【摘 要】計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員不但可以計(jì)算復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，而且節(jié)省了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)間，為多方案反復(fù)比較提供了可能。在使用計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析實(shí)際生產(chǎn)問題時(shí)，需要針對其中某些復(fù)雜多變的集成問題設(shè)計(jì)更為適用的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停阂环N基于統(tǒng)一模型庫方式的組件式CAD/CAE集成框架，以結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成模型庫為框架底層，以幾何造型、可視化交互、第三方CAD、第三方CAE 等組件為中間組件層，此種集成框架能擴(kuò)大計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用探討

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，對建筑的要求越來越高，結(jié)構(gòu)體系越來越復(fù)雜。這就在技術(shù)層面上要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，使之不但可以計(jì)算各種復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)的靜力及動(dòng)力問題，而且還可進(jìn)一步對各種形式的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較而取得優(yōu)化的結(jié)果。其中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAided Design，CAD）技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助工程（ComputerAided Engineering，CAE）技術(shù)的集成是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助領(lǐng)域中研究熱點(diǎn)之一，目的是將代表先進(jìn)幾何建模技術(shù)的 CAD 技術(shù)與代表強(qiáng)大分析計(jì)算能力的 CAE 技術(shù)緊密結(jié)合，以適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)特性的要求。

1.計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展?fàn)顩r

計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展也是隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展而不斷改進(jìn)的，以往的計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在很多的問題，毋庸置疑的是目前我國的計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的改進(jìn)，其應(yīng)用的范圍和方式也有很大的改善。

1.1以往的計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足

上世紀(jì)，我國計(jì)算機(jī)發(fā)展的程度不夠大，信息化普及范圍不大，使得計(jì)算手段上發(fā)展的滯后，盡管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員希望在制訂結(jié)構(gòu)方案時(shí)能進(jìn)行多方案比較，但因手工計(jì)算工作量大，計(jì)算簡圖不盡合理，無法對復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行較準(zhǔn)確的分析，工時(shí)過長而難以實(shí)現(xiàn)。

1.2現(xiàn)在計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展

如今計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的加快和貯存增大，使各種復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)分析時(shí)間大大縮短，而精度大大提高，在短時(shí)間內(nèi)即可通過多方案比較，找出技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案。在結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)軟件的應(yīng)用，人們開始探索利用計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)的可能。一個(gè)規(guī)范的設(shè)計(jì)工程，首先要考慮其計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)發(fā)生的可能性，再要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的分析，所以目前在工程中應(yīng)用較多的分析軟件主要有三類：第一類是基于薄壁理論三維結(jié)構(gòu)的有限元分析軟件，薄壁柱理論的優(yōu)點(diǎn)是自由度少，使復(fù)雜的高層結(jié)構(gòu)分析得到了簡化，但是，實(shí)際工程中剪力墻難于滿足薄壁理論假定，計(jì)算出人大，精度難得保證；第二類是基于薄板理論的有限元分析軟件，把無洞口或較小洞口的剪力墻模型簡化成一個(gè)板單元，把較大洞口的剪力墻模型簡化成板梁連接體系，這類軟件對剪力墻模型簡化也不夠理想；第三類是基于殼元理論的二維結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，由于殼元即有平面內(nèi)剛度，又具有平面外剛度，用殼元模擬剪力墻和樓板可較好地反映其實(shí)際受力狀態(tài)，理論上較科學(xué)，分析精度較高。目前在各種工程設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)軟件運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵灿泻芏喔纳?，現(xiàn)階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員采用的計(jì)算模型主要有三種：第一種是采用單棍框架簡化計(jì)算，其計(jì)算精度較低，誤差較大；第二種方法是采用框架模型計(jì)算，其缺點(diǎn)是只能按一層框架分析，其上部磚混結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載，地震荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力無法傳遞到底框梁上，計(jì)算精度不高；第三種方法是采用殼元理論三維結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，把磚墻看作低強(qiáng)度的剪力墻進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算精度較高。由此設(shè)計(jì)人員可以發(fā)現(xiàn)很多計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：它不受空間尺寸和時(shí)間長短的限制，可以提供完整清晰的數(shù)據(jù)和圖形。

2.計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)軟件運(yùn)用注意要點(diǎn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)軟件在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算時(shí)，要保持頭腦清醒，充分認(rèn)識到目前計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件還很不完善，不要對計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件過分依賴，要充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的主觀能動(dòng)性，堅(jiān)持以人為主，以機(jī)為輔，從實(shí)際出發(fā)。

2.1確定好計(jì)算機(jī)軟件的前提條件

在計(jì)算前合理選擇結(jié)構(gòu)受力體系，最好是通過多方案比較確定結(jié)構(gòu)受力體系，如果沒有一個(gè)相對合理的受力體系，而運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析，決不會(huì)有合理的結(jié)果，盲目的進(jìn)行計(jì)算，只有導(dǎo)致不合理的分析數(shù)據(jù)。同理，計(jì)算參數(shù)是計(jì)算的前提條件，在運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)行時(shí)，如果前提條件不合理或錯(cuò)誤，即計(jì)算參數(shù)的選定出現(xiàn)偏差，那只會(huì)帶來不合理或錯(cuò)誤的結(jié)果，從而導(dǎo)致工程事故，如某框架設(shè)計(jì)因參數(shù)不合理，出現(xiàn)了明顯的計(jì)算錯(cuò)誤。

2.2檢測和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)軟件

檢測和驗(yàn)證工作通常應(yīng)有一定設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行，其內(nèi)容應(yīng)包括軟件適用的運(yùn)行環(huán)境、適用范圍、軟件的計(jì)算精度、可能出現(xiàn)的問題，以及應(yīng)用時(shí)注意的事項(xiàng)。如我院所有應(yīng)用的軟件，都經(jīng)過數(shù)名有經(jīng)驗(yàn)的工程師進(jìn)行檢測和驗(yàn)證，確認(rèn)軟件可運(yùn)用于工程項(xiàng)目后方可投人使用，并在使用過程中收集使用者的反饋信息，報(bào)請有關(guān)編制單位協(xié)調(diào)解決在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題。

2.3加強(qiáng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件的選取與管理

選擇使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件時(shí)，要選用具有相當(dāng)開發(fā)實(shí)力的正規(guī)開發(fā)商，這樣在軟件升級和售后服務(wù)等諸多方面才能達(dá)到保障。切不可采用盜版軟件，盜版軟件的出錯(cuò)率是隨機(jī)進(jìn)行的，以免造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件運(yùn)行過程中要嚴(yán)格對計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理，防止計(jì)算機(jī)病毒的侵蝕。如采用局域網(wǎng)絡(luò)版軟件時(shí)，可要求所有局域網(wǎng)的所有的計(jì)算機(jī)不安裝光盤和軟盤，只有系統(tǒng)管理員所用的機(jī)器上安裝光盤和軟盤，所有外來軟件必須殺毒后方可拷人系統(tǒng)內(nèi)，以防病毒破壞數(shù)據(jù)系統(tǒng)。并對系統(tǒng)進(jìn)行定期檢查，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)病毒，立即殺毒。

3.計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用：集成框架的發(fā)展

計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即結(jié)構(gòu)CAO，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的有力工具。結(jié)構(gòu)CAO的應(yīng)用普及率，是衡量設(shè)計(jì)單位技術(shù)水平的重要標(biāo)志。集成框架大體分位三類：模型數(shù)據(jù)共享式的集成框架；單一平臺上的簡單集成框架；組件式 CAD 與 CAE 的集成框架。第一類框架采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換文件、文本文件或數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，同時(shí)利用CAD 軟件及 CAE 軟件的二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的設(shè)計(jì)與分析功能。該類集成框架具有集成簡單、建模方便等優(yōu)點(diǎn)，使用最多。第二類包括CAE 平臺上 CAD 集成和 CAD 軟件平臺的 CAE集成。第三類是通過調(diào)用 CAD 組件和其它相關(guān)組件，可方便地對幾何模型數(shù)據(jù)、工程信息數(shù)據(jù)及有限元模型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時(shí)借助第三方專業(yè)化 CAE軟件平臺的二次開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的有限元分析與計(jì)算功能。

4.結(jié)語

通過對計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展和使用中注意事項(xiàng)的探討，可以看到計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的出現(xiàn)大大推動(dòng)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的向前發(fā)展，減輕了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率。同時(shí)由于集成框架的開發(fā)也大大擴(kuò)展了其運(yùn)用范圍這是值得繼續(xù)探討和研究的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳明，鄧矢斧，朱睿，等.基于CATIA平臺的CAD/CAE集成[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2006，18（7）：1078-1082.