（水工结构工程专业论文）平面闸门可视化CAD集成系统研究.pdf

河海大学硕二 学位论文 摘要 平面闸门是闸门最常见的形式，其设计任务繁重，出图量大。本文根据水工 金属结构c a d 研究现状，着眼于国内平面闸门的主要结构形式，借鉴了相关c a d 系统的开发经验，研制开发了一套平面闸门c a d 集成系统( p g c a d 系统) 。主 要研究内容如下： 1 、研究探讨了c a d 的系统结构；根据平面闸门的设计过程和特点，采用 集平面结构设计有限元建模施工图绘制计算说明书生成于一体的 设计方法。选用当前流行的v c 、v b 开发工具混合编程，使系统具有友好的用 户界面和高效的计算能力。 2 、依据现行的水利水电工程钢闸门设计规范、水电站机电设计手册， 综合相关的钢结构设计原理，研究了平面闸门的结构设计计算方法并研制开发了 平面闸门结构设计子系统。 3 、根据平面闸门的结构特点，在a n s y s 中建立平面钢闸门的几何模型， 系统自动生成a p d l 命令流，部分实现了闸门有限元建模自动化。 4 、探讨了平面闸门参数化绘图的程序开发技术，研究建立了水工金属结构 图形库，开发了平面闸门布置图绘制子系统，实现了平面闸门布置图的自动绘制。 5 、研究了w o r d 软件的v b 开发技术，探讨了计算设计报告的自动生成技术， 初步实现了平面钢闸门计算说明书自动生成。 关键词：平面钢闸门、集成c a d 系统、二次开发、结构设计、有限元建模、计 算说明书、参数化绘图 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep l a n eg a t ei sa d o p t e dm o s tw i d e l y , w h o s e d e s i g ni sb u r d e n s o m ea n dh e a v y a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts i t u a t i o no f t h ec a dr e s e a r c hi nh y d r a u l i cm e t a la n dt h e m a i nf o r mo ft h ep l a n eg a t e ，ai n t e g r a t i n gc a d s y s t e mi sd e v e l o p e db yr e f e r r i n gt o t h e e x p e r i e n c e o fr e l a t e dc a ds y s t e md e v e l o p m e n t t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： 1 t h i sp a p e rd i s c u s s e st h es t r u c t u r eo fc a d s y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n p r o c e s so ft h ep l a n eg a t e ，t h i sp a p e rc o m b i n e st h es t r u c t u r ed e s i g n ，s p e c i a lf e m m o d e l i n g a n dw o r k i n g d r a w i n ga n d c a l c u l a t i o n d e s c r i p t i o n i np g c a ds y s t e m d u r i n g t h ep r o g r a m m i n g ，m i x e d l a n g u a g ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yi s a p p l i e db y u s i n gt h ep r e v a l e n td e v e l o p i n gt o o l ss u c h a sv b ，v ca n ds oo n ，w h i c hm a k e s p g c a d s y s t e mb e a rf r i e n d l yi n t e r f a c ea n dh i g hc o m p u t a t i o ne f f i c i e n c y 2 a c c o r d i n gt o w a t e rr e s o u r c e sa n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n gs p e c i f i c a t i o nf o r d e s i g no f s t e e lg a t e ，m e c h - e l e c t r i cd e s i g nh a n d b o o kf o rh y d r o p o w e rs t a t i o na n dw i t h t h ec o n s i d e r a t i o no ft h er e l a t e dt h e o r i e so ns t e e ls t r u c t u r e ，t h i s p a p e rs t u d i e st h e d e s i g nm e t h o da n dc a l c u l a t i o nt h e o r i e so ft h ep l a n eg a t e o nt h eb a s i so na b o v e ，t h e p l a i ns t r u c t u r ed e s i g ns u b s y s t e m i sd e v e l o p e d 3 w i t ht h eu s i n go ft h ea p d l s t r e a m i n gb a s e do n a n s y sa n da c c o r d i n gt ot h e s p e c i a l t i e so f p l a n eg a t e ，t h eg e o m e t r ym o d e lo f p l a n eg a t ei ss e tu pa u t o m a t i c a l l y , t h e m o d e l i n g w o r ki np l a n eg a t ef e m a n a l y s i si ss e m i a u t o m a t i c 4 t h e p a r a m e t e r i z e d m e t h o do fd i s p o s i t i o n d r a w i n go ft h ep l a n eg a t e i s d i s c u s s e di nt h i sp a p e r 、矾mt h ef o u n d a t i o no ft h ee s t a b l i s h i n go fag r a p hl i b r a r yo f h y d r a u l i cm e t a l ，t h ew o r k i n gd r a w i n gs u b s y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c hr e a l i z e st h e a u t o - d i s p o s i t i o nd r a w i n g 5 t h e t e c h n o l o g y o fa u t o - c a l c u l a t i o n d e s c r i p t i o n i s d i s c u s s e d ，a n d t h e c a l c u l a t i o nd e s c r i p t i o ns u b s y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do nw o r ds o f t w a r eu s i n gv b ，s o t h ep g c a d s y s t e m i sm o r e p r a c t i c a b l e k e yw o r d s ：p l a n eg a t e ；i n t e g r a t e dc a ds y s t e m ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ；s t r u c t u r e d e s i g n a t i o n ；f e mm o d e l i n g ；c a l c u l a t i o nd e s c r i p t i o n ；d r a w i n gw i t hp a r a m e t e r i i 河海大学颀士学位论文 第一章概述 1 1 研究现状和存在问题 1 1 1 水工金属结构设计过程特点 水工金属结构的设计是设计人员根据给定的初始条件，用工程手段改变环 境，使设计结果满足特定要求所进行的智能信息处理过程，例如平面钢闸门的设 计：首先是采集原始数据闸门设计方案和要求，如门型、孔口尺寸、上下游 水位、启闭方式等；然后设计人员进行信息处理设计、结构计算、有限元分 析；最后得到信息处理结果闸门设计计算说明书、设计图纸等相关的设计文 档。 从闸门的设计过程中可以看出，设计虽然是创造性、决策性的活动，不同的 设计者也会得到不同的设计结果，但是设计结果的差别并不太大，而且相同内容 的设计活动往往有类同的设计流程，并遵循相同的设计规范。所以设计活动的创 造性受到设计流程和设计规范的约束而非常有限。例如闸门的结构计算和有限元 分析，其目的是对设计出的闸门结构的力学性能进行验证，其过程是根据给定的 公式进行逻辑推理，故可利用程序实现参数化计算；设计计算说明书生成，其目 的是将设计过程用文字记录下来，其过程是将记录设计过程的数据信息形成文档 文件，故一定程度上可利用程序实现参数化生成；绘图其目的是设计人员将最终 形成的满足设计要求的的闸门结构用线条在纸张上表达出来，完成信息处理结果 的图形化输出( 制造部门根据图纸及相关的设计文件进行加工制造) 。而分析闸 门结构的特点，闸门结构虽然千差万别，但闸门之间的本质差别只有型式的不同。 一旦闸门的型式一定，其主体结构是类似的，不同的只是部件的多少和各部分的 几何尺寸而已，故可利用程序实现参数化绘图；对于闸门的非标准结构，由于其 特异性，程序很难实现，宣由设计人员手工完成。根据以上分析可以发现：水工 钢结构的设计( 信息处理) 过程虽然具有一定的创造性和决策性，但它的主要工 作是一个逻辑推演过程，具有很强的规律性和例程性。所以设计的主要工作可由 程序来实现。对于程序能做的事就由程序去做，对于程序不便做的事就由设计人 员去做，从而使设计人员从一些简单重复繁重机械的劳动中解脱出来，发挥人的 主观能动性，更好地从事设计中的研究活动( 当然，这又将引发设计人员角色重 新定位的问题) ，同时，也提高了设计的效率与质量，或许这就是进行水工金属 结构c a d 研究开发的意义所在。 河海大学硕士学位论文 1 1 2 国内外水工金属结构c a d 技术应用状况 计算机辅助设计技术即c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 技术，就是利用计算机 系统辅助工程的设计、修改、分析、优化和绘图等。c a d 技术作为设计与绘图 技术的一场革命，始于5 0 年代后期，发展至今己经非常成熟。应用ca d 技术 能极大地提高设计速度和设计质量，并使设计人员从繁重重复的劳动中解放出 来，去从事创造性、决策性的工作，所以c a d 技术被广泛应用于航空、航天、 汽车、造船、机械、轻工、纺织、电子、电器、建筑和工程设计等领域，成为工 业发达国家制造业保持竞争优势、开拓市场的熏要手段。发达国家在机械零部件 ( 如齿轮、轴、轴承等) 的设计方面，采用c a d c a m ( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t o r y ) 技术已是很普遍。在国外，闸门和启闭机 的零部件设计采用c a d 技术，己很成熟。但是能够反映水利水电工程特点的闸 门和启闭机c a d 系统、成熟的专用软件，至今还未见到【l j 。 我国c a d 技术的研究和开发工作起步相对较晚，自8 0 年代开始，c a d 技术 彳进入实际开发和应用阶段，各种图形工作站和图形支撑软件的引进，为绘图系 统的开发提供了基本条件，c a d 技术在我国才得以较快地发展起来。8 0 年代末 以来，水工金属结构c a d 技术在开发、应用、普及各方面取得了一定的进展， 尤其是一些设计研究单位的专业人员单独或与计算机专业人员配合，结合本专业 特点相继开发了一些应用软件，并在专业设计中初步应用，例如【2 j ，分析计算软 件有：湖北院的“面板计算，结构设计计算”、上海院的“结构计算”、河海大学 的“空间水工薄壁结构程序t w s a p ”、华东院的“结构布置，内力分析计算” 等软件：绘图软件有：上海院的“弧门c a d 集成系统”、吉林院的“平面闸门 c a d 集成系统”、武汉水利电力大学的“水工金属结构绘图系统”等软件。这些 软件在水利水电工程设计中取得了一定的经济效益，但也存在一些问题：( 1 ) 由 于开发平台和开发工具的限制，这些软件大都没有友好的用户界面，不具备参数 化设计功能；( 2 ) 在整个闸门的设计、计算、绘图过程中所涉及到的数据信息的 组织管理不是很理想；( 3 ) 软件功能集成度不高。如果设计、计算、绘图相分离， 没有实现一体化集成，则不是真正意义上的计算机辅助设计软件，自然也未充分 发挥c a d 的强大作用；( 4 ) 没有利用有限元方法进行分析和优化。总之，国内 水利设计单位均严重缺乏比较完善的、适用于水工金属结构设计特点的、能在本 行业推广应用的大中型水工金属结构专业应用软件。现在水利设计单位纷纷改 制，面对日益激烈的竞争和快速变化的市场，利用一体化集成软件提高设计的自 动化无疑是提高效益的重要途径，所以有必要在这方面作进一步的研究开发。 河海大学硕士学位论文 1 2p g c a d 软件开发的目标、意义、内容 1 2 1 目标和意义 研究闸门的型式和设计过程，掌握a u t o c a d 、w o r d 、a n s y s 等软件的使用 和二次开发技术，研究一体化集成软件开发方法，在此基础上进行平面钢闸门 c a d 一体化集成软件的开发。通过后续的维护工作增强软件的实用性，从而： ( 1 ) 提高平面钢闸门的设计效率，使设计人员从一些简单重复繁重机械的劳动中 解脱出来，更好的从事创造性、决策性的设计活动；( 2 ) 提高我国水工金属结构 的设计手段、设计质量与设计效率：( 3 ) 促进水工金属结构c a d 技术的发展。 1 2 2 内容 ( 1 ) 调研平面闸门结构形式，使软件具有更好的通用性、实用性。 ( 2 ) 调研平面闸门设计过程，以求开发出来的软件能更好的符合设计人员的 工作习惯。 ( 3 ) 研究平面闸门c a d 计算分析绘图一体化集成软件的开发技术：发现并 解决闸门c a d 集成中遇到的各种问题：构造一体化集成软件的总体框架模型结 构。 ( 4 ) 进行平面闸门c a d 计算一分析一绘图一计算说明书一体化集成软件的 开发。 1 3 本论文所做工作 ( 1 ) 调研、查阅有关资料信息，了解毽内外c a d 技术发展状况和水工金属结 构c a d 的研究现状，对目前闸门c a d 研究开发及应用现状进行了分析，拟定了 本文的目标及工作内容。 ( 2 ) 探讨了平面闸f - jc a d 软件研制中遇到的几个问题：软件实用性的问题、 软件开发工程化的问题、系统集成的问题、有限元分析自动化的问题、设计计算 书自动生成的问题，并给出了相应的解决方法或途径。根据平面闸门设计过程特 点确定平面闸门c a d 系统的内容和结构，选用合适的开发工具和开发平台。 ( 3 ) 在以上工作的基础上，构建了平面闸门c a d 一体化集成软件的总体框 架模型，掌握了将闸门设计中的计算、有限元建模、绘图、计算说明书自动生成、 工程项目管理等活动实现一体化集成的方法。 ( 4 ) 进行了平面闸门c a d 一体化集成软件的开发工作，目前该软件能实现 以下功能： 河海大学硕士学位论文 1 1 结构设计计算的功能：能就双主梁和多主梁平面闸门进行设计计算，完 成闸门原始数据的输入、闸门材料及允许应力的选定、闸门荷载计算、次梁设计 计算、主梁和边梁设计计算等任务。 2 、自动建立闸门几何模型的功能：在a n s y s 平台用命令流生成闸门几何 模型。 3 ) 图纸绘制功能：在a u t o c a d 平台上进行二次开发，设计计算结束后自动 完成平面闸门结构图总布置图的参数化绘制( 包括主要尺寸的标注) 。 4 1 计算说明书自动生成功能：在w o r d 平台上进行二次开发，设计计算结束 后能初步实现自动生成文字形式的计算书文件( d o c 格式) ，目前能完成计算书 的基础部分文档的自动生成。 5 ) 工程数据信息组织管理功能：通过对平面闸门c a d 中数据及数据流的分 析，归纳出了闸门数据信息分层结构，结合数据库技术，确定了平面闸门c a d 工程数据信息的管理结构，并完成建库工作。 6 ) 工程项目管理功能：对各工程项目的数据信息进行管理，能完成工程项 目的新建、打开、保存、另存、删除和退出等操作，实现了对p g c a d 工程数据 库中数据信息的访问、存储、删除等管理功能。 7 ) 一体化集成的功能：以平面闸门c a d 工程数据库为核心，实现了以上功 能的一体化集成。 ( 5 ) 对论文工作进行总结，就本论文的后续工作提出了几点想法。 河海大学硕士学位论文 第二章平面钢闸门结构设计方法 平面闸门是一个复杂的空间结构，但目前国内一般按照平面结构方法进行设 计。而软件只有与实际设计情况相符才有良好的实用性，所以p g c a d 软件的闸 门设计计算模块也遵循这一方法。闸门设计计算方法以现行的水利水电钢闸门 设计规范d l t5 0 3 9 9 5 为依据。 2 1 平面钢闸门的组成和结构布置3 1 1 4 1 2 1 1 闸门的组成 平面钢闸门是由活动的门叶结构、埋固件和启闭机械三部份组成。 ( 1 ) 门叶结构的组成 门叶结构是用来封闭和开启孔口的活动挡水结构，主要由承重结构、行走支 承及止水和吊具等组成。 ( 2 ) 埋固构件 平面闸门的埋设部件一般包括：1 ) 主轮或主滑块的轨道，简称主轨；2 ) 侧轮 和反轮轨道，简称侧轨和反轨；3 ) 止水埋件；4 ) 门槽护角、护面和底槛。 由上述的结构组成可以知道，挡水时闸门所承受的水压力是沿着下列路径传 递到闸墩上去的：面板一次梁一横隔板一主梁一边梁一行走支承一闸墩。熟悉闸 门结构的传力路径，有助于掌握各种构件的受力情况和正确确定各承重构件的计 算简图。 ( 3 ) 闸门的启闭机构 常用的闸门启闭机有卷扬式、螺杆式和液压式三种。 2 1 2 平面钢闸门的结构布置 ( i ) 主梁的布置 1 ) 主梁的数目：主梁是闸门的主要承重构件，它的数目取决于闸门的尺寸 和水头的大小。平面钢闸门按主梁数目可以分为双主梁式和多主梁式。当闸门的 跨度l 比门高h 大时，宣采用双主梁；而当闸门的高度比跨度大对，则宜采用 多主梁。这两种型式的适用范围并无绝对的界限，建议当l i 2 h 时采用双主梁。 双主梁式平面闸门结构简单，受力明确，制造和安装也比较省工。在大跨度的露 顶式闸门中常采用双主梁。 河海大学硕士学位论文 2 ) 主梁位置的布置：对主梁间距的布置应考虑下列因素：主梁宜按等荷载 原则布置，这样每根主梁所需的截面尺寸相同，便于制造；主梁间距应适应制造、 运输和安装的条件；主梁间距应满足行走支承布置的要求；底主梁到底止水的距 离应符合底缘布置的要求。对于实腹式主梁的工作闸门和事故闸门，一般应使底 主梁的下翼缘到底止水边缘的连线的倾角不小于3 0 。，以免启门时水流冲击底 主梁和在底主梁下方产生负压，而导致闸门振动。当闸门支承在非水平底槛上时， 其夹角可适当增减。当不能满足3 0 。要求时，应对门底部采取补气措施。对于 部分利用水柱的平面钢闸门，上游倾角不应小于4 5 。，宜采用6 0 。，见图2 1 。 双主梁闸门的主梁位置应对称于静水压力合力p 的作用线，在满足上述底缘 布置要求的前提下，两主梁的间距b 值应尽量放大些，并注意上主梁到门顶的距 离c 不宜过大，一般不超过0 4 5 h ，且不宜大于3 6 m 。以减小竖向联结系的上 悬臂高度，并保证其有足够的刚度，见图2 2 。 4 5 。 h 一 、， 一6 0 。，、b i i o 未3 j!【!1一 ：霁7 j 图2 1 闸门底缘的布置图2 2 双主梁闸门的主梁布置 多主梁式闸门的主梁位置，可根据各主梁等荷载的原则来确定。等荷载方法 就是将面板上所承受的水压力图形( - - 角形或梯形) 按主梁的数目n 分成面积相 等的几等份，然后，将主梁布置在各等分面积的形心处，同时考虑主梁间距的允 许范围须小于3 2 米。具体做法有图解法和数解法两种。图解法比较繁琐，下面 介绍公式法【3 】： 、 假定水面至门底的距离为h ，主梁的数目为n ，第k ( k - - i ，2 ，n ) 根主梁至 水面的距离为y k ，对于露顶门( 图2 - 3 ( a ) ) 有 y k ：华一( k - 1 ) ”】 2 1 j 、以 对于潜：e l f ( 图2 - 3 ( b ) ) 有 y 。：兽【( k + 肌) ”一( k + m - 1 ) ”】 2 2 灯懈 亨 河海大学顿士学位论文 式中m = 万等，a 是水面到门顶止水的距离。 在实际工程中，由于考虑其他因素，主梁的位置在按上述等荷载原则确定后， 常需稍加调整，以至各主梁的荷载不一定完全相等。当差别不大时，一般仍可按 等荷载设计，各主梁截面取决于其中荷载最大者；当荷载相差较大时，则需分别 进行设计。 一t _ t 一一t i 三二-。1 rt 一1 1r 、 - i 瞄l | l 一：i；。1 巴、! i ! ； “ 一 hl；1 】： = 、 i 一j ， l 一 一l 一 一 【 i ，一一_ l 、，j ( a )( b ) 图2 - 3 主梁闸门( a ) 露顶闸门( b ) 潜孔闸门 ( 2 ) 梁格的布置型式 梁格的布置应考虑钢面板厚度的经济合理性和梁格制造省工等要求，尽量使 面板各区格的计算厚度接近相等，并便面板与梁格的总用钢量尽可能少。根据闸 门跨度的大小，可以将闸门梁格的布置分为以下三种型式。 1 ) 简式梁格 在主梁之间不设次梁，面板直接支承在主梁上，面板上的水压力直接通过主 粱传给两侧的边梁。简式梁格制造省工，传力简捷，但主粱间距较大时需要较厚 的面板，故仅适用于跨度较小而门高较大的闸门。 2 ) 普通式梁格 当闸门的跨度较大时，主梁间距将随之增大。为了减小面板厚度，可在主粱 之间布置竖直次粱，来增加对面板的支承，这时闸门面板所受的水压力，将先通 过次梁传给主梁，然后再传给支承边梁。 3 ) 复式梁格 当主梁的跨度和间距更大时，为了便面板仍能保持经济合理的厚度，宜在竖 直次梁之间再设置水平次粱。这种复式梁格适用于跨度较大的露顶闸门。 为了充分利用钢面板的强度，梁格布置时宜采用面板区格的长短边之比大于 1 5 ，并将长边布置在沿主梁轴线方向。为使各区格面板的计算厚度相接近，水 平次梁的间距应随水压力的变化布置成上疏下密，其间距一般为4 0 1 2 0 c m 。竖 一 ， 一 气 - | 河海大学硕士学位论文 立次梁通常按等间距布置，并需与主梁和竖向联结系的型式和布置相配合。当竖 向联结系采用隔板时，隔板可兼作竖立次梁，通常不需再设竖立次梁。当竖向联 结系采用桁架式时，其上弦杆就由竖立次梁兼作。 ( 3 ) 粱格的连接型式 梁格的连接型式有如下三种型式： 1 ) 齐平连接：水平次梁、竖宜次梁与主梁的上翼缘齐平于面板且与面板直 接连接。这种连接形式的优点是：梁格与面板形成刚强的整体，可以把部分面板 作为梁截面的一部分，以减少梁格的用钢量；面板为四边支承，受力条件好。这 种连接的缺点：水平次梁遇到竖直次梁时需要切断再与竖直次梁联结。因此，构 件多，接头多，制造费工。 2 ) 降低连接：主梁与水平次梁直接与面板相连，而竖直次粱则离开面板降 低到水平次梁下游，使水平次梁可以在面板与竖直次梁之间穿过而成为连续梁。 此时，面板和水平次梁都可以看作主梁截面的一部分，参加主梁的抗弯工作。 3 ) 横隔板兼作竖立次梁式：实际上是齐平连接的一种特殊形式，由于隔板 截面尺寸较大且强度富余较多，故可以在隔板上预留开孔，使水平次梁直接从孔 中穿过并直接联结于孔壁，使水平次梁成为连续梁，从而改善了次梁的受力条件， 简化接头的构造。 现在绝大多数的金属闸门都采用第3 种连接方式，p g c a d 软件设计计算子模 块的梁格连接设计仅考虑此连接方式。 2 2 平面钢闸门的结构设计嘲【4 1 2 2 1 面板设计 面板支承在梁系组成的矩形区格上，一方面直接承受水压力，本身发生挠曲 变形产生局部压应力盯。、盯。，：另一方面它又作为主梁的上翼缘参与主梁的整 体弯曲，产生与主梁轴线一致的整体弯曲压应力盯。、吒，。故面板上下游面的 轴向应力仃，为上述两部分的代数和。由于主梁整体弯曲产生的盯。很小，可忽略 不计。见图2 - 4 面板计算公式各国不同，常用的公式主要有巴赫( b a c h ) 公式、韦斯脱加特 ( w e s t e r g u a r d ) 公式，国内主要采用水利水电钢闸门设计规范规定的面板计 算公式。 ( 1 ) 面板厚度的初估设计( 图2 5 ) i i f 海大学硕士学位论文 四边固定的面板在均布荷载作用下，在长边中点a 处的局部弯应力为最大， 计算公式为： o - 。= 枷2 t 2 2 - - 3 式中，k 为四边固定矩形弹性薄板在支承长边中点的弯应力系数，可查表； h 为区格中心的水头( m ) ：a 、b 分别为面板区格的短边和长边的长度( 从面板与 主( 次) 梁的连接焊缝算起) ，单位为m i l l 。 根据强度条件盯d b 】，可得面板厚度： m 户】( m m ) 2 4 式中，口为弹塑性调整系数，当b a 3 时，口= 1 6 5 ；当b a 3 时，a = 1 5 5 ； p 为钢材的抗弯容许应力，以n m m 2 计。 ，b bpd ，广一一_ ，了 竖 f，竖 直 ， l 直 次 溃8 粱7 ，l 粱 l 7 一_ 一j 水平栗 图2 - 4 面板应力方向示意图图2 5 四边固定支承面板 ( 2 ) 面板兼作主( 次) 梁翼缘的有效宽度计算 有效宽度b 按以下几种情况选定： 1 ) 对于简支梁或连续粱中正弯矩段，可按下式计算有效宽度，并取其中较 小值； b = 孝，b b 6 0 8 + b i ( q 2 3 5 钢) 或b 5 0 8 + b l ( 1 6 锰钢) 2 - - 5 式中，b 为相邻主次梁间距的平均值； i 为有效宽度系数；b ，为梁肋宽度， 当梁另有上翼缘时，为该上翼缘宽度；6 为面板厚度。 2 ) 对于连续梁中负弯矩段或悬臂段，面板的有效宽度应按下式取用： 占= 善：66 ：毕 2 6 a 丁训1i上 河海大学硕士学位论文 式中，6 为相邻主、次梁的间距平均值；酋为有效宽度系数； 2 2 2 次梁设计 水平次梁按支承在隔板、受均布荷载的多跨连续梁计算。作用在面板上的水 压力平均分配给相邻的两个横梁。这就是我们常说的荷载分配的相邻横梁间距之 半法。隔板和水平次梁的交点简化为铰支座。其设计步骤如下： ( 1 ) 采用多跨连续梁计算方法求得次梁的内力( 弯矩m 和剪力q ) 。 ( 2 ) 根据晟大弯矩求出次梁所需的截面抵抗矩( w 兰辞) ，根据求出的w p j 从型钢表中选取型钢，查取截面特性，进行强度验算，并对所选规格进行调整， 使应力在允许范围内 弯曲应力：盯= 等b 】剪应力：r = 西q s 】 式中，q 为所验算截面的剪力；i 为毛截面对中和轴的惯性矩；s 为所验算 剪应力处一侧毛截面面积对中和轴的面积矩：6 为腹板的厚度； o 为钢材的抗 弯容许应力；m 为钢材的抗剪容许应力； ( 3 ) 按结构力学求出挠度，公式如下： 撬霞f = l c q l 4f e i 式中，e 为材料的弹性模量；i 为计算截面的惯性矩。k 通过查表求得，l 为 跨度：q 为荷载强度。并要求：k 驴】，对于一般次梁其许可挠度f 门：上。 2 2 3 主梁设计 ( 1 ) 主梁的形式：主梁是平面钢闸门中的主要承重构件，根据闸门的跨度和 水头大小，主梁的形式有实腹式和桁架式之分。小跨度低水头的小型闸门，主粱 可以采用型钢；对于中等跨度( 5 1 0 r e ) 的闸门常采用实腹式组合梁。为缩小门槽 宽度和节约钢材，也常采用变高度的主梁。闸门主梁的形式主要是变高度的实腹 式组合梁。 ( 2 ) 主梁的荷载和计算简图 主梁承受面板直接传来的分布水压力和竖直次梁传来的集中荷载。当主粱为 实腹梁时，为计算方便起见，可将主梁上的作用荷载近似地换算为均布荷载计算 ( 图2 - 6 右) ，误差很小。当主梁按照等荷载原则布置时，每根主梁的均布荷载 河海大学硕士学位论文 集度为 q = p i n ( k n m ) 式中p 闸门单位跨度上作用的总水压力( k n m ) ； n 主梁的数目。 如果主粱不是按等荷载布置，则可近似取相邻间距和之半法，求出各主粱的荷载， 最后按受载最大的主梁进行设计。 主梁的计算简图如图2 - 6 右上所示。其计算跨度l 为闸门行走支承中心线之间的 距离，即： l = l o 士2 d 式中l o 闸门孔口宽度； d 一一行走支承中心线到闸墩侧壁的距离，根据跨度和水头的大小，一般取 0 1 5 0 4 m 。 主梁的荷载跨度l 。等于两侧止水之间的距离。当侧止水布置在闸门的下游面 而面板设在上游面时，还要考虑闸门侧向水压力对主梁产生的轴向压力。计算简 图如图2 - 6 右下，此时主梁应按压弯构件设计。 图2 - 6 主梁受力简图 ( 3 ) 主梁设计步骤： 1 ) 截面选择：对于钢闸门主梁面言，除主要承受水压力产生的弯矩外，其 下翼缘还兼作门背联结系( 或称起重桁架) 的弦杆，还需承受一部分门重产生的 应力，故在选择主梁截面时需先考虑门重的影响，而将容许应力【a 】乘以0 9 ，然 后根据主梁的最大弯矩m 。计算主梁需要的截面模量w 。再根据下列有关公式 及强度、刚度和稳定性等综合要求初选截面。 河海大学硕士学位论文 h m m = 。9 6 。2 3 陋o - z 可 矗“3 一, 1 w w 5 2 7 f 。= 4 h 1 l ( c m ) a = w _ 1 6 f 。 上列各式中符号的意义： h m i n 刚度要求的最小梁高； 1 e 。经济高度； t 。腹板厚度； a 所需截面面积。 面板参加主梁工作：当主梁直接与钢面板相连时，部分面板可作为主梁 上翼缘的一部分参加其抗弯工作。面板可被利用的有效宽度与水平次梁中的规定 基本相同，可按下列两式计算结果的较小值取用： b 6 + 2 c ，b = 盏6 2 8 ( 4 ) 面板参加主( 次) 梁整体弯曲时的强度验算 面板是支承在梁格上的弹性薄板，在静水压力作用下，面板的应力由两部分 组成：一是局部弯应力，即矩形薄板本身的弯应力；一是整体弯应力，即面板兼 作主( 次) 梁翼缘参加梁系弯曲的整体弯应力。应力的控制点一般是在支承长边 中点，即最大主应力即等于垂直于主梁轴线方向的局部弯应力。故在按上式选出 面板厚度并在主梁截面选定后，考虑到面板为双向受力状态，应按强度理论对折 算应力进行验算。 1 ) 当面板的边长比b a 1 5 ，且长边沿主梁轴线方向时，只须按下式验算 面板a 点在上游面的折算应力。如图2 7 。 盯。= 盯毒+ ( 盯。一) 2 一盯。p 。一) s 1 1 c t c r 】 2 - - 9 式中，1 7 。= k ，q a 2 t2 垂直于主( 次) 梁轴线方向、面板区格的支承长边中 点上游面的局部弯曲拉应力； 叮。= 盯。，面板区格沿主( 次) 梁轴线方向的局部弯曲拉应力，其中_ 为泊 松比，取1 1 = o _ 3 ； 盯。对应于面板验算点的主( 次) 梁上翼缘的整体弯曲压应力；k ，为支承长 边中点弯应力系数。 k 、。支承长边中点的弯应力系数，可查表； 1 2 河海大学硕士学位论文 g 面板计算区格中心的水压强度 a 。、o 。、d j 。均而带符号n a主梁轴线 j h h 一 盯w ( 盯一一： 帕 1 主粱油线 a 图2 - 8 2 ) 当面板的边长比b m 1 5 或面板长边方向与主( 次) 梁轴线方向垂直时 还需按下式验算b 点下游面在同号平面应力状态下的折算应力，如图2 8 。 盯曲= 盯南+ ( 盯附+ 盯甜) 2 一盯掣p 删+ 盯茁) 1 1 d p 】 2 1 0 式中，仃。= 物d 2 t 2 面板沿主梁轴线方向的局部弯曲应力 仃，。= 盯。面板垂直主梁轴线方向的局部弯曲应力，取0 3 。 f 。对应于验算点主梁上翼缘的整体弯曲应力 ( 5 ) 主梁刚度验算 受弯构件，应验算其挠度。最大挠度与计算跨度之比，不应超过下列数值： 1 ) 潜孔式工作闸门和事故闸门的主梁1 7 5 0 2 ) 露顶式工作闸门和事故闸门的主梁1 6 0 0 3 ) 检修闸门和拦污栅的主梁1 5 0 0 2 2 4 横隔板和门背联结系设计 ( 1 ) 横隔板设计 横隔板的作用是：承受次梁( 包括顶、底梁) 传来的水压力，并将它传给主梁。 当水位变更等原因而引起各主梁的受力不均时，横隔板可以均衡主梁的受力并且 保证闸门横截面的刚度。 实腹式隔板支承在主梁上，承受面板和次梁传来的水压力，计算时，为简便 起见可将作用在其上的集中荷载和分布荷载( 图2 - 9 ( a ) ) 用三角形( 露顶门) 一 。 一 酏 河海大学硕士学位论文 或梯形的分布荷载( 潜孔闸门) 代替，这样，对于双主梁式闸门隔板即为受三角 形( 图2 - 9 ( b ) ) 或梯形水压力双悬梁。 ，_ i ，刮、i 粱 目 图2 - 9 横隔板的计算简图 ( 2 ) 门背联结系 门背联结系( 又称门背联接系或起重桁架) 位于闸门各主梁下翼缘之间的竖 平面内。它的主要作用是：承受闸门上的竖向力( 闸门的自重、门顶的水柱重以 及门底的下吸力等) ：保证闸门在竖向平面内的刚度；另外与主梁构成封闭的空 间体系以承受偶然的作用力对闸门引起的扭矩。 2 2 5 边梁设计 边梁是位于闸门两边并支承在滑块或滚轮等行走支承上的竖向梁，它主要承 受由主梁等水平梁传来的水压力产生的弯矩，以及由门背联结系和吊耳传来的门 重和启门力等竖向力产生的拉力或压力。边梁所受的荷载一般有：主梁和水平次 梁( 包括顶、底梁) 的边跨传来的水压力，行走支承的反力：在竖直方向有闸门自 重，启闭闸门时支承和止水与埋固构件之间的摩阻力，门底过水时的下吸力，有 时还有门顶水柱压力。以及作用在边梁顶端吊耳上的启门力等。 一：。予毫葶 河海大学硕士学位论文 第三章p g c a d 软件开发的几个问题的探讨 3 1 软件工程方法 计算机软件是与计算机相伴而生的，经过几十年的发展，今天的软件越来越 显得复杂化和大型化，而用户对软件的功能和质量的要求也越来越高。软件需求 的变化和软件产品本身的特殊性使得软件开发曰益需要运用系统工程的方法，这 就是软件工程。软件工程使软件得以工程化开发，大大提高了软件的质量，按照 它的原则和方法进行开发的软件具有较好的结构性、清晰性和可扩充性。 以下就p g c a d 软件的研究开发中如何遵循软件工程化过程的原则和方法， 提高软件生产效率和软件质量的问题进行简单探讨。 3 i 1 软件生存期模型 软件有一个孕育、诞生、成长、成熟、衰亡的生存过程称为软件的生存期。 传统的软件生存周期分为六个步骤1 5 】，即制定计划、需求分析、软件设计、程序 编码、测试及运行维护。 制定计划是要确定开发软件系统的总目标，给出它的功能、性能、可靠性以 及接口等方面的要求。需求分析和定义是对待开发软件提出的需求进行分析并给 出详细的定义，然后编写出软件需求说明书。软件设计是软件工程的技术核一t l , ， 这一步要把已经确定的各项需求转换成意义明确的模块化体系结构，即所谓概要 设计。程序编码是把软件设计用计算机程序设计语言来表达，即编写源程序。测 试是在设计测试用例的基础上检验软件的各个组成部分，这是保证软件质量的重 要手段。软件维护是为了修正软件在运行中出现的错误或增强软件的功能。 软件生存期模型是对上述六个步骤之间衔接的直观图示表达。到现在为止， 已经提出了多种软件生存期模型。最早出现的软件开发模型是1 9 7 0 年r o y c e 提 出的瀑布模型忙】( w a t e r f a l lm o d e l ) ，该模型给出了固定顺序，从上一阶段向下一 阶段过渡，如同流水下泻，最终得出所开发的软件产品，投入使用。见图3 一l 。 这是典型的基于串行思想的传统的产品开发模型。但实践证明，上述各项活动之 间并非完全是自上而下的线性图式，因此这种模型常常造成设计修改大循环，严 重影响软件的上市时间( t ) 、质量( m ) 和成本( c ) 。 河海大学硕士学位论文 图3 1 软件生存期的瀑布模型 为弥补瀑布模型的不足，近十年来又提出了许多其它模型，如演化模型、喷 泉模型、螺旋模型、智能模型等。1 9 8 6 年夏，美国国防部防御分析研究所( t h e i n s t i t u t ef o rd e f e n s ea n a l y s e s ：i d a ) 提出了“并行工程”( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ： c e ) 的概念并将其解释为对产品及其下游的生产和支持过程进行并行一体化设 计的系统方法。 软件开发也可借鉴“并行工程”这一思想来构建开发模型。例如“反复的累 增的并用雏形法”的软件生存期模型 6 1 ，如图3 2 所示。“反复是在进行过程中 把某一阶段的经验反馈到前一阶段去，将其中要办的事项进行修改和求精，使待 制系统更能符合要求。累增是指在分析、设计及实现反复进行的每一轮中，把经 过检查( 及) 或测试而符合要求的中间结果肯定下来，逐步完善，最后研制出完 全符合用户真正要求的整个系统来。” 反 复 与 累 增 图3 2 反复的累增的并用雏形法的生命周期 分析图3 - 2 ，图中右半部分的“反复与累增”反映出了并行工程思想与传统 软件生存周期过程的有机结合；此外，该模型中还提出了雏形法这一开发方法( 见 图3 2 左半部) 。在进行软件系统研制的初期，用户往往难以提出完全、准确的 矽 i 丁；上 河海大学硕士学位论文 使用要求，软件开发人员也难以制定出明确的用户需求分析报告，采用雏形法， 可快速建立与评价一系列的雏形，而不一定要严格完全遵循一套完善的步骤，从 而帮助软件开发人员更好她完成分析、设计阶段的工作。 闸门c a d 软件的开发活动己进行了多年，积累了一定的成果，可以以此为 基础建立起p g c a d 一体化集成软件的雏形；传统的软件生存周期过程使用了多 年，有一定的生命力；借鉴制造业并行工程的产品开发模型来指导软件开发。图 3 2 这一模型正好涵盖了以上各个方面，故借用这一软件生存期模型。 3 1 2 软件工程的基本目标 软件工程包括三个要素 5 1 ：方法、工具和过程。软件工程方法为软件开发提 供了“如何做”的技术，它包括项目计划与估算、软件系统需求分析、数据结构、 系统总体结构的设计、算法过程的设计等。软件工具为软件工程方法提供了软件 支撑环境，如微软的v i s i o 软件。软件工程的过程则是把软件工程的方法和工具 综合起来以达到合理、及时地开发计算机软件地目的。 软件工程项目的基本目标是【5 】：付出较低的开发成本；达到要求的软件功能； 取得较好的软件性能；开发的软件易于移植；需要较低的维护费用：能按时完成 开发工作，及时交付使用。当然，以上目标有的是彼此互斥的，要同时实现很难， 只能取一个最佳总体目标。图3 3 是目标之间的关系。 图3 - 3 软件工程目标之间的关系 3 1 3 面向对象方法1 7 l 软件开发方法是指软件开发过程所遵循的方法和步骤，与软件开发模型并不 是一一配对的关系，与软件生存周期也不是同一概念。通常使用的软件开发方法 针对全局的有结构化开发方法、面向数据结构方法、面向对象方法、形式化方法 等：针对某一阶段属于局部的软件开发方法有模块化开发方法等，对这些方法我 河海大学硕士学位论文 们在实际开发中予以灵活采用。 p g c a d 软件主要采用面向对象方法。面向对象方法是吸收了软件工程领域 有益的概念和有效的方法而发展起来的一种软件开发方法。从根本上讲，面向对 象的基本思想是1 7 】：从现实世界中客观存在的事物( 对象) 出发来构造系统，并 在系统构造中尽可能地运用人类的自然思维方式。这种方法集抽象性、封装性、 继承性和多态性于一体，易于实现模块化、可复用、易维护、易扩充的程序。所 以它是一个有全新概念的软件开发模式，其特点是：它是对对软件开发过程所有 阶段进行综合考虑而得到的：从生存期的一个阶段到下一个阶段所使用的方法和 技术具有高度的连续性；它将面向对象分析( o o a ) 、面向对象设计( o o d ) 、面