曹正罡 周傳波 周觀根 范 峰

(1哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱150090;2浙江東南網(wǎng)架集團(tuán)有限公司，杭州311209)

引言

節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)是空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較為重要和繁瑣的環(huán)節(jié)之一[1]，通用的土木工程軟件基本未涉及特殊節(jié)點(diǎn)的有限元分析，所以在此環(huán)節(jié)中存在大量的重復(fù)性勞動(dòng)。若能利用計(jì)算機(jī)智能分析程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)分析的一體化分析，便可以將空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者從繁雜的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中解脫出來，大大提高工作效率。因而如何實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的全自動(dòng)化，成為我們亟須解決的重要工程技術(shù)問題。

完成復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，首先需要保證節(jié)點(diǎn)的有效幾何尺寸、材質(zhì)、邊界條件等參數(shù)輸入的直觀方便;其次需要解決節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體建模分析的快速精確;最后需要實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果的精確化和直觀化。如果解決了以上三個(gè)問題，復(fù)雜節(jié)點(diǎn)一體化分析的目標(biāo)就可以迎刃而解。

ANSYS是一款具有強(qiáng)大分析功能的有限元軟件，其內(nèi)嵌的命令流分析模式[2]讓快捷精確的節(jié)點(diǎn)建模成為可能;Microsoft Office是微軟公司的一個(gè)文字處理器應(yīng)用程序，它預(yù)定義的部件和樣式使分析結(jié)果的可視化和精確化問題迎刃而解。此時(shí)如何找到一個(gè)好的平臺(tái)成為一項(xiàng)難題，該平臺(tái)能將各種軟件融合一處，彼此間信息傳遞順暢，同時(shí)能讓節(jié)點(diǎn)參數(shù)輸入直觀、簡潔，Matlab GUI將成為解決這項(xiàng)難題最理想的程序平臺(tái)。

Matlab GUI(Graphic User Interface)是內(nèi)置于Matlab中進(jìn)行圖形界面開發(fā)的模塊[3]。直觀地說，GUI就是由各種圖形對(duì)象組成的用戶界面，在這種用戶界面下，用戶的命令和對(duì)程序的控制是通過“選擇”各種圖形對(duì)象來實(shí)現(xiàn)的。GUI的使用可以使我們要傳達(dá)的信息變得更為簡便、高效。此外編程語言也十分嚴(yán)謹(jǐn)，每個(gè)句柄的屬性都非常詳細(xì)，無論從界面屬性還是回調(diào)函數(shù)等功能屬性上講，Matlab的GUI編程都非常緊湊。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)智能化分析系統(tǒng)總體架構(gòu)

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 功能需求

為實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)智能化分析，該系統(tǒng)應(yīng)該包括以下功能:自定義工作空間、幾何尺寸和材質(zhì)等參數(shù)輸入、參數(shù)化建模[4]、分析結(jié)果的輸出、特性查詢、自動(dòng)調(diào)用其他軟件等。其中幾何尺寸和材質(zhì)等的輸入要包括各個(gè)不同節(jié)點(diǎn)的尺寸、連接方式、所用材料強(qiáng)度、分析單元等輸入信息;參數(shù)化建模得實(shí)現(xiàn)實(shí)體有限元結(jié)構(gòu)模型的建立、網(wǎng)格劃分、約束施加和加載以及分析的全程自動(dòng)化。分析結(jié)果的輸出則要生成具有內(nèi)嵌數(shù)據(jù)、圖表和分析結(jié)論的Word文檔;特性查詢得包含鋼材特性、螺栓特性、焊縫特性等特性的查詢;此外，程序必須要能自動(dòng)調(diào)用ANSYS和Word軟件，而且擁有保存路徑功能。

1.2 總體構(gòu)架

根據(jù)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)智能化分析系統(tǒng)的功能要求，該程序共分為三層，其整體構(gòu)架如圖1所示。

該程序由三個(gè)結(jié)構(gòu)層次組成，實(shí)際也就是三個(gè)獨(dú)立的界面，主界面、選擇界面和節(jié)點(diǎn)分析界面，三個(gè)界面的轉(zhuǎn)換實(shí)際也就實(shí)現(xiàn)了三個(gè)結(jié)構(gòu)層的轉(zhuǎn)換。

1.3 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

主界面的背景為東南網(wǎng)架的標(biāo)志性圖片，界面中有3個(gè)按鈕(Push Buttom)，分別調(diào)用Word文檔、選擇界面以及退出程序。

分析界面添加16個(gè)按鈕(Push Buttom)和1個(gè)顯示標(biāo)題靜態(tài)文本(Static Text)，16個(gè)按鈕鍵分別控制調(diào)用15個(gè)節(jié)點(diǎn)分析界面和1個(gè)返回上一級(jí)子程序。

節(jié)點(diǎn)分析界面由數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)、工作空間及接口文件控制區(qū)和工具欄組成。數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)主要由靜態(tài)文本(Static text)，編輯框(Edit text)和列表框(Listbox)等控件組成;工作空間及接口文件控制區(qū)有靜態(tài)文本(Static text)，編輯框(Edit text);工具欄分為分析系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)清理、查詢/輔助四個(gè)部分，由Menu editor進(jìn)行編寫。

圖2 主界面

圖3 選擇界面

圖4 節(jié)點(diǎn)分析界面

2 人機(jī)交互界面的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.1 獨(dú)立界面相互調(diào)用

界面的切換實(shí)際在進(jìn)行各個(gè)獨(dú)立界面之間的相互調(diào)用。在Matlab語言中，可以用run(‘被調(diào)用界面名’)，同時(shí)close(‘當(dāng)前界面名’)，這樣就能成功實(shí)現(xiàn)界面的跳轉(zhuǎn)。本程序中，大量運(yùn)用了此方法來保證整體連貫性。以下是截取的一小段程序代碼:

2.2 基本幾何、材料參數(shù)輸入控件

按鈕(push buttm)、靜態(tài)文本(static text)、編輯框(edit text)、列表框(listbox)和面板(panel)五類控件在界面編寫過程中被廣泛使用，其中編輯框是人機(jī)交互功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，外界數(shù)據(jù)都從此控件接入系統(tǒng)。每個(gè)控件的控制包括以下兩方面的內(nèi)容:

2.2.1 控件風(fēng)格和外觀

(1)BackgroundColor:設(shè)置控件背景顏色，使用[RGB]或顏色定義。(2)CData:在控件上顯示的真彩色圖像，使用矩陣表示。(3)ForegroundColor:文本顏色。(4)String屬性:控件上的文本，以及列表框和彈出菜單的選項(xiàng)。(5)Visible:控件是否可見。

2.2.2 對(duì)象的常規(guī)信息

(1)Enable屬性:表示此控件的使能狀態(tài)，設(shè)置為“on”，表示可選，為“off”時(shí)則表示不可選。(2)Style:控件對(duì)象類型。(3)Tag:控件表示(用戶定義)。(4)TooltipString屬性:提示信息顯示。當(dāng)鼠標(biāo)指針位于此控件上時(shí)，顯示提示信息。(5)User-Data:用戶指定數(shù)據(jù)。(6)Position:控件對(duì)象的尺寸和位置。(7)Units:設(shè)置控件的位置及大小的單位。(8)有關(guān)字體的屬性，如FontAngle，F(xiàn)ontName等。

2.3 生成W ord報(bào)告

圖5 控件參數(shù)調(diào)整

Matlab可以連接Word，故而可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成分析報(bào)告的功能，此報(bào)告中包括該節(jié)點(diǎn)的基本尺寸信息、依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和Ansys分析結(jié)果圖片等，在生成報(bào)告的過程中，輸入的基本數(shù)據(jù)和分析的結(jié)果圖片會(huì)自動(dòng)插入到其中，同時(shí)顯示生成報(bào)告的進(jìn)程(見圖6)。該功能的實(shí)現(xiàn)是利用自己編寫的子程序Generate Report.m，其內(nèi)部的編寫命令類似VBA編寫excel，開頭程序代碼如下所示:

圖6 節(jié)點(diǎn)分析報(bào)告

2.4 分析程序的編譯與發(fā)布

為了對(duì)程序代碼進(jìn)行保密，以及方便用戶發(fā)布可以在不同平臺(tái)運(yùn)行的可執(zhí)行程序，Matlab提供了Matlab程序編譯與發(fā)布功能。在此，我們的Matlab程序通過其內(nèi)置的編譯發(fā)布工具箱生成可執(zhí)行程序。具體方法是在Matlab命令窗口中運(yùn)行deploytool命令，調(diào)出該工具窗口，在工具中導(dǎo)入要打包發(fā)布的工程，包括各種.m文件和Matlab組件運(yùn)行環(huán)境(Matlab Component Runtime，MCR)[5]，然后進(jìn)行打包即可生成可執(zhí)行程序SSXNIAS.exe，通過該工具可以方便、快捷地編譯發(fā)布本程序。

圖7 編譯發(fā)布工具窗口

3 應(yīng)用實(shí)例

本節(jié)通過開發(fā)的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)智能分析程序?qū)W(wǎng)架圓形底板抗拉支座受力分析的全過程進(jìn)行演示。圖8為該例的分析流程圖，圖9為工作空間及接口文件控制區(qū);圖10為菜單欄;圖11為數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)相應(yīng)的尺寸參數(shù);圖12為生成的Ansys接口文件[6]，文件中記錄了自動(dòng)分析所需要的全部信息供Ansys軟件讀取;圖13為Ansys分析模型以及分析結(jié)果。

圖8 節(jié)點(diǎn)分析流程圖

圖9 工作空間及接口文件控制區(qū)

圖10 菜單欄

圖11 相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)

圖12 Ansys接口文件

圖13 ANSYS分析模型和分析結(jié)果

4 結(jié)論

基于Matlab-GUI開發(fā)的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)一體化分析系統(tǒng)，可以初步實(shí)現(xiàn)部分復(fù)雜節(jié)點(diǎn)幾何信息、材料信息、荷載信息的人機(jī)交互修改，交互界面簡單、直觀;系統(tǒng)可以調(diào)用功能強(qiáng)大的ANSYS程序進(jìn)行模型轉(zhuǎn)化和分析，并自動(dòng)提取分析結(jié)果，轉(zhuǎn)化成圖形和表格，自動(dòng)生成WORD格式的報(bào)告，這一程序的開發(fā)可有效提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者的工作效率和分析精度，具有良好的工程應(yīng)用前景。同時(shí)也為大跨空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的快速分析開辟一條嶄新的途徑。

[1]朱恒，夏緒勇，馬恩成.面向?qū)ο蠓椒ㄔ阡摽蚣芄?jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)程序開發(fā)中的應(yīng)用[A].第十五屆全國工程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]，哈爾濱:2010.

[2]龔超，王玉銀，郭海山等.大噸位鑄鋼萬向鉸支座受壓力學(xué)性能分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，43(4):17－22.

[3]師訪.ANSYS二次開發(fā)及實(shí)例詳解[M].北京:中國水利水電出版社，2012.

[4]包陳，王呼佳.ANSYS工程分析進(jìn)階實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社，2009.

[5]張志勇，楊祖櫻.Matlab教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[6]包陳，王呼佳.ANSYS工程分析進(jìn)階實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社，2009.

[7]羅華飛.MATLAB GUI設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[8]周建興，豈興明.MATLAB從入門到精通[M].北京:人民郵電出版社，2008.

[9]周觀根，陳志祥，程志敏等.大連國際會(huì)議中心鋼結(jié)構(gòu)工程關(guān)鍵技術(shù)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011，41(增刊):967－971.

[10]杜文風(fēng).網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國電力出版社，2012.