（机械设计及理论专业论文）钢结构梁的计算校核与截面优化选取的cad系统开发.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术的发展和实际需求的变化，在解决结构梁的有关计算方面出 现了各种各样的专用计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 简称c a d ) 软件 系统。本系统即是应北京巴威公司( b a b c o c k & w i l c o xb e i j i n gc o m p a n y 简称 b & w b c ) 工程技术部要求，设计开发用于其锅炉产品的支架等钢结构梁的内力 计算及其截面安全性校核的c a d 系统。 本系统是基于v i s u a lc + + 平台，采用先进的面向对象的程序设计方法所开发 的，巴威公司以往在解决钢结构梁的内力计算方面是用f o r t r a n 语言编制，基于 v i s u a lf o r t r a n5 0 平台开发的一个软件系统，只对( 双) 槽钢、( 双) 工字钢、h 型钢及板拼宽翼型钢等截面的简支梁进行计算，所以其适用范围相对较小，而且 可视化程度不高。本系统专门对原有算法和软件性能做了较大的改进，比如增加 了对连续梁的内力计算校核、梁的受力模型图及内力图的绘制、数据库的管理、 结果的多种输出方式等功能。 设计中总体分为工况数据文件建立、计算校核、数据库查询、结果保存四个 模块，各个模块之间即相互独立，又相互联系。本文主要针对这四个模块的功能 实现并以中国和美国两种钢结构梁的设计规范为理论依据做了论述。 在整个系统的研究设计过程中，作者综合运用了软件工程、数据库技术、结 构力学、材料力学等理论知识和开发技术，完成了从资料收集到详细设计的全部 内容，并实现了巴威公司提出的主要功能。总结起来主要进行了钢结构梁的力学 分析研究，并通过采用面向对象的方法进行有限元的力学软件设计，以应用软件 的方式实现对结构梁的计算机辅助设计。 最后，结合实际应用，给出了几个典型算例，证明本系统基本达到了预期目 标，具有一定的实用价值和商业价值。 关键词计算机辅助设计；连续梁；简支梁；校核 北京下业人学t 学硕l ：学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，i t se m e r g e da l lk i n d so fc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) s y s t e mt o c a l c u l a t es t r u c t u r eb e a mw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h e c h a n g eo fa c t u a lr e q u i r e m e n t t h i sc a ds y s t e mi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e dt ou s ei n c a l c u l a t i o no fi n t e r n a lf o r c ea n ds e c t i o ns a f e t yc h e c k i n go fs t e e ls t r u c t u r eb e a ms u c h a st h eb o i l e rs c a f f o l d sa c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fb a b c o c k & w i l c o xb e i j i n g c o m p a n y ( b & w b c ) n i ss y s t e mi s d e v e l o p e dw i t h a na d v a n c e dm e t h o do fo b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n go nap l a t f o r mo fv i s u a lc + + i nt h ep a s t b & wc o m p a n yu s e df o r t r a n p r o g r a m m i n gt os o l v et h ep r o b l e mo ft h ec a l c u l a t i o no ft h eb e a mw h i l eb a s e do nt h e p l a t f o r m o fv i s u a lf o r t r a n5 0 t h eo l d s y s t e mc a no n l yc a l c u l a t et h e s i m p l y - s u p p o r t e db e a mw h o s es e c t i o nt y p ei s ( d o u b l e ) c h a n n e l ，( d o u b l e ) i - b e a m ， h b e a m ，埘d cf l a n g ea n ds oo n s oi th a sal i m i t a t i o ni nt h ea p p l i c a t i o ns c o p e b e s i d e s ， i th a sad e f e c tt h a tt h ed e g r e eo fv i s u a l i z a t i o ni sn o te n o u g h t h e r e f o r e ，t h i ss y s t e m h a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l yi nt h eo l da l g o r i t h ma n dt h ep e r f o r m a n c eo fs o f t w a r e ，f o r e x a m p l ei n c r e a s e dm o r ef u n c t i o ns u c ha st h ec a l c u l a t i n ga n dc h e c k i n go fc o n t i n u o u s b e a m ，p l o t t i n gc u r v e so fm e c h a n i c sm o d e l sa n di n t e r n a lf o r c e ，t h em a n a g e m e n to f d a t a b a s e ，r e s u l to u t p u ti nm a n yw a y sa n ds oo n n l es y s t e mi sd e s i g n e df o u rm o d u l e sw i t ht h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g nm e t h o da n d t h e o r ya n a l y s i s ：t h ee s t a b l i s h m e n to ff l o o rd a t ad o c u m e n t s ，c a l c u l a t i n ga n dc h e c k i n g ， t h eq u e r yo ft h ed a t a b a s e ，t h es a v eo fr e s u l t t h ef o u rm o d u l e sa r ei n d e p e n d e n tb u t i n t e r c o n n e c t i n ge a c ho t h e r n l i sp a p e rd i s c u s s e sm a i n l yi nr e a l i z a t i o no ft h ef o u r m o d u l e sf u n c t i o nb a s e do nc h i n aa n da m e r i c as t e e ls t r u c t u r eb e a md e s i g nc o d e s i nt h ec o u r s eo fr e s e a r c ha n dd e s i g n ，t h ea u t h o rh a s c o m p l e t e dt h ew h o l e c o n t e n t sf r o mt h ed a t ac o l l e c t i o nt ot h ed e t a i l e dd e s i g na n dr e a l i z e dt h em a i nf u n c t i o n t h a tb & w b c r e q u i r e dw i t hk n o w l e d g ea n ds o f h v a r ed e v e l o p i n gt e c h n o l o g i e ss u c ha s s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，d a t a b a s et e c h n o l o g y , s t r u c t u r a lm e c h a n i c s ，m a t e r i a lm e c h a n i c s g e n e r a l l y , t h ea u t h o rh a sd o n ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fm e c h a n i c so fs t e e ls t r u c t u r e ， a n dd e v e l o p e da l la p p l i c a t i o ns o f t w a r eo nm e c h a n i c st om e e tt h ec o m p u t e ra i d e d d e s i g nw i t ho b j e c t - o r i e n t e dm e t h o da n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d f i n a l l y , s e v e r a lt y p i c a le x a m p l e sc o m b i n i n g 丽t hp r a c t i c a la r eg i v e n m e a n w h i l e ， i ti ss h o w nt h a tt h es y s t e mh a sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dg o a la n dh a sc e r t a i np r a c t i c a l v a l u ea n dc o m m e r c i a lv a l u e k e y w o r d sc a d ；c o n t i n u o u sb e a m ；s i m p l y - s u p p o r t e db e a m ；c h e c k i n g n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：墨垒( 红日期：巡查：生兰三 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：匙丕l l 导师签名： 第l 帝绪论 第1 章绪论 1 1 钢结构梁的计算机辅助设计 目前，在工业与民用建筑中都大多采用了钢结构体系。钢结构具有自重轻、 抗震性能好、结构占用面积少、基础费用低、施工周期短等优点i i j 。但由于钢结 构设计采用校核法，往往需要多次重复构件选型并校核的过程，而且钢结构的连 接方式多样，构造形式及表示方法复杂，导致了钢结构设计上的一些困难，采用 计算机辅助分析设计技术是解决这一问题的主要途径之一1 2 】。利用计算机辅助钢 结构分析设计有以下几个优点【3 】【4 】： ( 1 ) 采用人机交互的输入方法形成结构的模型，可减小设计人员处理结构 模型的工作，特别是建立力学模型时的过程。 ( 2 ) 利用计算机进行结构的计算及构件校核，可减轻设计人员查表和计算 的工作，不但能够保证正确，而且利用计算机计算的高效率，可使设计人员便捷 地对不同的结构方案进行分析比较。 ( 3 ) 计算机分析对于荷载组合可采用穷举法处理，便于发现最不利的组合 情况。这点在校核及优化运算时更显便利。 ( 4 ) 计算机辅助设计可以出图方便，实现信息化生产设计。 1 2 课题背景 1 2 1 课题来源 本课题来源于北京巴威公司和北京工业大学联合开发项目，全名为北京巴威 公司钢结构梁的截面选择与校核的计算机辅助设计系统。北京巴威公司是由美国 巴布科克威尔科克斯有限公司与北京锅炉厂共同组建的一家中美合资公司，主 要开发设计、生产制造、试验检测各种锅炉及其他相关产品。本课题是应巴威公 司工程技术部要求，设计开发用于校核其锅炉产品的支架等安全性的钢结构梁 c a d 辅助系统。 以往，由于受到计算机辅助设计软件开发和应用水平的限制，北京巴威公司 在钢结构梁设计时人工参与的工作量很大，难免会出现设计失误、效率低下等问 题。为此，北京巴威公司工程部提出进行钢结构梁c a d 设计，以达到缩短设计 周期、提高安全质量、提高生产效益，降低成本的目的，同时也顺应了现代化设 北京丁鼗大学下学硬 j 学位论文 计生产的发展趋势。 1 2 ，2 课题研究的目的和意义 2 0 0 3 年中国枧械王业联合会根据对1 6 6 家机械制造企业调查统计褥到如下 结果1 5 j ：c a d 应用基本普及，重点骨干企业的7 0 已应用c a d 技术；“九五”期 间5 家示范企业的c a d 应用普及率已达9 3 ，主导产品c a d 的出图率达9 8 。 经过调查发现c a d 应用的深度仍有很大局限，相当一部分企业停留在出甍上， 三维c a d 、c a d c a m 、仿真设计等应用很少，被调查的1 6 6 家企业中，进行结 构优化计算的只占1 6 ，进行模拟仿真设计的只占6 。由此可见，产品辅助设 计是镱l 造遭的动力，也是制造监信息纯的必然途径。没有先进的计算机辅助设计， 整个制造业信息系统不可能全面发展，所以深化c a d 的应用是企业信息化的关键 问题。 北京墨威公司提凄在对大型锅炉进行设计、安装、调配时存在着需要钢结构 梁进行设计、校核等工作，在以往人工进行这种设计帮校核时壶于工程龅工期紧、 工作量大等各种原因可能造成设计不含格，从而存在安全隐患，因此提出进行筠 支梁、连续梁的计算机辅助设计和校核，以提高产品使用的安全性。钢结构梁 的计算枕辅助设计涉及到钢结构设计裁范、结构力学、材料力学、软件工程及面 向对象等相关知识嘲。总结起来主要进行钢结构梁的力学分析研究，并通过采用 面向对象的方法进行有限元的力学软件设计，最终以应用软件的方式实现对结构 粱的计算机辅助设计f l 。 ，长期以来北京巴威公司工程部锅炉支架计算机校核优化设计中工程入员手 工作业较多，要求工艺人员有丰富的相关钢结构和结构力学、材料力学等相关知 识和必要的生产经验，钢结构梁的实际合理性、可操作性以及设计时间的长短主 要取决于工程人员的经验和熟练程度，因此，工程设计周期和质量不易保证。 本系统在符合企业生产和设计要求的前提下，应尽量提高自动化设计的程 度。对钢结构梁的计算机辅助设计形成的c a d 系统主要有如下功能： ( 1 ) 钢结构粱的计算枫辅助设计系统应有友好的图形化界面设计、对外留 出接口设计、合理的输入输出数据管理方式等。 ( 2 ) 能够实现对简支梁、连续梁在各种可能载荷情况下进褥力学分析，安 全校核，能够实现用户实时改变要求的情况下对结构梁的辅助设计。 ( 3 ) 根据用户输入的初始设计要求，系统能够计算得到是否符合实际工作 要求，并能根据输入文件的数据顺次批量进行多根梁内力计算与校核，从截面库 中选取最优截面型号供用户参考。 输出结果以蛮观的报表方式保存，既可以保存受力模型及内力图形， 第l 帝绪论 甍i i 一； i i i i i 葛 也可以只保存计算结果，由用户自行选择保存方式。 1 3 国内外在钢结构c a d 方面的研究动向和研究水平 纵观世界各国的研究和发展道路，钢结构c a d 的应用经历了计算机辅助分 析( c n n ) ，计算机辅助设计( c a d ) ，计算机辅助设计与制造( c a m ) 三个阶段懈l 。 在国外，c a d 技术应用于钢结构建筑起源于七十年代初期，经过几十年的 发展，己经形成了较为成熟的技术体系，产生了一批享誉世界的高质量的钢结构 c a d 软件【9 1 ，如芬兰t e k l a 公司的x s t e e l 、英国a c e c a d 公司开发的s t r u c a d 、 美国r e i 公司的s t 从d p i 如2 0 0 0 和比利时的c s i a 等，能有效地完成从设计、 详图、材料加工、切割到施工等一系列过程，能自动产生各种精确的工程图纸， 包括布置图，构件图，零件图，材料表。 一 国内的钢结构建筑c a d 研究是在八十年代开始发展起来的。目前国内的钢 结构设计软件有两大类：一类是中国自主开发的软件，主要有中科院计算所c a d 开放研究室和南京扬子石化设计院联合开发的工厂设计系统p d s o f t 、上海同济 大学土木工程学院开发的空间钢结构杆系系统c a d 软件3 d 3 s 、中国建筑科骖 研究院开发的建筑设计软件系统p k p m 等。另一类是专业的钢结构公司或设计 院持有的经过二次开发的国外设计软件，如清华大学持有r e i 公司的s t 从d ， 郑州华电公司的s t r u c a d 6 0 等i l 们。 和国外的钢结构c a d 软件相比，国产软件在用户界面、数据输入和操作简 单，更加符合中国工程师的习惯，在简单结构的设计分析结果上已经基本达到了 国外软件的水平。但也还存在着很大的不足，如结果分析的理论水平有限，影呵酽 了复杂结构分析的能力和准确性，自动优化的功能不完善，结构设计的系统性不 足，标准节点库小，而且在后处理方面，国产软件还处在一个较低的水平上，自 动生成图纸的功能还很弱，生成加工详图的能力较差1 。 对于上述国内外的研究成果来说，无论从功能实现到交互界面的设计，都已 经在很大程度上满足了用户的需求，但是每个不同的行业还是有着各自专门的需 求。本系统在解决巴威公司提出的钢结构梁的计算机辅助设计系统就是要解决其 专门的需求，比如要能实现梁的截面的优化选取功能，由于其截面库本身就是公 司内部的资料，如果用上述的大众化的设计系统，很难满足需要。由此也可以看 出，本课题的研究是必要的也是具有一定实际意义的。 1 4 本系统的特点 在本系统开发以前，巴威公司在解决钢结构梁的内力计算方面是用f o r t r a n 语言编制，基于v i s u a lf o r t r a n5 0 平台开发的一个软件系统，可对( 双) 槽钢、 北京t 业大学t 学硕 ? 学位论文 ( 双) 工字钢、h 型钢及板拼宽翼型钢等截面的简支梁进行计算。f o r t r a n 语言 是所有编程语言中惟一能将复数定义为一种标准数据类型的语言【i2 1 。其优势在于 数值计算但是f o r t r a n 语言在可视化程序设计方而却是非常欠缺的。当用f o r t r a n 实现了某一大型科学计算以后却难以将这种计算转变为数据输入简易、结果显 示方便的w i n d o w s 可视化应用程序i l 引。而本系统是基于v i s u a lc + + 平台，采用 、先进的面向对象的程序设计方法开发的软件系统，它不仅解决了上述可视化效果 差的问题，而且还增加了许多新的功能。具体来说，本系统有以下特点。 ( 1 ) 具有友好的界面，可以在任何w i n d o w s 系统下运行。以往巴威公司所 用的软件系统只能在d o s 系统下运行，可视化程度很低，在很大程度上满足不了 人性化的需求，也正因如此，这种软件系统也已经开始逐渐的退出了历史舞台。 本系统在运行的各个过程中均可以在友好的界面形式下进行操作，而且操作起来 很方便、快捷，也更不容易出错。 ( 2 ) 工况数据的输入方式多样。以往的系统在工况的数据输入方面形式只 有一种，即在系统外建立文本文件，在文本文件里进行数据输入。这种方式虽然 也可以同时输入多个梁的数据同时计算，但是数据输入时需要记住每个数据的含 义，或者另外参照书面的材料才能保证数据的准确性，而本系统不仅还可以继续 沿用那种方式，而且还可以利用系统提供的方式输入，比如人机交互输入、系统 内文本输入，不仅如此，系统还提供了文本编辑功能，用户可以直接在主界面里 打开所要修改的文本文件进行数据的修改或添加等工作。这些方式不仅在对原有 的系统来说是一种改进，而且在目前许多工程上用的软件系统中也有所突破，就 目前来说，绝大多数计算软件都是对单独的一根梁的数据进行输入，然后直接计 算，这种系统显然满足不了巴威公司提出的批量计算并保存的要求。 ( 3 ) 可以同时计算并绘制所有梁的受力模型图及内力图。这个功能对以往 的软件系统也是一种改进，以往使用的软件系统只能够计算出数据结果，但是不 能够进行实际工况中各种力学图形的绘制，本系统则可以很直观的将图形呈现出 来，并能够和输出结果一起保存、打印。 ( 4 ) 可以对简支梁和连续梁均适用。以往的软件系统只适用于简支梁的计 算，而本系统则增加了连续梁的内力计算功能，并能同时绘制多跨连续梁的力学 模型图和弯矩图，使系统的适用范围更广。 ( 5 ) 系统可以对各种钢结构梁截面进行校核和截面的优化选取。以往的系 统中只是对梁做简单的力学计算，并没有对实际工程中不同的截面类型进行强 度、挠度等校核，而本系统则不仅做出了各种校核，而且还可以在多种截面类型 中选取满足校核条件的最优截面类型，供用户参考选用。 ( 6 ) 采用了数据库编程技术。本系统在对不同截面类型的梁进行校核时， 建立了梁的截面类型和不同温度下各种材料的最小屈服应力数据库，不仅可以供 4 第1 荦绪论 用户查询修改，而且在计算校核时也能随时调用其中数据，以满足实际工程的需 要。 ( 7 ) 提供了人性化的结果保存方式和结果浏览功能。以往巴威使用的软件 系统中，输出结果是以简单的文本文件的方式保存，而且保存的路径是固定的默 认路径，保存完毕后不能够直接打开，用户还需要自行查找文件所保存的磁盘路 径进行打开操作，很不方便。而本系统在计算完成后，可以直接以w o r d 报表的 形式保存，保存时提供了两种保存方式供用户选择，一种是仅保存计算结果，一 种是以表格的形式对输入数据、计算结果以及每根梁的力学模型图及内力图同时 保存，用户可以自行选择保存路径，确定保存后系统可以实现自动打开，避免了 用户再去查找文件再次打开的繁琐操作。 5 第2 帚系统的总体设计 第2 章系统的总体设计 本课题的研究主要是与钢结构梁辅助设计软件的开发，由于其主要功能为内 力计算和梁得截面校核及优化，要有友好的界面，并且要实现对数据库的管理以 及对m i c r o s o i tw o r d 的操作，因此本课题以v i s u a lc + + ( 简称v c h ) 为开发平 台，通过面向对象的方法，对钢结构梁进行力学分析、建立力学模型、截面校核 以及截面优化选取等设计。v c + + 作为v i s u a ls t u d i o 产品的一部分，是上世纪9 0 年代中期微软公司推出的一个强大的w i n d o w $ 应用程序开发工具，它提供了一 个可视化集成编程环境，是一个功能很强大的综合性集成软件开发环境，对众多 应用领域( 网络、多媒体、数据库等) 都有很好的支持【1 4 1 1 1 5 】。 2 1 模块设计 模块化的概念己经采用了二十多年，软件结构的模块化最能体现软件设计的 要求。模块之间的关系即为上层统率下层，其主要特征是抽象和信息隐藏，即各 模块之间具有相对独立，各模块各自实现一定的功能，而且与软件结构的其它部 分具有简单的接口【1 引。c a d 软件应体现模块化。 把整个程序分成若干个子任务或模块，称为模块程序设计【1 7 】。使用模块程序 设计时面临的问题是如何把程序分成模块，以及如何把各模块装配在一起。 采用模块程序设计的优点【l8 1 是： ( 1 ) 单个模块要比一个完整的程序易于编写、查错和测试： ( 2 ) 一个模块有可能在很多地方或其它程序中应用，这样可以把这样的模 块作为子模块，如子程序一样； ( 3 ) 模块程序设计允许程序员分划任务，允许多人共同完成一个较大的任 务； ( 4 ) 程序查错和修改比较方便； ( 5 ) 容易清整地知道己经取得了多大进展，还有多少工作要做。 通过模块化设计方法理论分析和总体设计构思，在本系统的设计中，总体分 为四个大模块： ( 1 ) 数据文件建立模块。实现钢结构梁的各种工况数据的输入，建立原始 数据文件。 ( 2 ) 计算校核模块。本系统的核心模块，实现对数据文件的读取、力学计 算分析、受力模型图的绘制、弯矩图的绘制、截面优化选取等功能。 ( 3 ) 数据库查询模块。为计算校核模块提供数据库支持，同时也为用户提 供数据库的浏览、查询、修改功能。 7 22 总体功能设计 幽2 - 1 主界面 f i 9 2 - 1m a i ni n t e r f a c e 具体来讲，本文的主要研究内容以及要实现的主要功能如下： ( 1 ) 数据文件的建立。梁的几何和荷载参数作为输入数据。梁的受力包括 集中力、均布力、弯矩、轴力等不同荷载情况。这些荷载的位置、方向、大小和 数量可以是变化的。输入方法包括g u i ( 图形用户界面1 交互方式和文本文件输入 的两种方式。通过g u i 的交互方式，可以实现粱上所有相关数据依次输入并存 储；通过文本文件输入的方式可以一次性输入所有粱的相关数据。通过g u i 建立的模型可以保存为与文本文件格式相同的文件。其中交互方式应符合钢结构 设计中通用的数据输入方式：文本文件输入的方法中所用的文本格式应尽量与甲 方习惯使用的工程文件格式相符合。通过g u i 交互式输入和文本文件输入两种 方法所建立的模型可以显示成与效果相同的力学模型图形。力学模型可以通过图 形显示的方式直观地显示出来。 ( 2 ) 阐述钢结构梁( 主要包括简支粱和连续梁) 的内力计算方法。根据美 第2 牵祭统的总体设洚 国规范中的设计方法，结合中国的设计规范，对钢结构梁进行内力计算及强度校 核，并根据实际工况和校核条件对锈结构梁截露进行优纯选取，同时迫可以对指 定粱截面进行校核，并把校核结果直双的显示出来，供用户查看。在连续梁的内 力计算中，采取矩阵位移法，并系统阐述了针对本系统所要解决的实际问题中所 采取的各种处理方法，并论证采用该法进行枰系结构静力分析的可行性，最后通 过实例演算表翡其正确性。 ( 3 ) 采用蘑向对象的设计方法，将相关于结构梁的各种信息及相互问的处 理关系，例如荷载、梁的相关信息、刚度矩阵等，分别设置成类，将前述的内力 计算方法通过面向对象的程序设计方法来实现，并分析说明其优越性。 ( 4 ) 算例分橱，通过实例计算分析钢结构筒支梁与连续梁的计算结果的正 确性，并说明面向对象在c a d 程序设计中运用的方法和技巧。 ( 5 ) 计算结果的保存，通过v c + + 开发平台，实现对w o r d 文字处理工具的 调用，并利用程序实现对w o r d 中的一些操作，比如输出文字、割表格、插入图 片等，把计算结果直接写入到w o r d 文档中。输出结果包括输入数据和输出数据 两部分。输入数据和输蹬数据均可以通过原先使用的文本文件格式和图文并茂的 报表形式输出藕保存。报表要求左侧是数据，右侧分别对应模型图和弯矩图，下 方是计算结果。输入数据和输出数据文件的格式，应尽量符合甲方习惯使用的工 程文件格式，并且整齐、美观、清晰。结果报表中包括了原始工况数据、力学模 型、弯矩图、计算结果、挠度值、重量等。一个文件审可麓包括许多粱的计算， 所有这些梁的计算结果形成个w o r d 文件。并且用户也可以根据需要选择仅 保存计算结果选项，就可以把输入数据和力学模型图、弯矩图省略，直接保存计 算结果。 弘 ( 6 ) 数据痒的管理帮维护：能按照用户输入的查询条件实现数据创建、增 加、插入、测除、修改、保存、查询功能，比如按照标准型材梁截面的型号或其 他参数条件查询相关数据等。 程序模块总体结构图如匿2 2 所示： 9 北京t 业大学t 学硕i j 学位论文 图2 - 2 程序模块总体结构图 f i g 2 - 2g e n e r a ls l r u c t u r eo fp r o g r a r nm o d u l e s l o 第3 章t 况数据的输入 第3 章工况数据的输入 对于任何c a d 软件来说，都需要用户将一些必须的原始数据输入或以别的 方式提供给系统进行分析计算，本课题所开发的软件系统也不例外。就本课题所 要研究的实际问题来说，所需要的工况数据，期钢结构梁的各季孛荷载情况、几何 参数等数据，本系统中，这些数据最终是以文本文件的方式按照一定格式要求建 立起来的。 3 。1 数据文件的内容 3 1 1 原始数据的定义 在本系统中，根据实际工况的需要，以及所要解决的计算校核等问题，需要 在计算前进行原始数据参数的输入，包括梁的几何参数、校核参数、工作温度、 材料以及荷载情况等数据。其具体符号说现见表3 1 。此外，为了实现对梁截瑟 的优化选取，建立了三个原始数据库，一个是截面的几何参数数据库，包括工字 铡、槽钢、h 型钢、板拼梁的各几何参数以及重量；第二个是大板梁的各几何参 数以及重量；第三个是不同材料在不同温度下的最小屈服强度，为了在强度校核 时查取使用。 3 。1 2 数据格式 根据用户多年的使用习惯，原始数据采用文本格式进行输入和保存。为了用 户的输入以及查看的方便，定义原始数据文本的数据结构如下： r a t i o dr a t i o ld e fe l n o s e c t n a m e * h i g h t ll xl yl n n ml m ll m 2 l m r l h d i l l n p p i 功l p n n f f il f l rl f n q q ll q hl q l 2 q 1l q n l 岫1 1 2 t m 越 。( 重复上嚣格式) 北京t 业人学t 学硕1 j 学位论文 其具体符号含义及说明见表3 - 1 。 表3 1 数据符号说明 t a b l e 3 1d a t as y m b o ld e s c r i p t i o n 符号 含义备注 静载时实际应力与容许应 r a t i o d 实数。 力的比值 动载时实际应力与容许应 r a t i o l实数。 力的比值 d e f最人容许挠度实数。 e l参j 计算的梁所和标高实数。 n o梁编哆整数。编0 町以足任意自然数。 可选项，只钉红指定截面或者梁高度时使用。 二者只能选其一。【s e c t n a m e 】以字母开头， f s e c t n a m e h i g h t l截面名称严高度不间断的字符串。首字符：卜槽钢；i 一工字 铜；h - 一h 型钢；p _ 板拼梁；g 一大板梁。 【+ h i g h t 以吁于头，整数。 l梁长度 整数。 l xx 向计算长度整数。 l y y 向计算k 度整数。 l n受压翼缘最人无支撑长度整数。 连续梁中间支点个数( 简支 n m 整数。 梁取0 ) 连续梁中间支点距最左端 l m ll m 2 l m l l整数。 位置( 简支梁不必输入) h u 静荷载，j l 起的轴向力实数。 h l 动衍载，j l 起的轴向力 实数。 整数。自然数。最人为1 0 当n p = o 时，下 n p 平面内集中荷载数 面一行不输入数据。 实数，整数。p t 口j 以直接是衙载值，也可以借 p t l p t 集中荷载大小、位置 用其他梁的端反力。r a x x x 表示借用梁号为 p nl p n x x x 的左端反力；r b x x x 表示借用梁呼为x x x 的右端反力。 整数。自然数。最大为5 。当n f = 0 时，下面 n f平面外集中荷载数 行4 i 输入数据。 实数，整数。f i 町以直接是荷载值，也町以借 f ll f l 集中荷载大小、位置 用其他梁的端反力。r a x x x 表示借用梁号为 f _ l f n x x x 的左端反力：r b x x x x 表示借用梁号为x x x 的右端反力。 整数。自然数。最大为5 。当n q - 0 时，下面 n q 均布荷载数 一行不输入数据。 q il q t ll q n 均布荷载大小、始终点实数，整数，整数。 q n l l q n l l q 矗2 t 作温度，0 表，j ：缺省值2 0 t 整数 材科，0 表不缺省值( t 孑钢 m a t 和槽钢为q 2 3 5 。h 型钢为 不问断的字符串 q 3 4 5 ，板拼为q 3 4 5 1 输入时注意事项： ( 1 ) 集中力、均布力的方向用正负号表示。力的正方向向上，负方向向下， 力偶的正方向为顺时针方向。 ( 2 ) 一根梁的数据输入完成后，依次连续输入下一根梁的数据。由于程序限 1 2 、i o v 第3 窜丁况数掰的输入 ! _ 一 i = ! , l - - l i , i i 曼曼曼量曼量曼蔓曼曼曼鼍鼍寡曼曼鼍曼曼曼皇 制，参与计算的梁根数最大为2 0 0 。 ( 3 ) 在输入集中力的时候，请按从左到右的次序输入，否则会造成借用其他 梁的梁端反力时出错。 ( 4 ) 单位说明：长度m m ；集中力t o n ，均布力t o n m ，温度。 ( 5 ) 输入完一个数据后直接空格，然后输入下一数据。 ( 6 ) 对于同一个文件，第一行的r a f i o dr a t i o l d e fe l 四个数据只需输 入一次。 3 2 数据文件的建立方法 3 。2 1 系统外建立 系统中对原始数据的调用采用文件操作的方法，即直接对文本文件进行读取 操作，所以用户可以直接在系统外部按照格式要求编辑文本文件，然后保存下来 即可。 3 2 2 交互输入建立 系统中提供了一种很直观的数据文件的建立方法，就是以人机交互的方式， 根据界面中各项的提示，进行逐个输入，然后保存。这种方式对于不熟悉文件格 式的输入方法的用户可以给予很大的帮助，因为只要逐个输入数据，完成后保存 功能会提示用户保存到系统磁盘下备用。交互输入窗口如图3 1 所示。 323 文本输入建立 豳3 - i 交互输入宙口 f i g3 - ii n t e r a c t i o ni n p u t w i n d o w 此功能也打，卜一个对话框对话框左边为输入格式模板及各符号含义，用户 可以根据格式说明及要求，在有边编辑框罩直接编辑数据文件，完成后实现保1 筝。 这种方式会在实际应用中比较常用，因为通过这种文本文件输入的方式i ，可以 一次性输 所有梁的相关数据，可以大大节约输入时蚓，提高效率。文本输入窗 口如图3 - 2 所示。 324 编辑修改 图3 - 2 文本输 窗口 f i g3 - 2t e x ti n p u tw i n d o w 考虑到在实际应用中需要对一些数据进行修改凋整，或者增加粱数据，为了 方便这种需要，系统设计了打丌编辑功能，可以直接打开所要编辑修改的文本文 件并在主界面内显示，用户可以直接对其进行修改，完成后保存i ”2i 。如幽 3 - 3 所示。 33 本章小节 图3 - 3 打开编辑窗口 f i g3 - 3 0 p e na n de d i t w i n d o w 本章主要介绍了整个系统中的基础部分，印原始数据文件建立的问题。建立 数据文件时，必须注意一个最关键的问题即输入格式的数据结构定义，因为后面 的计算校核模块要对这个数据模块进行读取，如果输入方式有误则会导致计算 失败。此外本章还介绍了建立原始数据文件的三种方式：即系统外建立、交互 输入建立和文本输入建立。 第4 章内力计算、图形绘制及稳序实现 第4 章内力计算、图形绘制及程序实现 根据上面的方法建立数据文件后，就可以进入计算校核模块读取文件中的数 据，进行梁的内力计算、截面校核以及图形的绘制等。由于工况中有简支梁和连 续梁两种类型，其内力计算方法大不一样，所以本章将分别对其进行论述。 4 1 结构梁的力学计算方法介绍 4 。 1 结构梁的分类 结构梁主要分为静定和超静定两种，对予结构梁的内力计算有必要介绍两者 的区分。由平衡条件即可潋求出支反力及内力的结构称为静定结构，焉超静静定 结构则是指是具有多余力，仅由静力平衡条件无法求出它的全部反力及内力，必 须结合位移条件才能够补充方程，从而实现解答的唯一性1 2 2 】【2 3 】。 4 2 结构梁的计算方法 对于静定结构的计算已经早已成熟，超静定结构的传统解法为力法。由于超 静定结构的特殊性，在求解就类结构时主要考虑以下三个方面的条件。 ( 1 ) 平衡条件：结构的整体及任何一部分的受力状态都应满足其平衡方程； ( 2 ) 几何条件：也称变形条件、位移条件、协调条件、相容条件等。即结 构的变形必须符合支承约束条件( 边赛条件 和各部分之间的变形连续条件； ( 3 ) 物理条件：即变形或位移与内力之闻的物理关系。 表4 1 是对超静定结构传统计算方法的基本介绍。 从所需取的基本未知量的性质来看，计算方法可分为两大类型：以力法为代 表的力法类型：以位移法为代表麴位移法类型【2 引。力法是比较传统的结构力学求 解方法，历史比较久远，发展比较成熟。其基本方法是以超静定结构的多余求知 力为基本未知量，再根据基本结构在多余约束处与原结构位移相同的条件，建立 变形协调的力法方程，求出来知力，从褥将超静定结构的求解问题转纯成静定结 构的内力求解问题。 1 7 北京丁业大学丁学硕卜学位论文 表4 1 超静定结构的计算方法 t a b l e 4 lc a l c u l a t i o nm e t h o d so fh y p e r s t a t i cs t r u c t u r e 力法类型位移法类型 手基本形式力法位移法 靛量形式余靛法势能法 算 渐近形式( 渐近力法) 力矩分配法、羌剪力分配疆 电葬矩阵形式( 矩阵力法)矩陴位移法 4 1 3 矩阵分析方法 随着人类不断创造和使用更多更大更加复杂的超静定结构，工程的大量计算 使传统的手算算法不能够满足计算求解，于是人们相继采用计算机进行辅助求解 超静定结构。计算机编程求解超静定结构的方法主要有两类分别是矩阵力法和矩 阵位移法。它们分别为传统力法和位移法的计算机方法，又可以统称为结构的矩 阵分析方法。 矩阵力法与矩阵位移法均为计算机程序运算的方法，又分别称为柔度法和刚 度法。前者是将超静定结构的未知力作为未知量，求超静定结构在已知荷载作用 下的内力和位移；后者则是以结构的节点位移作为未知量的分析方法【2 5 】。对于一 个给定的超静定结构，在用矩阵力法求解时，由于基本结构的选取不是惟一的， 故不便于编制通用的计算机程序，而用矩阵位移法求解时，基本结构和基本未知 数都是惟一的，处理的方法也比较统一、简捷，很容易编制通用的计算机程序。 因此，本系统中在计算连续梁内力时便采用了矩阵位移法。 4 2 矩阵位移法 将位移法典型方程写成矩阵形式为【2 6 l 尉+ f p = 0 ( 4 - 1 ) 整理成标准的线性方程组的矩阵形式为 励= f( 4 2 ) 式( 4 2 ) 表示结构结点位移和结点力之间的关系，是矩阵位移法的基本方 程，称为刚度方程，置称为刚度矩阵，式( 4 1 ) 与式( 4 2 ) 揭示了矩阵位移法 与传统位移法的相通之处。 矩阵位移法的思路从数学上扩展，结合分片插值的概念，逐渐形成了一种新 型数值分析方法有限元法，并逐步推广到其他工程领域。矩阵位移法也可以 第4 鼋内力汁算、图形绘制及稃j 予实现 i i i m , , , i l l l l i,i i ! i i i j v li l l l l 鼍曼曼篡堂皇曼量鼍皇 称作杆件结构的有限元法【2 7 】。有限元法的分析要点是先离散、后集成：先将分析 问题的领域分解成若干单元( 在秆件结构中，一般把每个杆取作一个单元) ，在 每个单元上进行详细分析：然后再将这些单元按一定的条件集合成整体，形成问 题的代数方程【式( 4 2 ) 】。在分一合的过程中，把复杂结构的计算问题转化为 简单单元的分析和集合问题。因此，有限元法有两个基本步骤：一是单元分析； 一是整体分析。 在矩阵位移法中，单元分板的任务是建立单元网0 度方程，形成单元刚度矩阵； 整体分析的主要任务是将单元集合成整体，由单元刚度矩阵按照刚度集成规则形 成整体刚度矩阵，建立整体结构的位移法基本方程，进而求出解答。 4 2 。1 单元分析 在利用矩阵位移法求解平面结构梁的内力时，一般需要建立局部坐标系和整 体坐标系，但在本系统中，由于只涉及到等截面连续梁的内力计算问题，其局部 坐标系即为整体坐标系，于是可以只考虑局部坐标系下的内力计算方法。图4 1 所示为平面结构中的一个等截面赢秆单元e ，设杆长为，截面面积力么，截齑 惯性矩为，弹性模量为互。一般情况下，杆件既有弯曲变形，还有轴向变形， 两个端点各有三个位移分量( 两个移动，一个转动) ，杆件共有六个杆端位移分 量。单元的两个端点分别标上编码1 和2