計算機輔助結(jié)構設計和應用探討
2015-04-29 00:00:00趙志偉
【摘 要】計算機輔助結(jié)構設計的應用，結(jié)構設計人員不但可以計算復雜的結(jié)構體系，而且節(jié)省了結(jié)構設計時間，為多方案反復比較提供了可能。在使用計算機輔助結(jié)構設計和分析實際生產(chǎn)問題時，需要針對其中某些復雜多變的集成問題設計更為適用的實驗模型：一種基于統(tǒng)一模型庫方式的組件式CAD/CAE集成框架，以結(jié)構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，此種集成框架能擴大計算機輔助結(jié)構的應用范圍。
【關鍵詞】計算機；結(jié)構設計；應用探討
隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，對建筑的要求越來越高，結(jié)構體系越來越復雜。這就在技術層面上要求結(jié)構設計人員應用計算機輔助設計軟件，使之不但可以計算各種復雜的空間結(jié)構的靜力及動力問題，而且還可進一步對各種形式的結(jié)構方案進行經(jīng)濟比較而取得優(yōu)化的結(jié)果。其中計算機輔助設計（ComputerAided Design，CAD）技術與計算機輔助工程（ComputerAided Engineering，CAE）技術的集成是當今計算機輔助領域中研究熱點之一，目的是將代表先進幾何建模技術的 CAD 技術與代表強大分析計算能力的 CAE 技術緊密結(jié)合，以適應現(xiàn)代產(chǎn)品的動態(tài)設計特性的要求。
1.計算機輔助結(jié)構設計的發(fā)展狀況
計算機輔助結(jié)構設計的發(fā)展也是隨著我國經(jīng)濟建設和互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展而不斷改進的，以往的計算機輔助結(jié)構設計存在很多的問題，毋庸置疑的是目前我國的計算機輔助結(jié)構設計有一定的改進，其應用的范圍和方式也有很大的改善。
1.1以往的計算機輔助結(jié)構設計的不足
上世紀，我國計算機發(fā)展的程度不夠大，信息化普及范圍不大，使得計算手段上發(fā)展的滯后，盡管結(jié)構設計人員希望在制訂結(jié)構方案時能進行多方案比較，但因手工計算工作量大，計算簡圖不盡合理，無法對復雜的三維結(jié)構進行較準確的分析，工時過長而難以實現(xiàn)。
1.2現(xiàn)在計算機輔助結(jié)構設計的發(fā)展
如今計算機運算速度的加快和貯存增大，使各種復雜的空間結(jié)構分析時間大大縮短，而精度大大提高，在短時間內(nèi)即可通過多方案比較，找出技術先進、經(jīng)濟合理的結(jié)構方案。在結(jié)構工程試驗中，計算機輔助試驗軟件的應用，人們開始探索利用計算機模擬試驗的可能。一個規(guī)范的設計工程，首先要考慮其計算機模擬試驗發(fā)生的可能性，再要對其結(jié)構進行精確的分析，所以目前在工程中應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)構的有限元分析軟件，薄壁柱理論的優(yōu)點是自由度少，使復雜的高層結(jié)構分析得到了簡化，但是，實際工程中剪力墻難于滿足薄壁理論假定，計算出人大，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際受力狀態(tài)，理論上較科學，分析精度較高。目前在各種工程設計中，計算機輔助實驗軟件運用的實驗模型也有很多改善，現(xiàn)階段的結(jié)構設計人員采用的計算模型主要有三種：第一種是采用單棍框架簡化計算，其計算精度較低，誤差較大；第二種方法是采用框架模型計算，其缺點是只能按一層框架分析，其上部磚混結(jié)構的風荷載，地震荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力無法傳遞到底框梁上，計算精度不高；第三種方法是采用殼元理論三維結(jié)構有限元分析軟件，把磚墻看作低強度的剪力墻進行計算，其計算精度較高。由此設計人員可以發(fā)現(xiàn)很多計算機模擬試驗的優(yōu)點：它不受空間尺寸和時間長短的限制，可以提供完整清晰的數(shù)據(jù)和圖形。
2.計算機輔助結(jié)構軟件運用注意要點
結(jié)構設計人員在應用計算機輔助結(jié)構軟件在進行結(jié)構分析計算時，要保持頭腦清醒，充分認識到目前計算機輔助結(jié)構設計軟件還很不完善，不要對計算機輔助結(jié)構設計軟件過分依賴，要充分發(fā)揮設計人員的主觀能動性，堅持以人為主，以機為輔，從實際出發(fā)。
2.1確定好計算機軟件的前提條件
在計算前合理選擇結(jié)構受力體系，最好是通過多方案比較確定結(jié)構受力體系，如果沒有一個相對合理的受力體系，而運用計算機輔助結(jié)構設計軟件進行分析，決不會有合理的結(jié)果，盲目的進行計算，只有導致不合理的分析數(shù)據(jù)。同理，計算參數(shù)是計算的前提條件，在運用計算機進行數(shù)據(jù)運行時，如果前提條件不合理或錯誤，即計算參數(shù)的選定出現(xiàn)偏差，那只會帶來不合理或錯誤的結(jié)果，從而導致工程事故，如某框架設計因參數(shù)不合理，出現(xiàn)了明顯的計算錯誤。
2.2檢測和驗證實驗軟件
檢測和驗證工作通常應有一定設計經(jīng)驗的結(jié)構工程師進行，其內(nèi)容應包括軟件適用的運行環(huán)境、適用范圍、軟件的計算精度、可能出現(xiàn)的問題，以及應用時注意的事項。如我院所有應用的軟件，都經(jīng)過數(shù)名有經(jīng)驗的工程師進行檢測和驗證，確認軟件可運用于工程項目后方可投人使用，并在使用過程中收集使用者的反饋信息，報請有關編制單位協(xié)調(diào)解決在運行中出現(xiàn)的問題。
2.3加強計算機設計軟件的選取與管理
選擇使用計算機輔助設計軟件時，要選用具有相當開發(fā)實力的正規(guī)開發(fā)商，這樣在軟件升級和售后服務等諸多方面才能達到保障。切不可采用盜版軟件，盜版軟件的出錯率是隨機進行的，以免造成不必要的經(jīng)濟損失。在計算機設計軟件運行過程中要嚴格對計算機進行管理，防止計算機病毒的侵蝕。如采用局域網(wǎng)絡版軟件時，可要求所有局域網(wǎng)的所有的計算機不安裝光盤和軟盤，只有系統(tǒng)管理員所用的機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)進行定期檢查，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)病毒，立即殺毒。
3.計算機輔助結(jié)構設計的應用：集成框架的發(fā)展
計算機輔助結(jié)構設計，即結(jié)構CAO，是結(jié)構設計人員的有力工具。結(jié)構CAO的應用普及率，是衡量設計單位技術水平的重要標志。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。第一類框架采用標準數(shù)據(jù)交換文件、文本文件或數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)存儲方式進行模型數(shù)據(jù)的存儲，同時利用CAD 軟件及 CAE 軟件的二次開發(fā)技術實現(xiàn)相關的設計與分析功能。該類集成框架具有集成簡單、建模方便等優(yōu)點，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)進行統(tǒng)一管理，同時借助第三方專業(yè)化 CAE軟件平臺的二次開發(fā)，可實現(xiàn)強大的有限元分析與計算功能。
4.結(jié)語
通過對計算機輔助結(jié)構設計的發(fā)展和使用中注意事項的探討，可以看到計算機輔助結(jié)構設計的出現(xiàn)大大推動了結(jié)構設計的向前發(fā)展，減輕了結(jié)構設計人員的勞動強度，提高了結(jié)構設計效率。同時由于集成框架的開發(fā)也大大擴展了其運用范圍這是值得繼續(xù)探討和研究的。
【參考文獻】
[1]陳明，鄧矢斧，朱睿，等.基于CATIA平臺的CAD/CAE集成[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2006，18（7）：1078-1082.
