（水工结构工程专业论文）无帷墙人字门船闸闸首结构计算系统的开发与应用.pdf

学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工作的同事 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。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 熟窒盔垒 砂客年6 月 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生 院办理。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 橥宇慢 加矽年彳 月日 河海大学硕上学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 随着计算机技术的不断发展，a u t o c a d 、p r o e n g i n e e r 等优秀的软件在机械、 电子、航空、汽车、服装、建筑等行业得到了广泛应用【i 】。这些软件不但在产品 几何造型、运动分析、计算分析、数控编程以及绘图方面的功能很强，而且提供 了二次开发接口，如果能有效地对这些软件进行二次开发，将进一步提高它们的 实用性和应用效果【2 l 。 近年来我国c a d 技术得到迅猛发展，水工结构c a d 技术的开发应用也已经 取得了一定进展，一些设计院开发了专门的水利工程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【3 l ，华东勘测设计研究院开发的重力 坝c a d 系统【4 l ，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【5 1 、天津勘测设计研究院的厂房c a d 【6 1 ，这些软件都在水工结构设计 中发挥了很大的作用，但它们在功能、应用范围、人机接口界面( g u i ) 等方面仍 然存在着一定的不足，应用受到很大的限制【_ 7 1 。 水利工程计算机辅助设计软件发展缓慢，基本上还在使用比较传统的设计 方法，究其原因，主要有以下几点：1 ) 水利行业软件适用面窄，从业人员相对较少； 2 ) 水利工程建筑物的尺寸、形状等受地形地质条件影响较大，很难进行软件开发； 3 ) 软件设计周期长，难以在短期内产生高额的回报【8 】。因此，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的结构或构件进行软件开发，例如单 独进行重力坝、水电站、船闸等设计系统的开发，这样既降低了设计难度，也缩 短了设计周期l 引。 船闸作为船舶克服航道水位落差的一种通航建筑物，是极其重要的航运交通 设施，在交通运输业中发挥着不可估量的作用。而船闸设计涵盖水利工程的各个 方面，设计过程相当复杂，耗时耗力，是一项系统复杂的工作。因此，编写一套 系统的、具有良好使用界面的船闸结构计算软件不仅是必要的，而且具有巨大的 实用价值和社会意义。 本研究工作针对船闸闸首结构进行三维参数化设计及可视化研究的尝试，旨 第一章绪论 在应用三维可视化技术进行闸首结构的参数化设计与建模，实现闸首建模可视 化，并在此基础上，利用现有的通用有限元软件，进行闸首的有限元分析以及内 力计算。 1 2 论文的研究意义 1 2 1 船闸概述 1 2 1 1 船闸简介及工作原理 船闸是供船舶顺利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一种通航建筑物。现代的船闸主要由闸室、闸首和弓 航道三部分组成，如图1 1 所示。 上游引航道 厂弋一 i 一 8 一。一i 、_ j、游引航道 j 1 一 闸室 图1 1 船闸平面示意图 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，通过输水设备使闸室内水位下降，以帮助船舶克服集中水位落差。 在闸室内一般设有护木、系船环、系船桩、水尺、铁梯等，有时在闸室墙或闸室 底板内设有输水廊道。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。 闸首是将闸室与上、下游引航道隔开的挡水及泄水建筑物。在多级船闸中 则用中间闸首将上下闸室相隔开。其中，位于上游端的称为上闸首，位于下游端 的称为下闸首。在闸首内设有工作闸门、输水系统与门、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。启闭机械是用来启闭工作阀门和输水阀门的。 引航道是连接船闸闸首与主航道的一段航道，其作用是保证船舶迅速而安全 地从闸室到主航道( 或相反地从主航道进入闸室) 。与上闸首相接的称为上游引 2 河海大学硕上学位论文 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。 船舶过闸时，由闸首、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升到上游水面，或由上游水面降至下 游水面，从而完成过坝作业，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；另外，船闸尺度可以按照过闸船舶的需要而定，能够做 到船队原队次过闸，故为国内外所广泛采用。 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，打开上闸门，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【lo l 。 上闸门 下闸门 上游水位 一 ， ， 可r 1 r - 1 7 乙一一_ j 1 1 一一j ， i 一 下游水位 ，、l、i7 1 、_ j、i 1 亨 。 图1 2 船舶过闸不意图 1 2 1 2 船闸在航道建设和水资源综合利用中的地位和作用 交通运输是国民经济的重要组成部分，是对国民经济发展具有全局性、先导 性影响的基础行业。其中水路运输是现代综合运输体系中的重要组成部分，对发 展国民经济，特别是对发展对外贸易和远洋运输起到举足轻重的作用。世界上凡 是工农业生产较发达的国家，其内河水运都比较发达。如美国，欧洲等，基本上 已建成一个四通八达的水运网【l l 】【1 2 】【1 3 】。 内河水运具有运量大，成本低，基建投资少，综合效益大，对环境污染少等 第一章绪论 优越性。我国流域面积1 0 0 k m 2 以上的河流5 万多条，湖泊9 0 0 多个，水量充沛，除 少数地区河流外，多数河流终年不冻，具有发展水运事业的天然优越条件i l 引。可 通航河流5 6 0 9 条，通航里程1 0 8 1 0 4 ，居世界第二位【1 5 l 。但其中，有相当部 分还处在天然状态，或水深不够，或滩多流急，或航道多变，远不能适应国民经 济发展对水运运输的要求，亟待改善通航条件，建成四通八达的水运网。 渠化河流和设闸运河均须根据河流比降、两岸地形、通航规模等条件逐级修 建一系列的闸坝抬高坝上水位，淹没滩险，增加航道水深，才可改善通航条件。 由于闸坝的修建，把河流分截为若干河段，把天然河流各河段的比降分别集中 于各梯级，或把运河划分为若干梯级，因此，形成集中于闸坝上下游的落差。为 了克服落差，必须修建过船建筑物船闸或升船机。而船闸较之升船机有以下 优点：1 ) 由于船闸闸首、闸室都是固定建筑物，可按过闸船队( 船只) 尺度设 计，靠水的浮力提升船舶过坝，故船闸尺度基本不受限制，能较好的适应船队原 队过闸要求；而与船闸不同，升船机却是由机械和电力提升搁置船舶的承船厢实 现船队过坝，由于承船厢的重量受到限制，所以承船厢的尺度很难满足船队原队 过坝的要求。2 ) 在只要航道河流的水利水电建设、河流渠化、运河开发多采用 低坝。国内外经验表明，水头4 0 米以下的通航建筑物，船闸较升船机更具有优越 性。3 ) 升船机受地形条件影响较大，不如船闸适应性好。因此，船闸比升船机 更广泛应用于渠化工程中。 据统计，我国已建船闸9 0 0 余座，但升船机只有6 0 余座，仅为船闸的l 1 3 ，并 且在有些地区的小型斜面升船机都是干运【1 6 】。而国外的通航建筑物中船闸也占绝 对多数，达数千座，相比之下，升船机极少，仅6 0 余座。对升船机发展有很大贡 献的德国和比利时，船闸同样占绝大多数。即使为了省水，仍然发展省水船闸， 而不是升船机。此外，前苏联法国的通航建筑物也以船闸为主，美国基本上是船 闸通航。 综观我国和世界发达国家的通航建筑物建设的历史和现状以及未来的发展 趋势，船闸一直也将是通航建筑物的主要型式【1 7 】，而且，船闸规模和能力大小、 船闸布置和各构筑物的优劣均将对全航道起控制作用，是航道通畅的关键，如果 船闸规模、布置和各构筑物的设计不恰当，则很难补救。此外，船闸的投资在全 河流总投资中占较大比例。这充分表明船闸在渠化河流和运河建设中所起的关键 作用，也说明重视船闸建设是非常必要的。 4 河海大学硕七学位论文 1 2 2 计算机辅助设计基本理论概述 1 2 2 1c a d 理论基础 计算机辅助设计( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ，简称c a d ) ，是利用计算机强有力 的计算功能和高效率的图形处理能力，辅助设计者进行工程和产品的设计与分 析，以达到理想的目的或取得创新成果的一种技术【1 8 1 【1 9 】【2 0 】。它是综合了计算机 科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。计算机辅助设计技术的 发展与计算机软件、硬件技术的发展和完善以及工程设计方法的革新紧密相关。 采用计算机进行辅助设计已是现代工程设计的迫切需要。 c a d 系统是一个综合集成了多种技术的系统，它将新机技术与应用领域技 术紧密结合在一起，主要涉及以下几种技术【2 1 】： ( 1 ) 计算机技术。包括计算机硬件，即主机、外围设备、接口技术等；计 算机软件，包括操作系统、编程语言、软件工具、开发方法等。 ( 2 ) 图形学技术。包括图形学算法及其实现、图形软件及其标准化、图形 设备( 显示器、绘图仪、数字化仪、扫描仪) 及其应用等。 ( 3 ) 数据管理技术。主要指工程数据库管理系统，其具有处理文本、图形、 图像、c a d 文件、标准、规范等各种工程数据的功能。 ( 4 ) 数值分析技术。包括有限元分析、数值计算、模拟、仿真等技术。 ( 5 ) 智能技术。包括知识工程、专家系统、人工智能及智能化接口等。 ( 6 ) 人机界面。如图形用户界面( g u i ) 、多媒体界面等。 ( 7 ) 数据交换技术。包括个系统间数据交换接口及标准。 ( 8 ) 网络通信技术。包括广域网、分布式处理、客户服务器( c s ) 系统、 i m e m e t 和i n t r a n e t 等技术。 1 2 2 2c a d 技术发展趋势 c a d 技术从2 0 世纪5 0 年代诞生至今，随着计算机硬件技术的不断发展， 也日趋成熟。已经被广泛地应用于电子、轻工、纺织、服装、医疗、国防及工程 设计等国民经济的各个领域2 2 1 ，而且正朝着标准化、智能化、集成化、虚拟设计 的方向发展，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 自2 0 世纪8 0 年代以来，已经出现了图形级的标准，如p h i g s 、g k s ； 图形交换级的标准，如c g i 、i g e s 以及近年来正在不断被完善的s t e p 等。s t e p 第一章绪论 标准覆盖了整个产品生命周期的数据交换标准，对协同设计、并行工程、集成制 造等具有重要的意义。目前利用基于s t e p 的c a d 技术进行产品设计建模理论 的研究已经成为一个热点【2 3 】【2 4 1 。 ( 2 ) 智能化是c a d 技术发展的又一热剧2 5 】【2 6 】。这种智能性体现在把设计 领域专家的知识和工程技术人员的经验融入到c a d 系统中，使之成为可以继承 的知识库；其次是c a d 系统本身的智能化，如人机接口、数据采集、自动建模、 方案优选、仿真模拟以及多媒体技术的应用等等。 ( 3 ) 集成化是当今c a d 技术发展的一大趋势口7 】【2 8 1 。一方面c a d 技术不断 与c a m ( 计算机辅助制造) 、c a p p ( 计算机辅助工艺流程规划) 以及m i s ( 管 理信息系统) 、p d m ( 产品数据管理) 、m r p ( 制造资源管理) 等系统相集成。 另一方面，由于是当前全球经济一体化，并行工程、异地制造等概念的发展和应 用，集成化技术将起到举足轻重的作用。同时，因特网的发展，使得人们在i n t e m e t 上构建c a d c a m 集成化系统成为可能。 ( 4 ) 科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造技术是2 0 世纪9 0 年代以来c a d 技术发展的新趋向【2 9 1 【3 0 1 。在虚拟世界中，设计人员可以直接对所设计的产品进 行操作，以及进行各种模拟实验分析，并可及早看到新产品外型，从而可以帮助 设计者多方位地观察和评审设计成果。 1 2 3 船闸计算机辅助软件的设计现状 随着我国水利设计理论、方法及技术的发展，水利行政部门颁布了一系列船 闸相关设计的新规范，如：船闸水工建筑物设计规范( j t j 3 0 7 2 0 0 1 ) 、船闸总 体设计规范( j t j 3 0 5 2 0 0 1 ) 、船闸输水系统设计规范( j t j 3 0 6 2 0 0 1 ) 、船闸电气 设计规范( j t j 3 1 0 2 0 0 4 ) 、船闸闸阀门设计规范( j t j 3 0 8 1 0 0 3 ) 、水工建筑物抗 震设计规范( s l 2 0 3 9 7 ) 、水工建筑物荷载设计规范( d l 5 0 7 7 一1 9 9 7 ) 、水工混凝 土结构设计规范( d l t 5 0 5 7 1 9 9 6 ) 等，大大规范了船闸的设计工作。 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、船闸电气设计、船闸观测设计等几大 方面，涉及材料力学、结构力学、弹性力学及土力学等多个学科的相关理论，涵 盖了水利工程设计的各个方面，是一项系统复杂的工作。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 6 河海大学硕十学位论文 设实践经验和科学研究，设计理论已经日趋成熟完善。但是，由于船闸的设计过 程相当复杂，耗时耗力，人们一直在寻找一种提高船闸设计效率的办法。 经过多年的设计实践，c a d 技术以简单、快捷、存储方便等优点已在工程设 计中承担着不可替代的重要作用，广泛应用于工程建筑、机械、电子、天文、物 理、化工等行业。c a d 的使用使得工程设计人员避免了繁琐的数字重复输入工 作，大大提高了工作效率，交通部和各设计院也越来越重视应用软件的开发工作。 近1 0 年间，交通部先后拨款几百万元立项开发应用软件共4 6 项，同时，各 设计院自筹资金自行开发了大量应用软件，重点围绕着市场上急需的水运工程设 计优化方案、结构计算和c a d 绘图三个方面进行。开发内容涉及水工结构、港 口总平面布置、装卸工艺、波浪水文处理、经济效益评价、地基处理、系统支撑 环境、概预算软件等方面。水工结构方面，交通部内几个设计院先后开发了高桩 梁板式码头结构总图c a d 系统、高桩梁板式码头结构优化c a d 系统、直立式防 波堤c a d 系统、码头水工结构附属设施c a d 、斜坡式防波堤c a d 、开敞式海域 桩基墩台桩基内力计算软件、l u 9 梁式码头排架计算程序、高桩梁板式码头构件 施工图c a d 和单点系泊力分析系统等，另外开发了多种码头结构的内力计算、稳 定计算、圆弧滑动、非圆弧滑动、弹性地基梁计算软件、平面框架程序和地基计 算等应用软件。这些软件广泛用于设计优化和数值计算，大大提高了设计质量、 设计速度和整体技术水平，在市场竞争中发挥了重要作用【3 。 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 气n 语言编制的软基上船闸结构计算程序、用l i s p 语 言开发的船闸结构设计程序，重庆交通学院用c 语言编制的船闸双铰闸室结构 计算程序、船闸悬臂( 单铰) 闸室结构计算程序圈等。这些程序根据规范【3 3 1 的要 求，结合工程设计惯例编制，结果也比较准确，使船闸设计效率大大提高，但它们 的缺点是结构设计与计算模块之间的衔接性能较差，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【3 4 l ，设计者基于a u 的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。 此外，还有一些设计人员进行了船闸局部结构c a d 系统开发，如船闸横拉门 c a d 系统【3 5 】、船闸人字门c a d 系统【3 6 】【3 7 】【3 8 】、平面钢闸门集成c a d 【3 9 l 系统、闸 7 第一章绪论 门启闭机c a d 系统【4 0 】【4 1 】等，这些软件符合规范要求h 2 1 ，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的闸门的设计，并不能从根 本上解决船闸设计的问题f 4 3 1 。人们尝试从不同的角度进行船闸设计软件的开发， 但由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 软件的开发也有了很 大的上升空间，这也是我们进行船闸c a d 软件研究的原因。 1 2 4 论文的研究意义 我国工程结构可视化设计软件较少，主要集中在土建部门，其中水利工程可 视化辅助设计软件更少。和其它行业相比，水利水电行业是c a d 技术研究和应用 最不成功的行业之一。迄今为止，国内外尚没有一个得到公认的水工c a d 商品 化系统，也没有一家有影响力的专门从事水工c a d 研究和应用的部门，这和c a d 技术在机械、电子等行业近年来的迅猛发展形成了鲜明的对比。 由于水利工程修建在不同地方，地区条件的差异性，使得一些具体参数不 同。这样，类似的工程就需要重新设计，使广大设计人员从头做起，工作具有很 大的重复性、枯燥性。而且时间大部分花费在烦琐的绘图、计算、描图等工作中。 若利用计算机进行优化辅助设计，通过编制程序，使计算与绘图全部由计算机和 绘图机完成，则可以节省大量的人力、物力和财力，把人们从烦琐枯燥的计算中 解脱出来，而去从事其他管理、决策、方案比较、优化设计方面的工作，还可以 达到图纸的美观和计算的准确。另外，通过设置参数，不同地方要修建类工程， 只需用户输入具体的设计参数就可以通过该工程设计软件计算并绘出满足用户 要求的工程图。 我国船闸工程结构设计中，大都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。 8 河海大学硕上学位论文 目前c a d 系统的开发主要有两种途径：一种是基于通用c a d 软件的二次 开发。目前有很多通用c a d 软件( 如a u t o c a d 、i d e a s 、p r o e 、v g i i 等) 可 以进行二次开发，而且这些软件一般都具有强大的三维图形功能，一方面，可以 利用内嵌于通用c a d 平台的二次开发工具定制菜单、按钮，设计友好的用户界 面；另一方面，充分利用通用c a d 平台强大的三维图形功能，可以大幅度避免 大量复杂的可视化算法程序研制，从而提高了开发效率。第二种是利用可视化编 程语言如v b 、v c 、d e l p h i 等直接开发【4 4 】。这些语言都具备强大的界面开发功能， 可以直接操作a u t o c a d ，而且可以方便实现血l t o c a d 与其它应用软件( 如m a t l a b 和e x c e l ) 的通信，同时能够直接打包成独立的s e t u p 文件，容易保护自己 的程序，在软件开发中发挥着非常重要的作用。 v b 作为一种常用的面向对象的程序设计语言，提供一种真正的面向对象的 可视化编程方法，利用它为用户提供的一系列的属性、方法和控件，可以轻松的 实现一般的计算程序和图形绘制一5 1 【4 6 1 ，此外，利用v b 的二次开发技术可以实现 v b 对其它软件的操作，为软件开发提供了非常便利的条件。 因此，以a u t o c a d 为平台，利用v b 编程，以参数化的建模思想实现船闸 三维模型的可视化，并能结合通用的有限元软件进行船闸的结构分析计算以及内 力计算，编写这样一套系统的、具有良好使用界面、功能强大且使用方便的船闸 结构计算软件不仅是很有必要，而且很有实用价值。 1 3 本文研究的主要内容 船闸结构设计的主要任务是对闸首、闸室及导航和靠船建筑物等结构在各 种作用组合工况下进行应力分析和强度校核，再对初选布置的结构连同地基进行 抗滑稳定和整体稳定验算，以便最终确定结构尺寸以及钢筋配置。 船闸闸首作为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，结构形式多样，设备较多，受力状态十分复杂， 又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。 本文引入参数化技术和可视化技术，结合实际工程中闸首结构设计中的各种 环节和出现的问题，在无帷墙人字门船闸闸首结构计算系统的开发研究方面做了 一些有益的尝试。 9 第一章绪论 论文基于v b 6 0 、a u t o c a dv b a 等开发工具，设计人机友好的交互式界面 和编程进行结构计算，利用a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术来实现a u t o c a d 与v b 之 间的连接并建立闸首模型，采用t r u e g r i d 软件强大的网格剖分功能进行前处 理，并利用通用a n s y s 软件进行结构计算。这样一套既有友好的人机交互界面 又有高效的计算能力和前后处理功能的船闸结构计算系统，可以大大减少设计人 员的工作量，提高设计效率，并使得方案的比较和成果的显示更加直观合理，能 适应水利行业发展的需要。 系统主要是利用a u t o c a d 和v b 两种开发工具来实现闸首的参数化建模和 可视化设计。首先利用v b 语言来开发船闸的建模程序，建立闸首结构的模型实 体，实现闸首模型的可视化，然后编写v b 与t r u e g r i d 、a n s y s 软件的接口程 序，利用现有的有限元软件进行闸首的结构计算。 本文主要完成以下几方面的工作： ( 1 ) 闸首结构建模。结合现有的船闸工程实例，对船闸的基本形式，主要 是对船闸闸首结构的基本形式进行分析总结，提取最基本的实体对象，进行参数 化设计，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的 目的。进而应用v b 编制闸首建模程序，在a u t o c a d 中建立无帷墙人字门船闸 闸首三维模型，实现模型可视化。 ( 2 ) 闸首结构计算。利用v b 的二次开发技术，分别编制v b 与t r u e g r j d 、 v b 与a n s y s 的接口程序。通过v b 与网格划分前处理软件t r u e g 砌d 的连接， 应用t r u e g r i d 进行网格划分，实现闸首网格划分的自动化；通过v b 与a n s y s 的连接，应用a n s y s 进行闸首有限元分析。接口程序的编制实现了各个不同软 件的集成，共同完成闸首应用系统结构计算的功能。 ( 3 ) 有限元成果后处理。自行编制应力反求内力的程序，以有限元分析数 值结果文件作为数据来源，计算闸首底板、廊道、空箱等结构的内力分布，并编 写v b 与w b r d 的接口程序，同时结合w r o r dv b a 技术生成计算说明书，为设计 人员提供方便。 ( 4 ) 以刘老涧三线船闸工程为例，应用所开发的软件进行下闸首设计计算， 验证了船闸闸首结构计算系统开发思路的可行性，以及船闸闸首建模程序、接口 程序、内力计算程序的实用性和可操作性。 l o 河海人学硕士学位论文 第二章船闸闸首系统的开发技术及设计流程 随着计算机的发展，有限单元数值分析法在工程上有了越来越广泛的应用。 而目前船闸c a d 软件开发中，结构计算大都采用传统规范算法，有限单元法研 究较少。因此，本文船闸结构计算系统在船闸有限单元分析的研究上做了一些尝 试，本章重点介绍船闸有限元结构计算系统的开发技术以及设计流程。 2 1 系统开发技术及开发工具 2 1 1 可视化技术概述 2 1 1 1 可视化技术概念和发展 可视化，又称科学计算可视化【4 7 】( v s c ，v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 这一科学术语正式出现于1 9 8 7 年2 月美国国家科学基金会召开的一个研讨会上， 会议指出“科学家们不仅需要分析由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计算机图形学及图像处理技术”， 并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 cc o m p u t i n g ”， 简称“s c i e n t i f i c s u a l i z a t i o n 。这次会议可谓科学计算可视化技术诞生的里程碑 而。从1 9 9 0 年起，美国i e e e 计算机学会计算机图形学技术委员会开始举办一 年一度的可视化国际学术会议，这标志着“科学计算可视化 作为一个学科已经 成熟，它的应用遍及所有应用计算机从事计算的科学与工程学科，并且获得了巨 大效益【4 8 l 【4 9 】。 科学计算可视化的形成是当代科学技术飞速发展的结果。8 0 年代以后，科 学数据的大量产生与缺乏有效地解释这些数据手段的矛盾日益尖锐，出现了一方 面不断产生数据，另一方面因无法及时解释和利用这些数据，而只能把海量的科 学数据存储起来，形成浪费的局面。而与此同时，计算机图形学已逐渐成长为一 门成熟的学科，在计算机图形变换、剪裁、消隐和绘制方面的理论逐渐成熟并开 始走向应用，为可视化提供了理论基础，科学计算可视化也正是在此背景下产生 的【5 0 】【5 1 1 。 科学计算可视化v s c 的基本思想是：从准备数据、实施计算到表达结果都 用图形或图像来完成或表现，使用者只需通过图形就能对研究的对象、过程及结 第二章船闸系统开发技术及设计流程 果有全面的了解。具体而言，是通过屏幕上作图与修改绘出的计算模型，自动生 成数据文件( 即计算的前处理) 。同时，计算过程和中间结果可形象地用图形仿真， 以图线、动画等形式表现出来，人们可以通过修改图形来改变参数，干预和引导 计算，最后结果也可用图形、颜色动态模拟来描述，如使用交互网格生成的有限 元模型，结构受荷载作用过程中的位移变化等，或形成c a d 文件( 即后处理) 。 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，有着广阔的应用前景【5 2 l 。 可视化的作用【5 3 j 主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 为各应用领域提供可视化的分析工具与手段，实现巨量的、随时间变 化的多位数据的分析和显示，并可快速提取有意义的特征及结果。 ( 2 ) 为模拟计算和数据分析提供视觉交互手段，使研究人员能够跟踪和交 互驾驭它们的模拟和计算，大大提高计算的效率和质量。 ( 3 ) 将图形和计算紧密结合，使处理的数据实时地变化为图形图像，实现 可视化动态模拟( 包括大量数据的处理与显示) ，并能通过视觉对模型的性能与 合法性进行有效分析。 ( 4 ) 通过这种数据理解的增强，把过去那种将模拟与设计独立进行处理的 方法结合起来，使模拟与设计中的三维问题能够相互求解，从而使各种用户逐步 进入设计方法学的新时代。 科学计算可视化技术首先是为了高效地处理科学数据和解释科学数据而提 出并形成的。其次，科学计算可视化丰富了信息交流手段，即科学家之间的信息 交流不再局限于采用文字和语言，而是可直接采用图形、图像、动画等可视信息。 科学计算可视化技术提供的交互视觉计算与即时视觉反馈技术使科学家能够对 中间计算结果进行解释，及时发现非正常现象与错误，达到驾驭( 动态调整) 计算 过程的目的【5 4 】【5 5 】。 科学计算可视化的形成也是推动工业发展、提高工业界竞争能力的需要。历 史已经证明，推动工业发展的原动力是基础科学研究，科学上的新发现将促进工 业界新的革命，而促使基础研究发展的重要手段之一是提供先进的科学计算工具 ( 硬件与软件) 。先进的科学计算工具同时也是促进当代工业发展的新动力，例 如无图纸设计、虚拟样机技术等对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低成本 具有十分重要的作用。科学计算可视化是先进科学计算工具的重要组成部分，因 1 2 河海大学硕上学位论文 此，世界各国都十分重视科学计算可视化技术的研究与应用工作【5 引。 2 1 1 2 科学计算可视化技术在土木工程中的应用 现代土木工程始于二十世纪中叶，它是建造各类工程设施的科学技术的总 称，既包括工程建设的对象，也指所应用的材料、设备和进行的勘测、设计、施 工、保养、维修等技术。现代科学技术的迅猛发展为土木工程的进一步发展提供 了强大的物质基础和技术手段，开始了以现代科学技术为后盾的土木工程新时 期。它除了有功能要求多样化，城市建设立体化，交通工程快速化和建筑材料轻 质高强化的特点以外，更有施工过程工业化和设计理论精确化、科学化的要求， 而这些都离不开计算机技术。土木工程是一个极其复杂的工程，有必要采用科学 的理论方法和先进的技术手段，全面系统地分析研究各方面因素，统筹各方面相 互联系和制约关系。将三维可视化引入仿真研究，使得仿真过程更加清晰、直观、 逼真，为全面、准确、快速地分析提供了有力的工具。在未来的发展中，计算机 辅助技术是土木工程领域十分重视的一个应用研究热点，是跨学科领域的新技术 发展重要方面。 1 结构设计可视化 可视化技术在结构设计中有着广泛的应用【57 1 。结构设计离不开数据的处理， 各种数据不仅数量大，而且较抽象，难于理解。工程师更愿意用内力图来表示内 力情况，用单元受力图来表示某点的受力状态，用挠度来表示某种荷载下构件或 结构的弯曲程度。这些力和挠度是眼睛观察不到的，在这种情况下，应用可视化 技术可以做到一目了然。结构设计经常涉及一些大型项目，如高档写字楼和大型 的商业中心，这些项目通常要进行风洞试验或大型结构试验。传统的风洞试验和 结构试验需要采用实物模型。其缺点是：制作模型既费时又昂贵；由于模型通常 是按比例缩放实物，这就使实验存在着一定的误差；另外，人无法在近距离观察 实验情况( 因为这样将影响到实验结果) ，这就给实验数据的获取造成麻烦，从 而加大实验的误差。利用可视化技术模拟风洞可以让工程师看到模拟的空气流 场，使其感到好像真的站在风洞里一样，目的是让工程师分析多漩涡的复杂三维 性质和效果以及空气循环区域被破坏的乱流等。 2 施工模拟可视化技术 人们可以利用计算机，使用结构分析软件随着施工进度不断对建筑物进行受 力分析。随着施工的进行，建筑物的结构形式、边界条件、荷载形式都在不断改 第二章船闸系统开发技术及设计流程 变着，计算机可以跟踪这种施工过程，利用分析得到的数据，绘出各种二维或三 维的彩色图形或图像，这些图形图像既可以表示整个建筑物的情况，也可以只表 示某个局部或某个构件情况，将抽象的数据变为直观的内力图和变形图，并用不 同的颜色表示不同的力或位移等物理值，实时显示施工过程，使影响施工过程的 各种因素更直观和更容易把握【5 8 】。人们可以通过图形图像判断出当前或预见到今 后某时刻建筑物整体或局部受力、位移情况，得知危险截面的受力状态，以采取 措施。 随着可视化技术的不断发展，可视化仿真在土木工程领域中应用越来越广 泛。主要有以下几个方面： ( 1 ) 利用可视化技术显示有限元计算结果； ( 2 ) 利用可视化技术分析和反映结构的动力反应规律； ( 3 ) 利用可视化技术进行地质体的稳定性分析； ( 4 ) 可视化技术与计算机仿真、多媒体技术、虚拟现实等技术相结合，进 行结构的破坏机理、混凝土的浇筑过程、波浪的冲击和破坏及地形地貌的模拟和 仿真； ( 5 ) 利用可视化技术，开发出具有决策、管理、查询、预警等功能的系统。 2 1 1 3 科学计算可视化技术在水利行业的应用及发展 随着工业的飞速发展，科学技术的不断提高，先进的科学计算方法及工具 将对我们的工作起着推波助澜的关键性作用，可视化技术已经广泛的应用于现代 工业的各个方面，在建筑行业已经应用于建筑设计、结构设计、仿真分析、建筑 施工等众多环节，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，将取得更大的发展和更广泛的应用【5 9 1 。 现在一些实际的水利工程设计中己经应用到可视化仿真技术，如碾压混凝土 坝温度场和温度应力仿真计算可视化【6 0 1 ，河道水流泥沙输送模型可视化研究，水 电工程动态可视化仿真方法，泥沙与水质数模成果可视化，混凝土坝施工的三维 动态可视化仿真，洪水演进三维模型结构动态分析中的可视化，施工场地布置可 视化动态演示，土石方开挖可视化设计等。其中已实现的功能有：用适当的方式 显示数据场中各类物理量的分布，对画面可进行缩放，可交互在三维空间改变观 位置，实现消隐和光照效应，实现动态显示，以及实现友好的人机交互界面等。 但也存在一些不足，如大部分为二维动态显示，而且方法也常表示为较简单的等 1 4 河海大学硕上学位论文 值线图，等值曲切片图等，对三维显示应用不多，并且缺少实时动态显示，有待 于进一步的研究【6 1 1 。 随着计算机运行能力的进一步发展和可视化模拟方法的逐步完善，可视化技 术将在水利工程中发挥更加重要的作用。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直观性，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 体的静止或活动画面，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。例如在设计时了解或控制 外部荷载对受力和变形的影响。 2 1 2 面向对象技术介绍 2 1 2 1 面向对象技术的基本思想 面向对象的思想起源于2 0 世纪6 0 年代中期的仿真程序设计语言s i m u l a 6 7 ， 2 0 世纪8 0 年代初，s m 甜l t a l k 语言及其程序设计环境的出现成为面向对象技术发 展的一个重要里程碑。到2 0 世纪8 0 年代中后期，面向对象的软件设计方法己发 展成为一种成熟的、有效的软件开发方法【6 2 】【6 3 1 。 面向对象的编程方法与原来针对过程的设计方法有所不同，这种编程方法主 要以对象为核心，考虑对象的构造以及与对象有关的属性和方法的设计，面向对 象技术给软件设计领域带来了极大的变化。它利用软件的对象来进行程序开发， 所谓对象是包含数据成员和对数据成员操作的代码实体，或者说是在传统的数据 结构中加入一些被称为成员函数的过程，因而赋予对象以动作。而在程序设计中， 对象具有与现实世界的某种对应关系，我们正是利用这种关系对问题进行分解 睇】 o 从程序语言角度来看，在一个对象中成员函数和数据成员可以是这个对象私 有的，不能被对象以外的部分直接访问。因而对象提供了一种高级保护，以防止 程序被无关部分错误修改或错误地调用。当从对象外部试图直接对受保护的内部 第二章船闸系统开发技术及设计流程 数据进行修改时，将被程序拒绝，只有通过对象提供的对外服务函数才能对其内 部数据进行必要的加工，从而保证了数据加工的合法性。从这一意义上讲，这种 代码和数据的联系成为“封装”。换句话说，封装是将对象封闭保护起来，是将 内部细节隐藏起来的能力。 对象的概念源于日常生活，例如，我们学习使用的钢笔，书本等都是对象， 通信设备的电话、手机等都是对象。面向对象的技术与标准的工业设计规律有更 多的相似之处。在面向对象语言中，类是创建对象的关键，事实上类描述了一组 对象的公共特征和操作，而对象则是具体实现的类。例如电话机是一个基本概念， 它具有颜色、几何尺寸、传输特性的特征。我们可以定义一个成为“p h o n e ”的 类，具有颜色、几何尺寸、传输特性等数据成员，以及描述电话机在外界刺激下 的状态成员函数。一部具体的电话机则是“p h o n e 类的一个对象，在这个对象 有关数据成员均有具体数值，并可以通过输入说明变量( 外界条件参数) 设置该 电话机的具体状态。 2 1 2 2 面向对象技术的特点 面向对象技术有以下特点【6 5 】： 1 重用性：对象的产生是为了重复利用，设计完成的对象将在程序开发中被 部分或全部的重复利用，这就是面向对象的最初思想。 2 可靠性：由于面向对象的应用程序包含可通过测试的数据成员和成员函 数，因此更加可靠。由于大量代码来源于成熟可靠的类库，所以新开发程序的新 增代码明显减少，这是程序可靠性提高的一个重要原因。 3 连续性：具有面向对象特点的v b 语言有很大的兼容性，它可以适用于任 何环境。 4 继承性：通过对已有类进行增加或部分修改的方法建立新的类，对已有类 可以增加数据和过程，也可以对其中某些过程重新定义。最初的类成为基类，从 基类扩展出来的类称为派生类。 5 封装性：封装是把过程和数据包围起来，对数据的访问只能通过已定义 的界面。面向对象计算始于这个概念，即现实世界可以被描绘成一系列完全自治、 封装的对象，这些对象通过一个受保护的接口访问其他对象。一旦定义了一个对 象的特性，则有必要决定这些特性的可见性，即哪些特性对外部世界是可见的， 哪些特性用于表示内部状态。在这个阶段定义对象的接口。通常，应禁止直接访 1 6 河海大学硕上学位论文 问一个对象的内部数据成员，而应通过操作接口访问对象，称为信心隐藏。 事实上，信息隐藏是用户对封装性的认识，封装为信息隐藏提供支持。封装 保证了模块具有较好的独立性，使得程序的维护和修改较为容易。对应用程序的 修改仅限于类的内部，因而可以将应用程序修改带来的影响减少到最低限度。 6 动态性：是指允许不同类的对象对同一信息做出相应的响应。比如同样的 加法，把两个时间加在一起和把两个整数加在一起完全不同。又比如，同样的选 择编辑、粘贴操作，在字处理程序和绘图程序中有不同的效果。多态性包括参数 化多态性和包含多态性。多态性语言具有灵活、抽象、行为共享、代码共享的优 势，很好的解决了应用程序函数同名的问题。 2 1 2 3 面向对象的程序设计语言 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 i ，g r 印h i c su s e r i n t e 渤c e ) 的操作系统的广泛使用，人们形成了一种面向对 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 j 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。 各种类型的对象之间通过发送消息进行联系，消息能够激发对象做出相应的反 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 b 、c + + 、j a v a 、o b j e c t p a s c a l 等。 2 1 3a u t o c a d 开发平台 计算机辅助设计( c a d ) 系统的可视化实质是图形显示与分析计算的紧密结 合，即要实现可视与计算一体化( s u a l - c o m p u t i n gi n t e g r a t i o n ) 。其基本过程可以 看成是一个人机交互的循环过程：由计算得到数值结果，通过数据分析得到数据 的可视化图像，通过图像的观察分析，再按用户需要修改计算方案，然后重新计 算。 目前c a d 系统的开发主要有两种途径：一种是基于通用c a d 软件的二次 开发。目前有很多通用c a d 软件( 如a u t o c a d 、i d e a s 、p r o e 、v g i i 等) 可 以进行二次开发，而且这些软件一般都具有强大的三维图形功能，一方面，可以 利用内嵌于通用c a d 平台的二次开发工具定制菜单、按钮，设计友好的用户界 面；另一方面，充分利用通用c a d 平台强大的三维图形功能，可以大幅度避免 1 7 第二章船闸系统开发技术及设计流程 大量复杂的可视化算法程序研制，从而提高了开发效率。第二种是利用可视化编 程语言如v b 、v c 、d e l p h i 等直接开发。 相比a u t o c a dv b a ，利用v b 直接歼发应用软件具有以下优点：1 ) m i c r o s o r v b 开发环境比a u t o c a d 中的v b 编辑器功能要强大的多；2 ) 用这种方式开发 的应用程序可以直接控制a u t o c a d 的开关，a u t o c