崔海軍

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127）

基于MATLAB單跨靜定梁內(nèi)力和變形可視化研究

崔海軍

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127）

在Matlab 環(huán)境下，借助其圖形用戶界面技術(shù)，開(kāi)發(fā)用于計(jì)算單跨靜定梁內(nèi)力和變形的圖形用戶界面。該圖形用戶界面可以解決6種單跨靜定梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形計(jì)算問(wèn)題，方便、快捷，對(duì)力學(xué)教學(xué)及對(duì)力學(xué)知識(shí)的理解和掌握有很大的幫助。

Matlab 靜定梁 內(nèi)力 變形 圖形用戶界面

1982 年美國(guó)Math Works 公司推出的矩陣工作室Matlab（Martix Laboratory）是一個(gè)高效的科學(xué)計(jì)算軟件[1]，是一種集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算、可視化建模、仿真和圖形處理等多種功能于一體的優(yōu)秀的圖形化語(yǔ)言。GUI圖形用戶界面的設(shè)計(jì)是Matlab的一個(gè)重要功能，利用GUI技術(shù)可以充分發(fā)揮Matlab強(qiáng)大的可視化能力，在諸多科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域里實(shí)現(xiàn)分析過(guò)程和結(jié)果的可視化[2-5]。本文借助Matlab GUI技術(shù)，將單跨靜定梁內(nèi)力圖和變形圖形象、直觀地在圖形用戶界面求解，并可可以方便顯示出相應(yīng)的最值，并以右端固定單跨靜定懸臂梁圖形用戶界面設(shè)計(jì)為例闡述設(shè)計(jì)過(guò)程，在此基礎(chǔ)上闡明單跨靜定梁內(nèi)力和變形可視化圖形用戶界面的設(shè)計(jì)過(guò)程。

一、右端固定單跨靜定懸臂梁可視化研究

1. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Matlab GUI可視化界面要求在交互式界面上輸入相應(yīng)的參數(shù)，然后運(yùn)行相關(guān)Matlab GUI及其回調(diào)函數(shù)。對(duì)于右端固定單跨靜定懸臂梁內(nèi)力分析及變形研究需要輸入結(jié)構(gòu)的幾何尺寸參數(shù)、載荷參數(shù)意見(jiàn)相應(yīng)的材料參數(shù)。因此，建立了L_date、load、M_load、a、P_load、b、q_load、c、d、E、I等矩陣，另外對(duì)于參數(shù)的輸出建立了M、V、Sita、Y、zuizhi等輸出矩陣。

2. 前處理程序

在前處理中使用界面交互的形式輸入數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)通過(guò)讀寫(xiě)文本文件多次操作數(shù)據(jù)。共有一個(gè)主界面、4個(gè)axes坐標(biāo)軸對(duì)象、4個(gè)Edit Text編輯文本對(duì)象、2個(gè)push button觸控按鈕、17個(gè)Static Text靜態(tài)文本對(duì)象，6個(gè)Panel面板對(duì)象。

4個(gè)Edit Text編輯文本對(duì)象用于已知條件數(shù)據(jù)的輸入，如結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、荷載參數(shù)、材料彈性模量以及截面慣性矩；2個(gè)push button觸控按鈕用于程序的運(yùn)行及結(jié)束清除變量；4個(gè)axes坐標(biāo)軸對(duì)象用于繪制剪力圖、彎矩圖、轉(zhuǎn)角曲線圖和撓度曲線圖；Static Text靜態(tài)文本對(duì)象用于輸出彎矩最大值、彎矩最小值、剪力最大值、剪力最小值、轉(zhuǎn)角最大值、撓度最大值；6個(gè)Panel面板對(duì)象使界面更加美觀[6]。

完成各個(gè)控件的布局，需要根據(jù)控件的功能編制各個(gè)控件的回調(diào)函數(shù)，用右鍵單擊該

控件，點(diǎn)擊對(duì)話框中view callbacks，選擇一種激活回調(diào)函數(shù)的方式，就可以編制相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，完成一定的功能。

3. 數(shù)據(jù)的輸入及讀取

如圖1所示右端固定懸臂梁。F = 3KN，q = 2KN/m，M = 6KN﹒m，a = 3m，彈性模量

E=2×108KPa，慣性矩為6×10-6mm4KPa。對(duì)其內(nèi)力及變形分析。L_date=[ 6 0 0 0]，Load=[1 -6 3 0; 2 3 0 0; 3 2 0 3]。數(shù)據(jù)輸入如圖2所示。輸入數(shù)據(jù)后

圖1 懸臂梁計(jì)算圖

圖2 右端固定懸臂梁圖形用戶界面

4. 程序運(yùn)行

完成數(shù)據(jù)輸入后，點(diǎn)擊界面“運(yùn)行”按鈕，在4個(gè)axes坐標(biāo)軸對(duì)象內(nèi)分別繪制剪力圖、彎矩圖、轉(zhuǎn)角曲線圖和撓度曲線圖；同時(shí)再右下方的8個(gè)Static Text靜態(tài)文本對(duì)象顯示出彎矩最大值、彎矩最小值、剪力最大值、剪力最小值、轉(zhuǎn)角最大值、撓度最大值。

二、單跨靜定梁可視化教學(xué)界面研究

1. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

L_date：第1列梁全長(zhǎng)， L表示，第二列外伸段長(zhǎng)度，L1表示，第三列簡(jiǎn)支段長(zhǎng)度，L2表示，第四列外伸段長(zhǎng)度，L3表示。后三列如沒(méi)有則為0

2. 前處理程序

與前面程序界面相類似，主界面增加一個(gè)彈起式菜單，可以選擇梁的類型。

3. 數(shù)據(jù)的輸入及讀取

如圖3所示兩端外伸梁。彈性模量E=2×108KPa，慣性矩為6×10-6mm4KPa。L_date=[12 2 8 2]，Load=[1 8 8 0; 2 2 -2 0; 3 2 0 10]。數(shù)據(jù)輸入如圖4。

圖 3兩端外伸梁計(jì)算圖

圖 4

4. 程序運(yùn)行

完成數(shù)據(jù)輸入后，點(diǎn)擊界面“運(yùn)行”按鈕，在4個(gè)axes坐標(biāo)軸對(duì)象內(nèi)分別繪制剪力圖、彎矩圖、轉(zhuǎn)角曲線圖和撓度曲線圖；同時(shí)再右下方的8個(gè)Static Text靜態(tài)文本對(duì)象顯示出彎矩最大值、彎矩最小值、剪力最大值、剪力最小值、轉(zhuǎn)角最大值、撓度最大值。

三、結(jié)語(yǔ)

MATLAB語(yǔ)言盡管相對(duì)容易學(xué)習(xí)，但理解、掌握及靈活運(yùn)用程序有一定的難度。而單跨靜定梁MATLAB GUI可視化教學(xué)界面，使用者只需根據(jù)軟件說(shuō)明在圖形用戶界面輸入?yún)?shù)，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，即可得出力學(xué)結(jié)果?？梢越鉀Q目前工程力學(xué)教學(xué)由于學(xué)時(shí)及實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的限制，難以從動(dòng)手能力感性認(rèn)識(shí)方面培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題，對(duì)于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握有很大的幫助。

[1]毛濤濤，王正林．精通MATLAB GUI設(shè)計(jì)[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2008

[2]王玉山，王銳．Matlab在材料力學(xué)超靜定問(wèn)題求解及粱變形可視化中的應(yīng)用[J]．石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，25(1)：27-30．

[3]黃斌，姚正軍，王紅杰，等．材料力學(xué)性能檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)[J]．實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2005，20(4)：573-578．

[4]周全勝，王連明，邢雪峰，等．基于MATLAB的網(wǎng)絡(luò)交互式虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24(9)：102-105．

[5]喬閃．基于MATLAB面向課題的數(shù)字圖像處理實(shí)踐教學(xué)[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22(8)：93-96．

[6]李彤，項(xiàng)四通，李吉宗．基于Matlab的材料力學(xué)圖形用戶界面系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)驗(yàn)室研究與探索，29(8) :42-44+69

G322

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1007-6344（2015）04-0331-01

崔海軍（1979—），男，碩士，講師，從事結(jié)構(gòu)工程、道路橋梁工程等方面研究工作。