（固体力学专业论文）贮仓空间结构面向对象的有限元分析与设计.pdf

摘要 本文在总结了国内外有限元软件对贮仓空间结构分析与设计的优缺 点之后，针对贮仓空间结构问题的特点，从基于面向对象的技术出发， 研制了贮仓空问结构有限元分析与设计软件。在比较采用面向过程方法 和面向对象方法编制有限元程序的特点之后，指出了面向对象的方法学 是实施计算机技术智能化和软件生产工程化的有效途径。 雄文通过实现基于面向对象技术的有限元的智能建模，指出了采用 传统有限元软件建模，需花费大量的时间和精力；而采用面向对象的智 能建模，用户在几个对话框中就可以输入所有信息，前后不到几分钟， 即可建立一个正确的模型。所以，采用面向对象的智能建模，可以提高 有限元程序的建模效率，在一定程度上解决制约有限元分析软件广泛应 用的“瓶颈”问题。，口 本文通过自动形成有限元分析数据，形成了一种有效的网格自动划 分的方法。对贮仓这种特殊的空间结构，这种方法生成的网格比较规整， 解的精度也较高。 本文实现了包括构件信息查询及打印和自动生成工程结构计算报告 的有限元程序的后处理，是在计算机辅助设计中的一次成功尝试。解决 了长期困扰软件开发人员的一个难题，大大提高了工程设计效率、准确 性和规范性。本文介绍的这两方面的后处理，可以广泛应用于其它软件 领域，有很好的实用价值。，彳 本文介绍了贮仓空间结构有限元数值计算程序设计及其采用的薄壳 单元、静力求解器等有关技术条件。 - ，yj 关键字：睛限元面向对象、智能建模、网格自动划分、程序设计、薄 壳单元 a b s t r a c t a f t e rag e n e r a ls u r v e yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fa n a l y s i so fs p a c e s t r u c t u r eo f s i l ob yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da th o m eo ro v e r s e a s ，w eh a v e d e v e l o p e dt h es o f t w a r et h a tr e a l i z eo b j e c t - - o r i e n t e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o fs p a c es t r u c t t t r eo fs i l o w h e nw ec o m p a r e do p p ( p r o c e s s - o r i e n t e d p r o g r a m m i n g ) m e t h o dw i t ho o p ( o b j e c t - - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) m e t h o d ， w eh a v ec o m et oac o n c l u s i o nt h a to o pi so n eo f t h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e s t or e a l i z ei n t e l l i g e n tp r o g r a m m i n g f r o mo u rc r e a t i n gm o d e l i n t e l l i g e n t l yb yo b j e c t o r i e n t e d f i n i t e e l e m e n t ，w ep o i n t e do u tt h a tt h em o d e lt h a ti sc r e a t e db yo o pi sm u c h b e t t e ra n dq u i c k e rt h a nb yo p rs oc r e a t i n gm o d e lb yo o pc a ni m p r o v et h e e f f i c i e n c yo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i nt h i sp a p e r , w ec r e a t e dt h ed a t ao ft h ea n a l y s i sb yt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，a n df o u n da ne f f e c t i v e l y a u t o m a t i cm e s h i n gm e t h o d b yt h i s m e t h o d ，w ec a l lc r e a t en o r m a t i v ea n da c c u r a t em e s h w er e s e a r c h e dt h e p o s t p r o c e s si n c l u d i n gt h es h o w i n g a n dp r i n t i n g i n f o r m a t i o no fa l lk i n d so fm e m b e r sa n dc r e a t i n gt h ec a l c u l a t i n gr e p o r to f e n g i n e e r i n g t h e s em e t h o d sh a v ec e r t a i nv a l u et h a tt h e ys o l v eah a r d p r o b l e ma n di m p r o v ee f f i c i e n c y , v e r a c i t ya n ds t a n d a r do ft h ed e s i g no f e n g i n e e r i n g w ei n t r o d u c e dt h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a m ，t h e o r yo ft h i ns h e l le l e m e n t ， s o l u t i o no fe q u a t i o na n ds oo n k e yw o r d s ：t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，o b j e c t - o r i e n t e d ，c r e a t i n gm o d e i n t e l l i g e n t l y ，a u t o m a t i cm e s h i n g ，p r o g r a m m i n g ，t h i np l a t ee l e m e n t 北方交通大学硕士论文 第一章综述 1 1 概述 第一章综述 随着我国经济的高速发展，固体力学的研究和应用发展迅速。贮仓 空间结构的发展就是其中一例，设计思想在不断更新，结构体系日趋 多样化，平丽布置与竖向体型越来越复杂，空间跨度也越来越大，这 就给分析和设计提出更高的要求。如何高效、准确地对贮仓空间结构 体系进行内力分析与设计，已成为我国固体力学领域亟待解决的重要 课题之一。 在当今信息化的时代，解决这类问题又很大程度上取决于工程结构 c a d 的发展。而工程结构c a d 的好坏又由其质量和标准化程度决 定，所以，提高工程结构c a d 及有限元软件的质量和标准化问题，对 于工程设计，乃至对于工程建设的发展具有重要的社会效益和经济效 益。 工程结构c a d 的质量和标准化，应采用i s 0 9 0 0 0 3 在软件开发、 供应和维护的使用指南。根据这一指南，符合有限元的基本原理的 c a d 的统一要求是： 优秀的人机界面，完整的c a d 式操作环境和前后处理功能； 良好的数据结构与图形输入输出交互功能； 强大的分析功能，丰富的单元库和快速、准确的求解器； 高质量的结果图示图形以及通过各种流行的点阵、喷墨和激光打印 机、绘图机输出。 贮仓空间结构是一个跨度大、以壳体为主、洞口纵横布置的复杂的 空问结构。研制贮仓空间结构有限元分析与设计涉及到有限元的基本 原理、数值计算的程序设计、前处理和后处理等多方面知识，具有一 定学术价值、社会效益和经济效益。目前，国内专门针对贮仓空间结 北方交通大学硕士论文 第一章综述 构有限元分析与设计的软件与上述c a d 的统一要求相差较远，国外的 几家通用有限元软件可以解决贮仓空间结构分析计算，但前后处理过 程比较复杂，又因规范的差异不能实现结构的自动设计。正是在这样 的背景下，我们提出开发贮仓空间结构有限元分析与设计。 1 2 国内外研究现状 近几十年来，国内外开发了许多有限元分析软件，如国外的 a n s y s 、a l g o r 、s a p 2 0 0 0 、c o s m o s m 、s t r a n d 、d y n a 3 d 、 c a s t e m 2 0 0 0 和a d i n a ，国内的s a p 8 4 、s a t w e 、t a t 、p m s a p 、 j i g f e x 、n t a m s 和n d c a d r c 等。上述有一些软件在工程中已经得 到了广泛应用，它们具有较丰富的单元库、材料库和先进的求解器， 有些还具有比较完全的c a d 操作环境和较为方便的前后处理。但它们 基本上都是按传统的编程方法实现的，其前后处理功能的方便程度和 有限元程序数值计算的效率有待进一步改进。有限元分析软件的前后 处理是用户使用最频繁，花费时间最多的软件部分，尤其结构建模部 分更是关键，其应用效率已成为制约有限元分析软件广泛应用的“瓶 颈”，这已成为当前国内外大型有限元系统急需解决的重要问题。 面向对象编程技术和人工智能理论的发展，为解决有限元分析软件 效率问题提供了有效方法和理论基础。本文即以基于面向对象技术的 程序设计方法，对贮仓空间结构进行了有限元的分析与设计。 1 3 本文的主要工作和内容 本文主要介绍笔者对贮仓结构空间结构有限元分析与设计软件的研 究工作，具体包括：建立了贮仓空间结构模型基本假定和数据结构； 探索了建立贮仓空间结构模型所使用的基于面向对象技术的智能建模 方法和步骤；提出了贮仓空间结构模型的网格生成方法及转化外部荷 载为p m s a p 壳元荷载的方法；使用面向对象的程序设计语言v i s u a l c ”研制了贮仓结构空间有限元分析与设计软件的有限元数值计算的程 北方交通大学硕士论文第一章综述 序设计，丌发了有限元软件的前处理和部分后处理( 所见所得的构件 信息查询与打印和自动生成工程结构计算报告) ，最后介绍了贮仓空间b 结构有限元数值计算系统设计中采用的薄壳单元、静力求解器等有关 技术条件。但由于篇幅所限，有限元数值计算部分仅完成了系统设 计，编程工作尚未开展。 贮仓空间有限元分析与设计软件的主窗口具有标准w i n d o w s 风 格，既有下拉式菜单，又有图文并茂、方便快捷的工具条，采用 p k p m 的c f g 作为图形平台，方便前后处理图形的显示、编辑、修改 及打印。程序运行后首先出现文件管理对话框( 如图1 - 1 ) ，要求用户输 入当前贮仓工程的文件名称，用户可以在组合框中选择旧的文件名， 也可以输入新的文件名，确定后即可见到文件主窗口( 如图1 2 ) 。主菜 单包括：贮仓定义、贮仓布置、数据生成、内力分析、配筋设计、局 部放大、消隐和退出程序等八个部分。 图1 - 1 文件管理对话框 本文第一章，内容如上所述。 本文第二章，实现了主菜单的贮仓定义、贮仓布置、局部放大、消 隐和退出程序等功能，建立贮仓空间结构模型基本假定和数据结构， 提出并实现了面向对象的智能建模的方法。 本文第三章，实现了主菜单数据生成的功能，具体包括网格自动划 分、贮料压力计算、实际工程荷载的转化和生成有限元软件p m s a p 的 数据文件等。 北方交通大学硕士论文第一章综述 本文第四章，使用面向对象的程序设计语言v i s u a lc ”，研制了贮 仓空间结构有限元分析与设计的有限元数值计算的系统设计。 本文第五章，丌发了贮仓空间结构有限元分析与设计的后期处理， 在二p m s a p 后期处理的基础上，研制了构件信息查询与打印和自动生成 _ 程结构计算报告。 本文第六章，应用贮仓空间结构面向对象的有限元分析与设计软件 ( 第一版) 完成了一道例题的数值计算。因为目前版本的数值计算没 有考虑梁、柱和支撑的共同作用，而实际工程它们常常参与贮仓空阳j 结构的作用，所以在未考虑它们共同作用之前没有必要进行例题考 证。 本文附录，介绍了贮仓空间结构有限元数值计算系统设计中采用的 薄壳单元、静力求解器等有关技术条件。但由于篇幅所限，有限元数 值计算部分仅完成了系统设计，编程工作尚未开展，具体实现内力分 析和配筋设计这两项功能是由p m s a p 完成。 图1 2 主窗口 4 北力交通人学硕l 一论义 第二章面向对象技术的智能建模 2 1 前言 第二章面向对象的智能建模 本章提出了贮仓空间结构模型的基本假设和数据结构，详细地讨论 了基于面向对象技术的有限元的智能建模，具体包括信息输入和空阳j 钸置两部分。因为这两部分均采用了v i s u a lc ”和f o r t r a n 混合编程， 所以本章首先介绍混合编程问题，并形成贮仓空间结构有限元分析与 设计软件的框架。 2 2f o r t r a n 和v c ”的混合编程 2 2 1 前言 前面已经提到，贮仓空间结构有限元分析与设计软件采用p k p m 的图形平台c f g ，而c f g 是用f o r t r a n 编制而成，软件的其他大部分 程序使用当今流行的可视化编程语言v i s u a lc “编制，这就涉及到了 v i s u a lc ”和f o r t r a n 的混合编程问题，下面就此问题从程序框架的形成 和f o r t r a n 程序调用v i s u a lc “类两方面加以说明。 2 2 2 程序框架 建立一个以v i s u a lc ”程序为主的主工程b i n 和包括现有f o r t r a n 程 序的子工程b i n f o r 的程序框架。因为操作步骤比较特殊，所以下面将 详细介绍。 1运行m s d n 菜单顺序为：f i l e n e w p r o j e c t m f ca p p w i z a r d ( e x e ) 一给出工程名称b i n 一选c r e a t en e ww o r k s p a c e o k 一选 北方交通大学硕f 论文第二章面向对象技术的智能建模 d o a l o gb a s e d n e x t 一选a sas t a t i c a l l y l i n k e dl i b r a r y n e x t f i n i s h 。此时，在工程目录下生成主工程的c p p 和+ h 等文件。 2在主工程目录b i n 下建立一个名称为b i n f o r 的子目录，将原来的 + f o r 及相应的头文件拷入此目录，删除原来的m a i n f 9 0 。 3 建立静态库型的子工程b i n f o r 。运行m s d n 菜单顺序为：f i l e n e w p r o j e c t 一选w i n 3 2s t a t i cl i b r a r y ，给出名称b i n f o r ，l o c a t i o n 指定到b i n f o r 目录下，选a d dt oc u r r e n tw o r k s p a c e o k f i n i s h o k 结束。 4 确定主从关系。运行m s d n 菜单顺序为：p r o j e c t d e p e n d e n t 在 s e l e c tp r o j e c tt om o d i f y 下选择主工程b i n 。在d e p e n d e n to nt h e f o l l o w i n gp r o j e c t 下选子工程b i n f o r c l o s e 结束。 5 在子工程b i n f o r 中插入子目录b i n f o r 下的文件。运行m s d n 菜单 顺序为：p 1 - o j e c t a d dt ov r o j e c t f i l e s 一选b i n f o r 子目录，插入所 有文件到子工程b i n f o r 中，结束。 6 将p k p m m a i n f 9 0 拷入主目录，并插入到主工程中。 7 修改应用程序类c b i n a p p 的实现文件。 首先，在b i n c p p 类的前面加入下面一行代码 e x t e r n ”c ”i n ts t d c a l lp k p m w i n m a i n ( i n th l n s t a n c e ) ； 其次，删除c b i n a p p 的成员函数i n i t i n s t a n c e 0 的原有内容； 最后在i n i t i n s t a n c e ( ) 中加入下面四行代码 i n th i n s t a n c e = ( i n t ) a f x g e t l n s t a n c e h a n d l e ( ) ： h w n dh w n d = ( h w n d ) p k p m w i n m a i n ( h l n s t a n c e ) ： d e s t r o y w i n d o w ( h w n d ) ： r e t u mf a l s e ； 8 修改l i n k 中的库。对d e b u g 版本分别在o b j e c t 和i g n o r e 选项中增 加下列库： o b j e c t ：d f o r i n t 1 i bn a f x c w d 1 i bl i b c m t d 1 i bw i n 9 3 0 l i bw i n c l i b 1 i b w i n _ h g 1 i bw i n x a l a 1 i b i g n o r e ：d f o r 1 i b ，l i b c 1 i b ，l i b c d 1 i b ，l i b c m t 1 i b ，n a f x c w 1 i b 说明：上述库文件包括了本文将用到c f g 的各种函数和命令。 北方交通人学坝1 论文 第一章面向对象技术的智能娃模 9 建立贮仓空间结构有限元分析与设计软件的主菜单程序。建立文件 b i nm a i n 1 9 0 ，并插入到b i n f o r 工程中，其格式如下： s u b r o u t i n em y m a i n ( ) u s em s f w i n u s eb i n m e n u !调用工具条 u s em y d l g i n t e r f a c e m o d e i n c l u d e 。b i n h e a d 1 9 0 ! 定义变量 ! 初始化变量或读旧文件 ! 调用图形平台 定义各项菜单 ! 运行各项菜单 ! 写文件 s t o p e n d 至此程序框架就形成了。为了便于管理程序，在主目录下建立一个 名称为b i n v c 的子目录，将以后生成的v i s u a lc ”文件存放在陔目录 中。 2 2 3f o r t r a n 程序调用v c ”类 下面以m y m a l n ( ) 程序调用以v i s u a lc “编制的工程文件名称管 理对话框类c f i l e n a m e d l g ( 实例如图l 一1 ) 为例来说明f o r t r a n 程序怎 样调用v i s u a lc ”类，并可以在不同模块之间传递变量。步骤如下： 1 在f o r t r a n 程序中定义混合编程模块的接口。新建c t o f o r f 9 0 文 件，并插入到b i n f o r 工程中，其具体内容如下： m o d u l em y d l g i n t e r f a c em o d e r n t e r f a c e s u b r o u t i n es u bf i l e n a m ed l g ( i d e l ，n e w f i l e ) ! m s $ a t t r i b u t e s c ，a l i a s ：一s u b f i l e n a m e d l g ： 趴j 1 3f i i ，i ，g _ e n a m ed 北乃交墟人学顺 论文 第章面向对象技术的智能建模 ! m s $ a t t r i b u t e sr e f e r e n c e ：i d e l ， n e w f i l e i n t e g e rn e w f i l e ，i d e l e n ds u b r o u t i n e e n di n t e r f a c e e n dm c i d u l e 2 在f o f l r a n 程序公用区中定义变量。新建b i nh e a d f 9 0 文件，内容 如下： c h a r a c t e rf l n a m e * 2 5 6 c o m m o n f i l e d l g c ，a l i a s ：一f i l e d l g 】f l n a m e 3 在v i s u a lc ”定义与f o r t r a n 对应的外部变量。新建文件 m y f o r t r a n v c d a t a h ，内容如下： s t r u c tf i l e d l g t y p e c h a rf l n a m e 2 5 6 】； ； e x t e m ”c ”f i l e d l g t y p ef i l e d l g ； 注意：f o r t r a n 公用区和v i s u a lc ”外部变量的名称、顺序和大小要 一致，对于二维数组两者的维数顺序正好相反。比如：在f o r t r a n 公用 区的数组定义为r e a l * 4f s t r e s s ( 3 ，5 ) ，在v i s u a lc ”外部变量的数组 应定义为f l o a tf s t r e s s 5 3 。 4 在v i s u a lc 4 + ，定义混合编程模块的接口，代码如下： # i n c l u d e ”m y f o r t r a n v c d a t a h “ e x t e m ”c v o i d s t m _ f i l e n a m e _ d l g ( i n t + i d e l i n t + n e w f i l e ) c f i l e n a m e d l gf i l e n a m e d l g ； i n ti t = f i l e n a m e d l g d o m o d a l ( ) ： i f ( i t s 2 ) + i d e l = 0 ； r e t u r n ； 8 北方交通大学硕上论文 第一章面向对象技术的智能建模 1 s e i d e l = l i n e w f i l e 为新旧文件标志l 为旧文件，0 为新文件 c s t r i n gs t r t e m p n a m e 2 f i l e n a m e d l g m s t r f i l e n a m e ； i n ti s t r l e n g t h = s t r t e m p n a m eg e t l e n g t h ( ) ； i n ti d o t p o s = s t r t e m p n a m e f i n d ( ) ： i f ( i d o t p o s ! = 一1 ) s t r t e m p n a r n e = s t r t e m p n a m e l e f t ( i d o t p o s ) ； s t r t e m p n a m e + t t ( ”b i n ”) ； i n ti n u m = s t r t e m p n a m e g e t l e n g t h ( ) ： f o r ( i n t i = o ：i c r e a t e ( t h i s ，w s c h i l d i w s v i s i b l e ，o ) ； m _ p a r a m e t e r s h e e t m o d i f y s t y l e e x ( 0 ，w s e xc o n t r o l p a r e n t ) ； m p a r a m e t e r s h e e t 一 m o d i f y s t y l e ( 0 ，w st a b s t o p ) ： c r e c ts h e e t r e c t ； g e t d l g l t e m ( i d c p r o p e r t y s h e e t _ s t a ) 一 g e t w i n d o w r e c t ( & s h e e t r e c t ) ； s c r e e n t o c l i e n t ( & s h e e t r e c t ) ： i n ti t m p f r a m e = g e t s y s t e m m e t r i c s ( s m _ c x f i x e d f r a m e ) + 2 ： mp a r a m e t e r s h e e t 一 s e t w i n d o w p o s ( n u l l ， s h e e t r e c t 1 e f t i t m p f r a m e ，s h e e t r e c t t o p i t m p f r a m e ，s h e e t r e c t w i d t l l ( ) + 7 * 2 ， s h e e t r e c t h e i g h t ( ) + 7 + 2 ，s w pn o z o r d e rs w p _ n o s i z e s 、v p n o a c t i v a t e ) ； m y r e f r e s h s h e l l v a r s ( ) ： d e l e t em _ p a r a m e t e r s h e e t ； 其中，i d c _ p r o p e i h y s h e e t j t a 是指定几何、荷载信息属性对 话框在信息输入对话框中位置的静态框的i d ，c p a r a m e t e r s h e e t 的基类 是c p r o p e r t y s h e e t ，值得注意的是在该类构造函数中一定要加入下面 一行代码 m j ) s h d w f l a g si = p s h _ m o d e l e s s ； 表示p a r a m e t e r s h e e t 是无模式属性对话框；m y r e f r e s h s h e l l v a r s ( ) 是更新壳信息的成员函数；i t ip a r a m e t e r s h e e t 是由s h e l l p a g e 、 h o l e p a g e 、b e a m p a g e 、c o l u m n p a g e 、 m o d i f y l o a d p a g e 和 q u e r y l o a d p a g e 等六个属性页组成，它们分别是c s h e l l p a g e 、 北方交通人学硕| 论文 第一章面向对象技术的智能建模 c h o l e p a g e 、 c b e a m p a g e 、c c o l u m n p a g e 、c m o d i f y l o a d p a g e 和 c q u e r y l o a d p a g e 的对象，其基类亦都是c p r o p e r t y p a g e ，在每一属性页 中分别包括壳、洞口、梁、柱和荷载的一个实例。 这样，在一个对话框内就可以建立一个标准的贮仓空间结构，其中 涉及到的内容虽然比较复杂，编程难度较大，但逻辑性较强，概念清 晰，更主要的是大大地方便了用户的建模，大大地提高了建模的速 度。 2 4 4 几何信息输入 贮仓空间结构有限元分析与设计软件的几何信息输入包含列表框和 属性表两个部分。在列表框中选择结构类型，属性表包括壳、洞口、 梁和柱等属性页，其中每个属性页由信息表和示意图两个区域组成。 选取不同的结构类型，自动对应不同的信息输入表和示意图，壳定义 属性页见图2 7 ，洞口定义属性页见图2 - 6 ，梁定义属性页见图2 _ 8 ，柱 定义属性页见图2 9 。 图2 7 壳定义属性页 北方交通大学领上论文 第二章面向对象技术的智能建模 图2 - 8 梁定义属性页 图2 - 9 柱定义属性页 2 4 5 荷载信息输入与查询 贮仓空间结构有限元分析与设计软件的荷载信息输入类型包括面荷 北方交通大学硕士论文第二章面向对象技术的智能建模 载、圆形线荷载、圆形集中荷载、矩形线荷载和矩形集中荷载等( 如 图2 1 0 ) 。根据参数定义，程序自动考虑风荷载、地震荷载和贮料荷 载。编辑荷载供用户增加、修改和删除荷载，荷载查询方便用户查询 已输入的荷载信息。 2 4 6 其它参数定义 图2 - 】0 荷载信息输入 如图2 - 6 ，选择参数定义即进入贮仓空间结构有限元分析与设计软 件的其它信息输入。包括总信息( 如图2 1 1 ) 、材料性能( 如图2 - 1 2 ) 、 贮料信息( 如图2 - 1 3 ) 、风荷信息( 如图2 - 1 4 ) 、地震信息( 如图2 一】5 ) 、配 筋信息( 如图2 - 1 6 ) 1 1 设计信息( 如图2 - 1 7 ) g 个属性页，根据规范或专家 知识赋给各种信息合理的初值，程序自动对模型最下部一圈节点进行 刚性约束。 2 3 北方交通大学硕士论文 第二章面向对象技术的智能建模 图2 - 1 1 总信息 图2 1 2 材料性能 北方交通大学硕士论文第二章面向对象技术的智能建模 图2 1 3 贮料信息 图2 1 4 风荷信息 北方交通大学硕l 论文第- 二章面向对象技术的智能建模 图2 - 1 5 地震信息 图2 1 6 配筋信息 北方交通人学硕上论文 第一章面向对象技术的智能建模 2 4 7 智能设计 图2 - 1 7 设计信息 智能设计一般指计算机程序使用专家知识、经验、设计规范、基本 概念和基本原理辅助设计者进行设计。程序开发者总结一些规则( 约 束) ，应用于程序之中。当设计者提出设计前提时，程序可以根据规则 推出设计约束、设计结果，也可以检查其设计是否合理。贮仓空i b j 结 构有限元分析与设计软件在保证精度、速度的前提下，尽可能多地使 用一些智能设计，现简介如下： 1 贮仓结构类型可连续性的智能设计 贮仓按平面形状的不同，可做成圆形、矩形或多边形等。程序允许 用户改变贮仓各个结构的类型，但可选类型是有一定的规则的，整个 仓体的平面形状取决于仓壁的结构类型。例如：仓壁选取圆柱壳，若 改变其它结构类型，程序供用户可选的结构类型只有那些能与圆柱壳 形成封闭连接的结构类型，即保持几何的可连续性，此时，改变仓 北方交通大学硕i ：论文 第一章面向对象技术的智能建模 顶、仓壁、仓底和支撑可选的结构类型分别见图2 1 8 、2 1 9 、2 2 0 和 2 2 1 。若仓壁的几何类型由圆柱改变为矩形，其它结构类型自动转化 成能与矩形形成封闭连接的类型。 图2 1 8 仓顶可选的结构类型 图2 1 9 仓壁可选的结构类型 图2 2 0 仓底可选的结构类型 北方交通人学 i ! j l - i t 文第一二章面向对象技术的智能建模 图2 2 1 支撑可选的结构类型 2 贮仓结构之间几何尺寸的智能设计 程序实现了贮仓结构类型几何可连续后，还实现了相邻构件的几何 尺寸的智能连续。例如：设计相邻结构上部为圆锥壳，下部为圆柱 壳，经过程序智能设计，圆锥壳的下直径与圆柱壳的直径保持一致。 3 显示其它信息的属性对话框的智能设计 贮仓空间结构的不同结构部分，对应不同的信息，或部分结构根本 就不具有某类信息，程序实现了智能设计，不同部分对应不同的信息 表，且将所有信息均匀布置在属性页上，程序根据需要智能地增加或 删除某个信息属性页，这样在实现基本功能的同时，又使界面保持整 洁干净。例如：根据实际工程，仓壁一般没有洞口( 对圆柱壳有直 径、壳厚和高度信息) ，所以选择仓壁时壳信息表中就不再显示与洞口 有关的信息。而选择支撑时，一般都具有洞口，壳信息表中就显示了 与洞口有关的信息( 对圆柱壳有直径、壳厚、高度、洞口数及描述洞 口的信息) ，并将这些信息自动均匀地分布在壳信息属性页上；又如， 根据贮仓空间结构这种特殊结构，只有选择仓顶时才有可能编辑荷 载，所以在选取仓顶结构时，程序显示对话框的编辑荷载页，选取其 它部分时，不再显示。 4 定义构件的智能设计 在输入洞口、梁和柱等构件时，常常需定义多个洞口、梁和柱， 若每次定义都从初始值开始，既枯燥无味，又浪费时间。程序根据用 户是否编辑过某个参数进行智能设计，例如，增加一根梁，程序自动 北方交通大学硕士论文第二二章面向对象技术的智能建模 将前一根梁的所有数据复制过来；改变梁的截面类型时，程序首先在 已定义粱中查询是否定义过该种截面类型，如果已经定义，就复制其 后的所有参数，同样处理截面类型后面的参数。例如，选取粱的截面 类型为i 字形截面，首先从前面定义的梁中查找是否已经定义了该种 截面类型，若已定义，拷贝这根梁截面类型后的所有参数为新定义梁 有关参数的默认值。同样，在所有j 字形截面类型梁中查找是否已经 定义过相同厚度的腹板，若已经定义，复制有关参数，就这样，直到 定义到最后一个参数为止。 5 智能纠错 程序能对设计进行智能纠错。对一定有错误的输入提示错误并返回 原来状态，即不接受错误的输入；对可能发生错误或会导致较大误差 的输入发出警告并提出建议。例如：用户定义洞口时，相邻洞口问距 太小，程序提示警告，建议用户增大洞口间距；若相邻洞口发生重叠 现象，或洞口高度大于包含洞口壳的高度，程序提示对应的警告，并 返回定义洞口的原状态。 当然，程序还涉及到其它方面的智能设计，由于篇幅所限不再一 列举。与此同时，还有许多该实现智能设计的地方本文还没有实现， 在以后我们将会不断完善。 2 5 基于面向对象技术的智能布置 2 5 1 前言 选择主菜单中的贮仓布置，即可进入贮仓空间结构布置子菜单，运 行结果如图2 。2 2 ，包括显示开关、贮仓布置、单仓删除、全部删除、 恢复删除、消隐、局部放大和回前菜单等功能，下面分别说明各个子 菜单的运行情况及实现方法。 北力交通人学坝仑文第二章面向对象技术的智能建模 2 5 2 空间布置 图2 2 2 贮仓空间结构布置 贮仓空间结构按仓体分类可分为单仓、排仓或群仓。选择贮仓布置 程序首先调用子程序s u bs e l e c t b i n t y p ed l g ( ) 进入如图2 2 3 所示的布置贮仓空间结构对话框，选择一定的仓体，并定义相关参 数，给出定位基点，然后调用子程序d r a w l a y o u t ( ) 完成贮仓空 间结构的空间布置任务。在布置贮仓空间结构之前，首先说明一下该 子程序的基本变量、基本函数和布置贮仓空间结构的计算公式。 1 基本函数 r o t p 3 d ( n ，x ，y ，x a ，y a ，z a ，r ，d s ，d e ，d r ，f i l l ) 绘制任意形状的截面绕旋转轴转动所形成的旋转体，其中各参数的 含义分别是： n 截面点数 x 、y 截面各点坐标 x a 、y a 、z a 轴心坐标( x ，y ，z ) d s 、d e 起始转角和终止转角 北方交通人学颁i 论文 第一二章面向对象技术的智能硅模 d r 旋转方同( 0 1 ) f i l l 填充( 0 1 ) 图2 2 3 贮仓布置 2 基本变量 x ( ) 、y ( ) 为截面各点的相对轴心的坐标数组 x a 、y a 、z a 为坐标轴原点 r i 、r 2 、r 为旋转体的下、上半径和弧半径 x s t a r t 、y _ s t a r t 、z _ s t a r t 为起始坐标点( x ，y ，z ) ra r c2 弧半径的平方 i r o w n u m 、i c o l n u m 群仓的行数和列数 3 布置贮仓空间结构的计算公式 除增加双曲壳外，其它布置贮仓空间结构的计算公式与3 - 2 2 节绘 制自动网格划分图确定r 的计算公式相同，下面只讨论布置双曲壳的 计算公式。 如图2 2 4 所示，令a = b k ( 2 - 1 ) ，则得到方程组( 2 2 ) 笪一鱼! 丝! ：， b 2 k 2 b 2 1 ( 2 2 ) 冀一粤：1 b 2 k 。b 2 3 2 北方交通夫学硕i 。论文 第二章面向对象技术的智能建模 解式( 2 - 2 ) 得 堕篓一z v o ： 。 2 h 将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) 得 b = ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中，k 由用户指定，将式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 代入式( 2 2 ) 即可 得到双曲线方程。 r 1 工l h ( ，y ) ，尸一 z - _ r 2 y 0 图2 2 4 双曲壳 下面首先以绘制圆形贮仓的球壳部分为例来说明绘制单个贮仓空阳j 结构布置图的主要步骤： 1 空间布置图控制点的定位，实现代码如下： y 0 = ( r 1 + + 2 。r 2 4 + 2 一h + + 2 ) ( 2 + h ) ra r c2 = r 1 + 0 2 + y 0 + + 2 d o w h i l e ( j l e 1 0 ) x 1 ( j ) = s q r t ( ra r c2 一( ( j - 2 ) + h 8 + y 0 ) + + 2 ) i f ( i e q i b o d y n u m + 3 1 ) t h e n x 1 ( j ) = x 1 ( j ) 一r 2 e l s e 北方交通人学硕j j 论文 第一章面向对象技术的智能建模 x l ( j ) = x 1 ( j ) 一r 1 e n d i f y 1 ( j ) = ( j - 2 ) + h 8 j = j + 1 e n d d o ! 仓底 i f ( i e q i b o d y n u m + 3 1 ) t h e n r = r 2 e l s e ! 仓顶 r = r 1 e n d i f 2 画圆柱壳几何信息。 c a l lr o t p 3 d ( 1 0 ，x l ，y 1 ，x a ，y a ，z a ，r ，0 0 ，3 6 0 0 0 ，0 ) 3 绘制圆柱壳荷载信息。 其次，以绘制圆形群仓为例来说明根据定位基点来布置群仓的方 法。绘制群仓布置图的参数如图2 2 3 所示，绘制具有2 行2 列群仓的 空间布置图的算法如下： 图2 2 5 群仓布置图 北方交通人学坝斗：论文 第二章面向对象技术的智能建模 如图2 2 5 所示，己知基点坐标( x a ，y a ) ，求坐标( x a ，y a ) ( x a ”，y a ”) 的算法如下： x a = x a m _ i r o w s p 4 ”8 i “口( 2 - 5 ) l y a = y a m i r o w s p a c e c o s a 1 x a ”= x a 一一i r o w s p a c e s i n a + m i e c c e n t r i c i t y c o s o i y a ”= y a 一川一i r o w s p a c e c o s a + m i e c c e n t r i c i t y s i n a 这里，r l li e c c e n t f i c i t y 等于零。 ( 2 - 6 ) 具有i r o w n u m 行i c o l n u m 列的群仓的空间布置的实现代码如卜： i r = 1 d ow h i l e ( i j l e i r o w n u m ) i c = 1 d o w h i l e ( i c l e i c o l n u m ) c a l ld r a w o n e b i n ( x a ，y a ，z s t a r t ) ic = ic + 】 x a = x a + m _ i c o l s p a c e 4c o s ( p i + ( f l o a t j ( r o w d i r e c t i o n ) ) 1 8 0 0 ) y a = y a + r r l i c o l s p a c e + s i n ( p i + ( f l o a t j ( r o w d i r e c t i o n ) ) 1 8 0 0 ) e n d d 0 l r 2 i r + 1 x a = x s t a r t i r o w s p a c e + s i n ( p i + ( f l o