形成各地质层线；s203：创建多个高程平面，将防浪墙底平面及各控制点所在高程平面分别与面板下表面平面相交形成多条高程线；s204：在面板下表面平面创建草图，根据各地质层线及高程线，在草图中指定初始位置，然后用多段线命令绘制趾板线；s205：完成趾板线绘制后，将绘制的趾板线控制点从起始点到终止点按照x1～x
n
的方式命名，随后将趾板线控制点复制粘贴到“趾板定位元素”几何图形集中，并将绘制的趾板线从起始线段依次将各段直线命名为x1x2、x2x3、
…
、x
n-1
x
n
，然后同样复制粘贴于“趾板定位元素”几何图形集中，最后将“趾板定位元素”中的趾板控制点及趾板线创建发布；s206：通过修改趾板控制点坐标，调整趾板线至合适位置。3.根据权利要求1所述的利用catia三维软件建立面板坝趾板参数化模型的方法，其特征在于，步骤s3的具体操作包括以下步骤，s301：选择趾板线x1x2，将其两侧端点作为边界做外插延伸，得到外插延伸线；s302：在外插延伸线的中点做法线平面，将该平面作为草图支持面，绘制趾板体型轮廓；s303：退出草图支持面，以s301中得到的外插延伸线为轴，拉伸趾板体型轮廓，得到趾板包络体实例；s304：重复步骤s302中绘制趾板体型轮廓的操作，分别输出趾板上表面平面，趾板中间面平面，趾板内立面平面，趾板外立面平面和趾板下表面平面；
s305：用趾板中间面平面和趾板上表面平面分别切分趾板包络体实例，得到趾板上部、中部和下部体型；s306：将趾板内立面平面和趾板中间面平面作相交，获得相交线进行留用；s307：依次取其他段趾板线，重复步骤s301～s306。4.根据权利要求1所述的利用catia三维软件建立面板坝趾板参数化模型的方法，其特征在于，步骤s4的具体操作包括以下步骤，s401：用步骤s1中创建的面板上表面平面分割每一段趾板上部体型；s402：将步骤s401分割后的结果与步骤s3中生成的趾板中部、下部包络体实例相结合，生成趾板中间体型1；s403：对各段趾板的中间体型1下表面及内立面做提取和接合操作，并对接合面与趾板线相平行的边界进行外插延伸，生成各段趾板中间体型1的下表面及内立面的外插延伸面。5.根据权利要求1所述的利用catia三维软件建立面板坝趾板参数化模型的方法，其特征在于，步骤s5的操作包括以下步骤，s501：以步骤s306成的相交线为旋转轴，将面板上表面旋转90
°
，生成周边缝平面；s502：利用周边缝平面对各段趾板的中间体型1进行切割，得到各段趾板的中间体型2；s503：对每一段趾板的中间体型2，依次用紧邻的下一段趾板中间体型1的下表面及内立面的外插延伸面、周边缝面和趾板内立面平面进行切割，得到各段趾板最终体型。6.一种catia三维软件设计系统，其特征在于：包含有趾板设计模块，所述趾板设计模块上存储有用于调用的绘图指令，以执行如权利要求1-5任一项所述的建立面板坝趾板参数化模型的方法。

技术总结
本发明公开了一种利用CATIA三维软件建立面板坝趾板参数化模型的方法，包括以下步骤，S1：创建面板坝三维模型骨架；S2：创建趾板线设计草图及相关参考元素，绘制并发布趾板线及趾板点；S3：对每一段趾板线进行外插延伸和包络体拉伸，得到趾板包络体实例，并对趾板包络体实例进行切分；S4：构建各段趾板线对应的趾板中间体型，以及相应的分割曲面；S5：对步骤S4中得到的趾板中间体型，利用各分割曲面/平面进行切割，得到各段趾板的最终体型；S6：基于各段趾板最终体型，构建最终完整趾板三维模型；S7：创建各项尺寸参数和工程量参数，通过调整创建的参数值，更新趾板三维模型。本发明中的方法能够提升趾板线、趾板体型设计的效率和准确性。性。性。


技术研发人员：李梦 李尔康 孟晓栋 黄磊 许墨陶 宋子奇 边志刚
受保护的技术使用者：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/12