（水工结构工程专业论文）基于TrueGrid软件的船闸闸首有限元网格自动生成程序开发与应用.pdf

摘要 我国船闸结构可视化设计软件较少，闸首自动网格剖分的软件更少，而船闸的设 计工作是一项创造性的劳动，工程设计入员若是想要得到一个较为合理、经济、在各 方面皆优的设计方案，需要频繁的调整各种参数。本文基于v i s u a lb a s i c 6 0 、t m e g r i d 等软件，结合目前应用较多的人字门和三角门船闸闸首工程，对其有限元网格自动生 成进行了一些有益尝试，具体工作如下： 1 在广泛阅读国内外文献的基础上，对船闸的工作原理、闸首的结构型式、船闸 计算机辅助设计的发展状况及阑首自动网格剖分等作了较为深入的学习与研究，提出 应用v i s u a lb a s i c 6 0 进行界面设计，以及应用m e g r i d 进行有限元网格自动剖分，建 立基予参数化的船闸闸首结构模型的设计思路。 2 采用船闸闸首参数化结构设计理念，对闸首的各个组成部分进行参数化定义， 以达到能够用若干个独立的参数表示出一个完整的船闸闸首实体模型，在此基础上开 发出入字门船闸下阑酋、三角门船闸上闻首有限元网格自动生成的用户界面，通过命 令流程序设计完成两种船闸闸酋有限元网格自动剖分。 3 。阻刘老涧三线船阉人字f 】下闻酋和盐灌船闸三焦f j 上闻首为例进行有限元网 格自动生成，通过改变闸首结构尺寸和网格剖分密度，验证了程序的可靠性与灵活性。 4 。通过趣编的接踊程序，将生成的有限元网格模型导入a n s y s 软件中进行结构 计算分析，彳罨到了一组有实际参考价值的研究成果，表明基于参数化的船闸闸首结构 模型的设计思路的可行性。 关键词：船闸闸首、有限元网格、自动剖分、m e g r i d 、参数化 第章绪论 第一章绪论 1 董船闸的概述 董。l 。l 船阐简分及工作原理 水路运输是交通运输业的一个重要部分，它对现代工农业生产、国防建设以 及改善人民生活和键进国际贸易与文化交流等都有着重要的作用。船闸馋为通航 建筑物的主要形式，对促进经济腾飞有重要意义，在国民经济中有重要的地位。 船闸是供船舶克服在天然或渠化河流和运河上建坝形成的集中水位差，用水力直 接提升船舶过坝的种通航建筑物。实际上，它是由上下闸首、闸门、闸室等挡 水建筑物和能使闸室水位上升的输水系统形成的水梯。船舶过闸时，由闸酋、闸 门、闸墙围成的闸室起挡水作用，由廊道和阀门构成的输水系统通过灌( 泄) 水 使得闸室水位上升( 下降) ，停在闸室内的船舶借水浮力随着闸室水位的升降而 由下游水面上秀到上游水面，或由上游水面降至下游水面，从丽完成过坝作业， 如图1 1 所示。故船闸又称为过坝建筑物。因船舶过坝是由水力完成，故其营运 费用较低；另终，船闸尺度可以按照避阑船舶的需要焉定，能够儆到船驮原队一 次过闸，故为国内外所广泛采用。 上游弓| 靛道 ， 厂弋一 l， 一，一lk 一盘游弓 航道 。1 一 闸室 图l 。l 船闸平面示意图 船闸的基本组成部分分为以下四部分：闸酋、闸室、输水系统和附属设施( 口 门区、连接段、导航建筑物、靠船建筑物、闸阀门、启闭机械、电器控制设备、 逶讯、助导航、运行管理等) 。 闸首是将闸室与上、下游引航道隔开的挡水及泄水建筑物。位于上游端的称 为上闻酋，位于下游端的称为下阐首。在闽首内没有工作闸f - 】、输水系统与f j 、 阀门的启闭机械等设备。工作闸门是用来封闭闸首口门，以保证闸首的挡水。输 水系统包括输水廊道和输水阀门，是供闸室灌水和泄水用的。启闭机械是用来雇 河海大学硕上学位论文 闭工作阀门和输水阀门的。 闸室是指船闸的上、下闸首和两侧的闸室墙环绕而形成的空间，是供过闸船 舶停泊用的。当船闸灌水或泄水时，闸室中的水面逐渐由下游水位上升到与上游 水位齐平，或逐渐由上游水位下降到与下游水位齐平，停泊于闸室内的过闸船舶 随闸室水面的升降而升降，沿闸室墙设有系船设备和其它辅助设备。 引航道是连接船闸闸首与主航道的一段航道，其作用是引导船舶迅速安全的 进出闸室。与上闸首相接的称为上游引航道；与下闸首相接的称为下游引航道。 在引航道内设有导航建筑物与靠船建筑物。导航建筑物的作用是引导船舶顺利地 进出闸室，一般均与闸首相连接。靠船建筑物是供过闸的船舶停靠用的，布置在 引航道的停泊段内。 船闸工作原理如图1 2 所示。假定船舶从下游驶向上游，闸室内水位为下游 水位，上游闸门及上游阀门是关闭的。首先，船舶从下游引航道内驶入闸室，关 闭下闸门及下游输水阀门；然后打开上游输水阀门，向闸室灌水；等闸室内水位 与上游水位齐平后，打丌上闸门，船舶驶出闸室进入上游引航道。这样，就完成 了一次船舶从下游到上游的过闸。当船舶从上游驶向下游时，其过闸程序与此相 反。 上闸门 下闸门 上游水位 一 可r 1 r 7 l 一一j1 i 一一_ j ，f i ii iii l 一 下游水位 、lt 7 1 、1 - j、i = 、。， 图1 2 船舶过闸示意图 根据我国船闸设计规范，依据设计最大船舶吨级，可将船闸分为7 级，见表 1 1 所示【5 5 】： 表1 1 船闸分级指标 i i i i iv 篇鬣3 0 0 0 舢，o o o 黜s o o ，o o s o 注：设计最大船舶吨级系指通过船闸的最大船舶载重吨( d w t ) ；当为船队 通过时，指组成船队的最大船舶载重吨( d w t ) 。 第一章绪论 1 1 2 网格自动剖分技术的研究进展 网格囱动剖分技术，最早由w i n s l o w ( i 9 6 7 年) 提出，发展成为流体力学和传 热学数值计算中的一个分支。其基本思想是利用微分方程的一些性质，通过坐标 变换，鲁动生成网格。该方法对规则送域昀划分院较理想，丽对具有复杂边界形 状的区域，网格分布就不尽人意。因此，长期以来，寻求一种具任意边界形状且 内部节点满足特定要求的网格自动划分方法是数值模拟工作者探索的方向1 7 引。 从上世纪7 0 年代开始，许多专家学者从事几何区域的网格剖分研究工作， 网格剖分从实用的手工形式、半自动逐步向全囱动发展。有人做过统计后指出“在 遴行有限元分析时，有5 0 或更多的时间和资金是花在输入数据的准备和检查 上。 因此，网格划分由于其繁琐和容易出错而成为有限元分析过程中的“瓶颈”。 隧着计算机技术的快速发展，在大容量、高速度的微机、工作站、小型机上解决 大型工程问题已成为可能，各种用于网格划分的算法和程序也越来越多，使得该 领域逐渐活跃起来1 7 8 】。近年来，网格剖分的研究工作转向全自动、自适应的网格 剖分。网格剖分方法是实现求解区域的三角化或四边形化，其方法可分为网格初 分、加密。网格初分占整个剖分工作量的1 2 ，为后续工作的基础。调节密度可 改善有限元计算的精度。嬲格密度控制分为事前与事层控制，前者为在实施网格 剖分时，根据预定的密度控制方法细分网格；后者是因为在全自动剖分过程中， 一次性的割分很难满足用户的需要，使用者根据皇己的判断或根据自适应误差控 制，调整局部区域的单元密度，这种调整可通过外部设备如鼠标或键盘等输入命 令f 7 7 】。 网格囱动剖分和生成方面已有大量的文章和研究成果，其中的某些方法颇具 有开创性，有的还形成了商业化软件。但是，这方面的研究工作仍然很活跃。一 方面是嚣为闻题和对象于差万别，对阏格剖分和生残的要求又各不一样；另一方 面，确实尚无一种算法或软件能够包罗万象，适合于各种情况，总是有一定的局 限性或这样那样的闷题p 训。 本文提供了一种基于v i s u a lb a s i c 6 o 与m e g r i d 软件自动得到船闸闸首六面 体网格模型的方法。 1 1 3 船闸计算机辅助设计的发展概况 随着社会的发展，有限元技术也已广泛应用于水利行业各类的工程设计和计 算中，计算过程中会产生大量的数字信息，三维大规模数值模拟可产生上百兆甚 至上千兆的数据，人们只有在对这些计算输出信息进行细致的分析理解之后，才 能洞察计算中发生的情况和问题，并获得对研究对象的认识和见解。但这是一个 河海大举硕士学位论文 十分费时和繁琐的过程。我们己无法用传统的方法来理解如此大量的数据中所包 含的复杂物理现象。应用可视化技术可实现三维复杂形体的网格自动剖分及有限 元分析结采、数据的图形显示，并根据分析结果，实现网格剖分的进一步优化， 使计算结果更加精确可靠。因此，可视化技术己成为工程问题的数值分析过程中 不可缺少的重要手段，具有理论与工程意义。 水利工程设计可视化技术发展缓慢，究其原因，主要是以下几点：( 1 ) 水利 行业软件使用面窄，从业人员相对较少；( 2 ) 水利工程建筑物的尺寸、形状等受 地质条件影响很大，很难进行可视化开发；( 3 ) 软件设计周期长，难以在短期内 产生高额的回报【5 引。 水利工程的特殊性决定了水利技术人员必须针对具有代表性豁结构或构件 进行软件开发，例如单独进行重力坝、水电站、船闸等设计系统的丌发，这样既 降低了设计难度，也缩短了设计周期。一些设计院开发了专f j 的水利工程c a d 软件，如9 0 年代中期天津勘测设计研究院开发的重力坝c a d 系统1 6 ”，华东勘 测设计研究院开发的重力坝c a d 系统【6 引，水利水电科学研究院与中南水电勘测 设计研究院共同开发的拱坝c a d 系统i 6 9 j ，以及天津勘测设计研究院的厂房 c a d 【7 0 】等，这些软件在水工结构设计中发挥了很大的作用，但它们在功能、应 用范围、入机接翻界面( g u ) 等方面仍然存在着一定的不足。随着国家兴建水 利决策的实施，进行水利c a d 系统的开发是水利工作者面临的又一次机遇和挑 战。 计算机在船闸设计上的应用开始于船闸结构计算，主要成果有河海大学于 2 0 世纪9 0 年代用f o r t r a n 语言编制的软基上船闸结构计算程序、用l l s p 语 言开发的船闸结构设计程序，重庆交通学院瘸c 语言编制的船闸双铰闸室结构 计算程序、船闸悬臂( 单铰) 闸室结构计算程序等1 。这些程序根据规范1 7 2 j 的要 求，结合工程的设计惯例编制，结采也比较准确，使船阆设计效率大大提高，僮 它们的缺点是结构设计与计算模块之恻的衔接性能较差，没有形成整体、通用的 设计软件。设计、研究人员仍需开展大量的研发工作。船闸三维建模方面的研究， 主要成果有闸首三维模型的设计【5 引，设计者基于a u t o c a d 的三维实体构型技 术，便捷地实现了闸首的三维构型，但是并没有扩展c a d 的功能，还不能将模 型直接应用于辅助设计。自动配筋设计方面，三峡永久船闸衬砌式闸墙配筋c a d 系统，它是一款绘图闸墙钢筋图的软件，它引入了计算机图形学、参数化建模等 技术手段，简诧了绘图的过程；设计人员还基于积木式模块纯思想进行了船阐阀 门井的配筋设计研究。另外，还有一些设计人员进行了船闸局部结构c a d 系统 开发，如船闸横拉f i 】c a d 系统刚、船闸人字门c a d 系统嘲、平_ 面钢闸门集成 c a d 系统、闸门肩闭机c a d 系统1 7 5 l 等，这些软件符合规范i 7 4 j 要求，基本实现 了计算分析、结构图以及零部件图绘制、图纸的自动生成、说明书自动生成等功 4 第一章绪论 能，并在实际工程中得到了验证，但它们仅仅针对了结构比较简单闸门的设计， 并不能从根本上解决船闸设计的问题。人们尝试从不同的角度进行船闸设计软件 的开发，但盘于计算机技术的限制，以及人力物力资源的缺乏等原因，船闸c a d 软件研究并没有取得很大的进展。随着计算机技术的发展，船闸c a d 软件的丌 发也有了很大的上舞空间，这也是我们进行船闸c a d 软件研究的原因。 水利工程设计可视化技术的研究在技术和经济上具有重大的意义，必将取得 更大的发展和更广泛的应用。具体表现在： ( 1 ) 可应用在预测、评价、讨论各种设计方案中，可直观探讨空间布置合 理性和存在的问题，从而帮助进行优化决策。 2 ) 极大地增强了工程设计的壹观性，可大幅度减少工程设计的试验费用。 利用可视化技术可直接观察工程设计涉及到的实际存在或计算机模拟的三维物 体的静止或活动画两，甚至物体工作过程中几何、物理甚至化学性能的变化。 ( 3 ) 不仅能获得各种计算结果，而且利用可视化技术可以了解到计算、设 计、试验过程中产生的各种现象和变化，通过改变控制参数，直接观察参数的作 用，从而实现对计算、设计、试验过程的引导和控制。搠如在设计时了解或控制 外部荷载对受力和变形的影响。 1 2 问题的提出与论文的研究目的与意义 有限元法是求解复杂工程问题所需的数值模拟方法。用有限元法进行数值模 拟时，首先要建立被离散化的有限元网格模型。但是，许多工程问题的构造和形 状非常复杂，为此分割有限元网格的难度也很大。此外，分割两格是否合理，直 接影响有限元计算的精度。现有的各种有限元商用软件提供了很好的自动网格分 割系统。但是，由予用六面体单元对复杂形状进行自动网格割分是j 常隧难的， 而目前为止还是用手来完成复杂的工作，所以六面体单元的自动网格划分和网格 自适应性还未充分应用在实际工程之中。对任意复杂形状的物体进行分割网格时 仍存在一些问题【趵l 。因此，编写一套船闸闸首有限元网格自动生成的程序是很有 必要的。 我因船闸结构可褫优设诗软 牛较少，阑蓠自动化阙格割分的软件更少，焉 船闸的设计工作是项创造性的劳动，工程设计人员若是想要得到一个较为合 理、经济、在各方面皆优的设计方案，需要频繁的调整各种参数。在我国船闸工 程结构设计中，大多仍停留在某一单项的辅助设计，手工运算与计算机绘图相结 合的水平上，要进行大量的数据文件的填写，以及繁琐的结构试算，若不满足结 构强度和稳定性要求，必须返工，计算机的作用通常只是完成绘图工作或某一单 项的计算。这样，设计人员就要进行繁重的计算与绘图工作，重复性、机械性劳 河海大学硕上学位论文 动过多，设计周期长，工作效率低，精确度不高。因此，开发一套功能强大且运 用方便的可视化的船闸结构设计软件，已成为水工设计人员重要而又紧迫的任 务。 论文的目标是基于v i s u a lb a s i c 6 0 、m e g r i d 等软件，并结合现有的船闸工 程实例，开发出船闸阐酋有限元网格皇动生成的程序。这既是船闸阐首结构网格 剖分的尝试，也是建模的扩展和再开发工作的延续，以提高设计速度、结构模型 的可视化和实用性。在开发的环境中，设计人员可以通过设计参数，自动建立船 闸闸首结构的有限元网格模型，并可以在飘e 铆d 软件环境下，对船闸阑首模 型进行多方位的操作，使得结构设计有物可看，直观而轻松。这将很大程度上为 设计入员节省时闻，提高设计效率与水平，减少出错概率。 在整个有限元分析中，有限元建模占了大约8 0 的工作量，而使用t m e g r i d 软件可以仅仅花费数天时瓣便完成了使用其它网格生成软件通常需要花费几个 月的工程项目。因此，编写套船闸闸首有限元网格囱动生成的程序是很有必要 的，进行水利枢纽通航建筑物的结构模型生成和网格划分的可视化设计研究具有 巨大的实用价值和社会意义。 闸首可视化设计系统本着“快捷、高效、准确 的设计原则进行编制，具有 良好的界面。使鬻时，用人视对话交互工作的方式进行，同时要安装讯e g 蠢d 软件，通过自编的接口程序，完成两种船闸闸首有限元网格的自动剖分。 1 3 本文的主要工作 本文引入参数化技术和可视化技术，结合实际工程，对船阑闸首有限元丽格 自动生成做了一些有益的尝试。论文基于v i s u a lb a s i c 6 。o 、t r u e g r i d 等软件，设 计入视友好的交互式界面，研发了套船阚阐首有限元网格自动生成的程痔，大 大提高了工程人员的设计水平，减少设计人员的工作量，提高设计效率，适应水 利行业发展的需要。 本文主要完成以下几方面的工作： 1 综述船闸的工作原理及闸首的结构型式，介绍了网格囱动剖分技术的研 究进展与船闸计算机辅助设计的发疆状况。提出了应用v i s u a lb a s i c 6 o 进行界面 设计与m e g f i d 进行有限元网格自动剖分的功能，建立基于参数化的船闸闸首 结构模型的设计思想。 2 采用船闸闸首参数化结构设计理念，对闸首的各个组成部分进行参数化 定义，以达到能够用若于个独立的参数表示出一个完整的船闻闻首实体模型，在 此基础上开发出人字门、三角门船闸下闸首有限元网格自动生成的用户界面，通 过命令流程序设计完成两稀船闸下阕首有限元网格鲁动剖分。 6 第一奄绪论 3 以刘老涧三线船阉入字门下闻首和赫灌船闸三角门上闸首为例进行有 限元网格自动生成，并通过闸首结构尺寸和网格剖分密度，验证了程序的可靠性 与灵活性。 4 通过自编的接口程序，将生成的有限元网格模型导入a n s y s 中进行内 力与变形的计算与分辑，得到了一组骞实际参考价值的研究成果。 5 展望了船闸闸首有限元网格囱动生成程序的应用前景，同时也指出了本 论文存在的不足之处以及在今后研究工作中还霈进一步改善的地方。 7 河海人学硕上学位论文 第二章船闸闸首参数化结构设计 2 1 船闸闸首设计现状 2 1 1 船闸闸首设计现状 船闸设计包括船闸的总体设计布置、船闸输水系统设计、船闸水工建筑物设 计、船闸闸、阀门设计、船闸启闭机设计等几大方面，涵盖了水利工程设计的各 个方面，是一项复杂系统的工作。其中，船闸水工建筑设计中的结构设计是重中 之重，需要进行大量的数据分析计算和研究，经过长期建设实践经验和科学研究， 设计理论己经日趋成熟完善。 船闸闸首是船闸工程的关键部位，一般设有输水廊道、闸门、阀门、闸阀门 启闭机械及其相应的设备等，设备较多，受力状态又十分复杂，闸首是克服水头 的主要结构，因此闸首结构的安全稳定将是整个船闸正常工作的保证，是设计的 难点。按其受力状态可分为整体式结构和分离式结构。在土基上为避免由于边墩 不均匀沉降而影响闸门正常工作，一般采用整体式闸首结构，岩基上的闸首则可 采用分离式结构，如葛洲坝工程l 、2 、3 号船闸；建于砂岩上，其上闸首均采用 分离式结构，为确保结构受力时候的整体工作，在中间底板与边墩接缝处设有键 槽并进行接缝灌浆处理。 随着有限元技术的不断发展，有限元程序的开发和运用受到重视。设计人员、 科研人员丌始自编程序进行分析，取得了很大的成果。 2 1 2 基于参数化的船闸闸首结构设计思路 参数化的概念早就被人们所熟悉，如参数方程和参数曲线等。通过一组参数 建立有关曲线之间的对应关系，给出不同的参数，即可得到不同的曲线，这就是 最基本的参数化原理。参数化设计就是根据这种基本原理，建立起以参数表示的 图形基本元素与多组图形元素之间的对应关系，设计人员给出不同的参数，即可 得到符合工程实际情况的多种图形组合，这就是参数化设计的基本思路。 参数化技术是一种基于约束的产品建模方法，它用约束来描述产品的形状特 征，通过改变约束主要是尺寸大小的约束，来获取不同的产品方案，它的应用大 大提高了现有c a d 系统的图形输入和几何造型的效率。 参数化设计是一种灵活多变的计算机辅助c a d 方法，通过友好的用户界面， 8 第二章船闸闸首参数化结构设计 改变结构的参数，完成新的设计。使厢参数化设计的结构图形易于修改，便于拼 装成新的工程结构图纸j 。 基于参数化的船阚闻首没计远没有机械c a d 设计、建筑c a d 设计那样有 规则可循。但可对常见的具有代表性的结构类型和局部构造进行标准化，使之具 有代表性的结构类型和局部造型进行标准化，使之具有结构类型的可描述性，并 且在不影响该结构类型的功能、要求、造价的情况下，尽可能地规则化，并建立 常用模型库和参数化的标准库来实现船闸闸首的参数化设计【2 儿引。 2 。2 船闸闸首结构的参数化设计 结合现有的船闸工程实例，对闸首的基本形状进行分析总结，提取出最基本 的实体对象。并对每个单独的实体对象进行参数化定义，以达到能够用着于个独 立的参数表示出船闸各个结构部位实体模型。根据所提取的参数，利用v i s u a l 器a s i c 6 。0 与爵嘴g 纛d 软件开发出船闸阑首的有限元网格鸯动割分程序，势将圈格 模型直观地显示在设计人员的面前。 2 2 1 系统开发技术与工具 2 2 。重。重参数纯概念与可视纯技术概述 众所周知，通过一组参数建立有关曲线之间的对应关系，给出不同的参数， 即可得到不同的蓝线，这就是最基本的参数化原理。参数化设计就是根振这种基 本原理，建立的一组参数与一组图形基本元素或多组图形之间的对应关系，给出 不同的参数，即可褥到不同的结构图形。实际上，参数化也就是现在所说的数字 化。一个复杂的图形可以分解成一系列简单和易于描述的基本图形元素，如线、 圆、圆弧、曲线等，因此任何一个结构图形都可以用以系列的控制尺寸及位置尺 寸来完整、唯一地描述。基于以上原则，我们把尺寸标准看作是一种符号变量， 只要改动一个尺寸，参数化系统便能讵确、快速地修改整个结构和部件；同样， 只要用户改变结构图形，参数化设计系统也能舞动修改相应的尺寸。我们也可以 通过改变参数来获得不同的实体形状，从而得到不同的设计方案。所以参数的应 朋可以大大提高c a d 系统的图形输入和几何建模的效率。结构对象的参数化一般 应具有以下特征：必须具有较好的通用性，能适用于同种类型的不同结构； 用户能根据自己的需要和习惯指定参数；能根据用户指定的参数，自动计算结 构的几何点坐标；不仅笼指定结构的形状控制参数，磊且能指定结构或部件的 位置控制参数；所设计的部件容易组装；能适用结构形状参数、位置参数、 关系描述性参数、材料参数和旄工要求参数等，并建立统一的关系数据库；对 9 河海大学硕卜学位论文 三维参数化设计系统，还应具有平耐和空闻的描述性参数，以便于用户根据设计 意图，正确合理地选用参数。 现代数据可视化( d 戳a s 黻l i z 菇i o n ) 技术指的是运用计算视图形学和蚕像 处理技术，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、 方法和技术。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉 及人机交互技术等多个领域例。数据可视化技术的主要有以下特点3 0 】 3 1 j 阎：( 1 ) 交互性，用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据。( 2 ) 多维性，可以看到 表示对象或事件的数据的多个属性或变量，丽数据可以按其每维的值，将其分 类、排序、组合和显示。( 3 ) 可视性，数据可以用图像、曲线、二维图形、三维 体和动两来显示，并可对其模式和相互关系进行可裰化分析。 可视化概念首先来自科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i n cc o m p u t i n g ) ， 计算机刚问氆时，其最主要的用途就是科学计算。由于各方面条件的限制，那时 候计算的数据量比较少，往往依靠人工来完成数据的后处理工作，总结出这些数 据的特点和变化规律。随着数据量的不断加大，单纯靠人来处理这些数据显得有 些力不从心，需要借助绘图仪绘制出二维的曲线，后来二维曲线也逐渐不能满足 需要。这时由于计算机软硬件技术的发展、图像处理技术的增强，可以将数据转 变成静态图像。纛现代科学计算的数据源太多太大，超级计算祝的仿真数据、卫 星发回的地球资源、军事侦察数据、气象数据、海洋和地壳板块及地震监测数据、 医学扫描图像数据等海量数据的产生与不能有效地然释这些数据的矛盾r 益尖 锐，靠以前的手段很难达到目的，因此就必须将这些数据转变成动态的图像。科 学计算可视化的形成是当代科学技术飞速发展的结果。正是在此背景下，1 9 8 7 年2 月，美国自然科学基金会在华盛顿召开了有关科学计算可视化的善次会议 会议指出“科学家们不仅需要分析e l l 计算机得出的计算数据，而且需要了解在计 算过程中数据的变化情况，而这些都需要借助于诗算棍图影学及图像处理技 术”。会议将这一涉及到多个学科的领域定名为“v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i c c o 撵p 域i 按g ”，简称“s e i e 聪i s 髓珏z 蠢o n ”。这次会议可谓科学计算可视优技术 诞生的单程碑。 数据可视化技术的主要有以下特点： ( 1 ) 交互性。用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据。 ( 2 ) 多维性。可以看到表示对象或事件的数据的多个属性或变量，而数据可 以按萁每一维的值，将其分类、排痔、组合和显示。 ( 3 ) 可视性。数据可以用图像、曲线、二维图形、三维体和动画来显示，并 可对其模式和相互关系进行可视化分柢。 2 2 1 2 程序设计语言 随着计算机技术的发展，特别是像w i n d o w s 这样具有图形用户界面 ( g u l ，g 缀醢i e s u s e f l 曩艳蕊e e ) 的操作系统的广泛使溺，人们形成了一种面向对 l o 第二章船闸闸首参数化结构设计 象的程序设计思想。这种思想把整个现实世界或其一部分看作是由不同种类对象 ( o b i e c t ) 组成的有机整体。同一类型的对象既有共同点，又有各自不同的特征。 各种类受的对象之间通过发送消息进行联系，消息能够激发对象傲毒楣应的反 应，从而构成一个运动的整体。面向对象的程序设计语言就是采用了这种面向对 象的程序设计思想，当前使用较多的面向对象的语言有v i s u a lb 鑫s i e 、e + + 、j a v a 、 o b j e c tp a s c a l 等。 v i s u a lb a s i c 是美国m i c r o s o r 公司推出、专门针对3 2 位w i n d o w s 操作系统 的程序设计语言。v i s u a lb a s i c 是w i n d o w s 平台上一个强大的开发工具，它提供 了一致的用户界面，使可视化的程序设计成为可能，程序员可以把大部分时间用 在解决实际问题上。硪鞭蠢转a s i e 乍为一种常用的面向对象的程痔设计语言，它 提供的是一种真正的面向对象的可视化编程方法，开发人员只需少量的代码就可 以编制出具有标准w i n d o w s 风格的程序，代码维护非常方便，已越来越被众多 的工程技术人员作为一种开发工具，它为用户提供了一系列的属性、方法和控件， 利用它们，可以轻松的实现一般的计算程序和图形绘制。j 下因如此，船闸c a d 系统设计中，采用v i s u a lb a s i e 作为一种主要的开发工具之一网转援。 2 2 1 3v b 与t r u o g r i d 文本文件的接口程序 利焉v 8 这种强大的可褫化开发工具，可以轻松逸傲一个用户界面，实现交 甄式操作，用于接收用户的输入信息，并能用v b 调用t m e g r i d 的文本文件，直 接在m e g 矗d 中生成结构的网格模型。 用下面的代码实现了v b 和m e g r i d 的文本文件之间的联接： 0 p e n ”c ：￥l 黼e g 蠢d 港x a l 髓p i e 霉连乏z 涯。l g ”f o fo 痰p 毽ta s 雾l 在c ：1 m e 鲥d e x a m p l e s 文件夹中生成一个文件r z m t g ； 将生成网格的命令出入到该文件中； s h e l l l i c m d 恐s t a r tc ：孤e 鲥d e x a m p l e 她屹m r z m t 矿，v b n o 脯a l f o c u s 打开文件r z m t g 。 2 2 1 4 参数数据的处理 新用到的参数数据通常采焉交互式输入和数据文 牛读入两种方式来处理。交 强式输入数据的方式是在程序执行期问，进行人机交互，逐个输入数据，直至全 部数据输完，这种输入数据的方式适羽予数据较少的情况。在数据较多露，可以 采用数据文件来输入数据，用户预先准备好所需的数据文件，程序执行时，从数 据文件中读取所需数据。 河海大学硕十学位论文 2 2 2 软件实现方法 参数化功能软件通常用两种方法来实现，即尺寸驱动法和程序驱动法。尺寸 驱动法是指生成的图形具有参数化功能，即图形的所有尺寸都是参数化的，借助 应用软件可以动态修改图形。而程序驱动法是根据用户给定的定义图形的几何数 据及其他数据来绘制结构一定的图形，不需要人机交互过程，只要规定参数数据， 就可以编制相应的程序来实现。本文中研究的人字门和三角门船闸闸首网格模型 的自动实现采用尺寸驱动法【5 j 。 2 2 3 界面设计 船闸系统的界面设计遵循以下规则p j ： ( 1 ) 视觉效果美观 对话框的外观非常重要，杂乱无章的对话框会使用户望而却步。对话框的设 计应简洁明快，根据各控件之间潜在的逻辑关系，对显示信息在视觉方面进行组 织和安排。 ( 2 ) 语言文字精炼 对话框的构件信息主要通过文字来描述，如对话框的标题、按钮的名称，这 类语言信息应尽可能直接而不含糊，使用户知道输入的文本信息所对应的实际工 程的设计参数，点击按扭控件将要执行的程序操作和相应的屏幕反馈信息。 ( 3 ) 信息反馈敏捷 用户改变当前状态的设计参数或选择项时，屏幕应出现反馈信息。 ( 4 ) 容错功能强大 对话框应具有宽容性，这样才能鼓励操作人员进行探索性操作，同时又能防 止因错误而导致系统的崩溃。对于这一点，采用防忠于未然的方法，即在进行程 序计算前，先检查输入数据是否符合系统的特定格式，如输入有误，显示反馈信 息，提示用户重新输入数据，直到数据输入符合系统规定的格式要求为止i 】引。 本系统采用v i s u a lb a s i c 6 o 语言作为开发工具，其中一个很重要的原因就是 v i s u a lb a s i c 6 o 具有其他开发工具所无法比拟的界面丌发功能【4 5 】【3 2 1 。 2 2 4 软件实现的功能 本软件能自动生成人字门船闸闸首模型和三角门船闸闸首模型的网格剖分 图。用户只要交互输入必要的参数，就可得到满意的闸首有限元网格，极大地提 高了人字门闸首与三角门闸首的设计速度。 第二章船闸闸首参数化结构设计 臣正 广一j _ i 参数化输入数据! ， 一，一一l 等成牝，譬楚苎 厂一甲一一 兰三! ! 竺壁! 兰竺竺 广一一一一t 一 生成分析软件的数字化模型 【-一一 ! 茎巫塞互 图2 1 软件设计流程图 2 2 5 闸首结构的参数化设计 2 2 5 1 闸首的结构型式 闸首是船闸的主要组成部分。设置闸首的目的是为了在闸首安装闸门，用于 挡水。此外在闸首设置输水廊道和在廊道上安装阀门，以便向闸室灌水或由闸室 向下游泄水。闸首主要由底板及其上的两个边墩组成。它的构造决定于闸门型式 和输水方式，同时要适应地基条件。目前常用的闸门型式有人字门、横拉门和三 角门等三种。一般人字门是用于单向水头，横拉门及三角门可用于双向水头。输 水方式一般采用廊道输水，廊道上的阀门多用直升式平板阀门。 闸首的结构，主要有整体式和分离式两大类型。为了保证闸首具有足够的整 体刚度，避免由于闸首边墩相对沉陷而影响船闸的正常工作，在土基上通常采用 整体式结构，即边墩和底板刚性连接在一起；土基比较坚实，如经论证边墩的沉 降不致影响闸门等设备的正常工作，可以采用分离式结构。在岩基上，一般采用 分离式结构；基岩较差或具有软弱夹层时，也多采用整体式结构。 在整体式闸首结构中，闸首底版一般均采用平底板。底板厚度可取等于 ( 1 3 5 1 4 5 ) 边墩的自由高度，但不应小于其净跨的( 1 7 1 6 ) ，在粘性地基上 取较大值，在沙性地基上可取较小值。从己建在软基上的闸首现场实测资料可知： 河海大学硕上学位论文 在即将放水前的完建期，底板的工作条件最为不利，在这期间，往往由于回填土 的压实，在底板内产生较大的负弯矩，底板在没有任何保护措施的情况下可能遇 到寒流而突然降温，将产生较大的温度应力。如果船闸底板较厚，混凝土中的水 化热所引起的温度应力与以上的附加内力叠加，底板将产生裂缝。为了改善软基 上的底板在完建期的工作条件，对于大型船闸可以采用“墩底分浇、预留宽槽、 后期封合”的措施【5 9 】。即待边墩下的地基和回填土得到一定沉陷后，选择有 利温度，再将临时缝封合，这对改善底板的受力状态是极为不利的。至于闸首的 边墩，在较好的土基上，可采用混凝土和钢筋混凝土重力式结构。有时为了节省 钢材，在一些船闸上，除在边墩下部廊道部位和受力较大的支持墙段采用钢筋混 凝土结构外，其它部分用圬工结构。如果地基较差，闸首边墩可采用轻型结构如 扶壁式结构、空箱式结构。空箱式边墩结构的自重力小，底版面积大，因此地基 反力较小。同时空箱的刚度较大，承受闸门推力的整体性好。因此，如果闸首纵 向地基反力分布不均匀，还可在空箱中充填部分砂石或充水，以调整各种情况下 的地基反力。但是空箱式结构施工复杂，钢材及模板耗费较多。 在岩石地基上采用的分离式闸首结构，其边墩的构造，在很大程度上取决于 基岩顶层和闸底的相对高程岩石的性质。它可以是重力式或衬砌式的。至于闸底， 当岩石比较峰实，裂缝较少时，可不设底板，只需将闸底基面加以平整即可。若 岩石的裂缝较多，闸底要承受较大的压力，而岩石又容许埋置锚杆时，可将闸底 做成有锚的衬砌底板。如岩石质量较差，不能埋置锚杆，但有足够的承受能力和 摩擦系数时，可将底板做成支撑于边墩上的板或倒拱结构，以承受扬压力的作用。 总之，影响闸首布置及结构构造的因素很多，主要有船闸的整体布置，水头 及闸室尺寸的大小，输水系统的型式，闸、阀的型式及地基条件等，闸首型式因 这些因素的不同而不同【5 引。而这些因素又是相互关联的。因此，闸首的合理布置 及结构方案的确是一项复杂的任务，在进行闸首布置时，应注意以下几点： ( 1 ) 根据闸门的工作条件、闸首的稳定性、渗流情况以及地基的承载能力， 在软土地基上，一般均采用整体性结构。在岩石地基上，则可采用分离式结构。 当岩基较差或具有软弱夹层时，应采用整体性结构。 ( 2 ) 闸首的长度影响工程量甚大，应尽量缩短，特别是不包括在闸室有效 长度内的部分。可以考虑的方式有：在布置输水系统和闸门时，在长度上尽可能 考虑两者结合；将检修阀门布置在输水廊道的进出口；降低输水廊道出口，增加 其淹没水深以减少出口在长度方向的尺寸；可能时把检修闸门的门槽设于闸首 外，在闸首范围内仅布置它的支撑体。 ( 3 ) 为了减少工程量，闸首边墩的宽度也应注意减少，为此应尽可能不在 边墩的同一断面上布置输水阀门、工作阀门、检修闸门及启闭机械。同时还应保 证沿闸首有畅通的工作通道。 1 4 第二章船闸闸首参数化结构设计 ( 4 ) 选择闸门及各种设备时，应把各方案的使用和造价以及因而弓| 起的闸 首造价的增减结合起来考虑。 ( 5 ) 在满足上述要求的同时，斑力求结构的受力简单暖确，以便诿确掌握 其受力情况，从而经济合理和安全可靠的确定各部分的尺寸。 2 。2 5 。2 阑首的参数化设计 船闸闸首结构主要包括输水廊道、闸门、阀门、闸阀门启闭机械及其相应的 设备等。丽输水系统是闸首的重要组成部分，直接关系到过闸船舶的停泊安全、 船闸的通过能力及船阉的工程投资等。船闸输水系统的型式是多种多样的，概括 起来可以分为两大类集中输水系统和分散输水系统【1 0 l 【4 。输水系统型式的 选择，首先在于确定是集中输永系统还是分散输水系统。作用在船闸上水头的大 小，是影响船闸输水系统型式选择的一个重要因素。在国内外的工程实践中，当 水头在1 2 1 5 m 以内时，集中输水系统褥到广泛应用。但美围、薅欧各国等重视 航运效益，要求尽量减少船舶的过闸时间，在水头不大的情况下( 6 l o 米) 也 采用造价较高的分散输水系统。在苏联时期，他们着重从工程投资的角度考虑， 水头在1 5 米以下，采用集中输水系统，只有当水头超过1 8 2 0 米时，才考虑采 用分散输水系统1 4 】。 参数化设计就是建立一组参数与一组匿形基本元素或多组豳形之间的对应 关系，给出不同的参数，即可得到不同的结构图形。结合实际已建船闸闸酋工程， 对闸首的基本组成部分进行对象化，提取最基本的实体对象，并进行参数化，以 达到能够用若干个独立的参数表示出一个完整的船闸阑首实体模型。 2 3 本章小结 本章分绥了船闸阑酋设计现状与基于参数他的船闸闸首结构设计思路，重点 探讨了船闸闸首结构的参数化设计所基于的技术。对参数化与可视化的概念做了 介绍和说明，并以计算机v i s u a lb a s i c 6 。o 语言为基础，编制了打开t m e g r i d 的文 本文件的接日程序。并且还介绍了参数数据的处理、软件的实现方法以及界面设 置的原则，最后总结了软件设计的流程与实现的功能。采用船闸闸首参数化结构 设计理念，对闸首的各个组成部分进行参数亿定义，以达到畿够蹋若干个独立酶 参数表示出一个完整的船闸闸首实体模型。 河海大学硕十学位论文 第三章t r u e g r i d 软件概述 3 1t r u e g r i d 简介 t m e g r i d 是一套优秀的、功能强大的通用网格生成前处理软件。它可以方便 快速生成优化的、高质量的、多块结构的六面体网格模型。作为一套简单易用、 交互式、批处理前处理器，t m e g r i d 支持三十多款当今主流的分析软件。它应用 于材料科学、航空航天、生物医学、汽车工业、流体结构等。 m e g r i d 提供了工业界最先进的映射网格划分功能，使用户快速完成他们想 做的工作。可以快速而有效地创建顶级优质的网格模型。t m e g r i d 创立的网格模 型可以导入到有限元分析软件中进行模拟计算。此外，t m e g r i d 不仅仅是一个网 格生成工具，它还可以针对大多数分析软件生成输入文件。在t m e g r i d 中定义 网格的同时，用户可以指定有限元网格模型的物理特性，甚至可以指定与网格划 分无关的一些模拟参数。一旦完成了整个网格的划分工作，t m e g r i d 会自动生成 输入文件。 t m e g r i d 可以生成多块体、结构化的优质网格模型。此外，t m e g r i d 还提供 了许多有用的工具来辅助生成高质量的网格，包括：多线性插值、无限插值、椭 圆过渡工具等。t m e g r i d 使用特殊的投影方法将块体结构的网格划分投影到一个 或者多个表面上。这种投影方法消除了繁重的手工网格划分操作的烦恼。 t m e g r i d 不断增加了很多更灵活更方便的智能化工具，一旦整个模型的网格划分 完成，t m e g r i d 的诊断工具会对你最终的网格模型进行综合分卡斤l 川。 t m e g d 拥有一个先进便捷的图形用户界面，可以通过点击鼠标完成所有操 作。图形界面充分利用颜色的区别来建立几何模型和网格模型。提示、对话框， 以及在线帮助均可以直观地引导用户创立高质量的网格模型菜单。t m e g r i d 使用 成熟的图形技术来随时观察网格建立的情况。u n d o 命令可以让你随时方便地 修改你的模型。这种互动式的操作特性将给你快速的反馈信息，来帮助你完成网 格划分的过程。 m e g r i d 是一套交互式、批处理网格生成器。命令流简洁容易保存，以便于 我们操纵在交互式对话过程中自动生成的对话文件。一个命令输入文件通常建立 于这样的对话文件。t m e g r i d 是理想的参数化研究工具，哪罩需要数字，哪里就 可使用参数【6 6 1 。参数可以是任何包含字符和数字的符号，符号的前七个字符在所 有使用的参数集合中必须唯一。通过p a r a m e t e r 声明给某个参数赋值。参数 值由参数名前加字符“”来引用1 6 儿7 | 。 1 6 第三章1 h e g r i d 软件概述 3 1 1t r u e g r i d 的基本概念 1 两种网格 m e g r i d 同时定义两种网格：物理和计算。物理网格位于物理空间，也就是 要建模的地方；计算网格位于抽象空间，只有整数点。计算网格相当于物理网格 的导航图，便于对物理网格进行操作【6 3 】。 2 索引 索引( i n d e x ) 是计算空间的实际坐标，每个网格节点都有索引。索引采用 的形式为：i 1i 2 i m ： j 1j 2 j m ： k 1k 2 k m ： 简单索引一般在网格初始化时使用到，同一方向上相邻两个数字表示了区域 内节点的数目。 进阶索引与简单索引不同的是，不考虑具体节点数目的多少，索引中的数字 代表的是区域在整个部件中的位置。 0 索引实际上是进阶索引的一种特殊形式，o 打断了进阶，0 之前和之后的 索引不能在一起形成一个连续的区域。 负索引是索引进阶的另一种特殊形式，索引中负的数字表示一种退阶。 3 合并 如果模型很复杂，就需要建立多个部件( p a n ) ，并将它们合并在一起。合并 命令：m e 略e 。 3 1 2t r u e g r i d 的用户界面 t m e g r i d 拥有一个先进的图形用户界面，可以通过点击鼠标完成所有操作。 图形界面充分利用颜色的区别来建立几何模型和网格模型。系统的提示、对话框， 以及在线帮助均可以直观地引导用户创立高质量的网格模型，精进的数学运算法 则也使得优质网格的划分成为可能。此外，先进的三维图形技术可以使得用户在 建立模型的时候随时观察网格结果。 1 一装i 0 ，文，_ j 输入荫 l 3 物j 引刘彤镓l i 4 珥境改霞豁i 】 图3 1t r l l e g r i d 软件川，。j i 界面爪也隆i 文本荣r h 卜浆t 、川箍进i ：f i ：m 变化，在文小窗 1 可以输入f f 愚数hf i 勺命令i j 二 及j l 参数，和添，| j 牛，j ：汴时以寸：f = = cj 拶i ，：t j ：仃多jj 二标 i ：文# ，则j 、v 咳以i 括，世 来，核f s ( ：键终f ：f