水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中MathCAD的應(yīng)用研究

【摘要】對(duì)水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，能夠使發(fā)電、排澇、防洪及發(fā)電等功能得到最大限度的發(fā)揮，從而使其環(huán)境價(jià)值與經(jīng)濟(jì)效益都能得到最大程度的體現(xiàn)。在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量將直接關(guān)系到整個(gè)水利工程的經(jīng)濟(jì)性與安全性，因此，必須要確保水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。MathCAD數(shù)學(xué)軟件是水工結(jié)構(gòu)中的重要應(yīng)用軟件，其具備諸多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用十分廣泛。為此，本文便對(duì)水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中MathCAD數(shù)學(xué)軟件的具體應(yīng)用進(jìn)行深入的研究。

【關(guān)鍵詞】水工結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；MathCAD；應(yīng)用研究

水利水電工程為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)，對(duì)水利水電工程進(jìn)行應(yīng)用與實(shí)施，是確保我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要保障。但在水利水電工程施工中，其水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，將直接對(duì)整個(gè)工程的質(zhì)量與安全產(chǎn)生巨大影響，在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中包含有諸多工作與設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，如結(jié)構(gòu)計(jì)算、應(yīng)力計(jì)算、調(diào)洪設(shè)計(jì)計(jì)算等，這也使水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專業(yè)性非常強(qiáng)，因此需要極強(qiáng)的技術(shù)支撐才能滿足水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。而在以往的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要是通過(guò)EXCEL軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)WORD軟件來(lái)整理計(jì)算書，這無(wú)疑給水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了極大的不便。在此形勢(shì)下，MathCAD數(shù)學(xué)軟件的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了EXCEL軟件與WORD軟件之間的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，進(jìn)而給水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提供了極大的便利。

一、MathCAD數(shù)學(xué)軟件綜述

（一）MathCAD數(shù)學(xué)軟件

MathCAD數(shù)學(xué)軟件是由Mathsoft公司研發(fā)出來(lái)的，該軟件能夠進(jìn)行交互式操作，這也使其成為現(xiàn)今數(shù)學(xué)軟件中最為重要的一個(gè)。在MathCAD數(shù)學(xué)軟件中包含有相應(yīng)的數(shù)據(jù)集成軟件包，這使MathCAD數(shù)學(xué)軟件具備計(jì)算、文字轉(zhuǎn)換與繪圖等諸多功能，其能夠?qū)⒈砀窠缑媾c文字界面進(jìn)行有機(jī)結(jié)合起來(lái)，同時(shí)MathCAD數(shù)學(xué)軟件中還配備有相應(yīng)的函數(shù)庫(kù)，這使其能夠?qū)υS多數(shù)學(xué)問(wèn)題進(jìn)行有效解決。此外MathCAD數(shù)學(xué)軟件中還擴(kuò)展有諸多接口，其能夠?qū)Φ谌杰浖M(jìn)行調(diào)用，以使軟件得到更好的利用與擴(kuò)展。

（二）MathCAD數(shù)學(xué)軟件的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

MathCAD數(shù)學(xué)軟件的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于其操作簡(jiǎn)單、并能實(shí)現(xiàn)成像與計(jì)算之間的完美結(jié)合，同時(shí)其還具備極強(qiáng)的兼容性，MathCAD數(shù)學(xué)軟件的操作簡(jiǎn)單優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在其應(yīng)用界面的簡(jiǎn)潔上，只要操作人員具備一定的數(shù)學(xué)知識(shí)與Word軟件的操作能力，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)MathCAD軟件的操作，其簡(jiǎn)單易學(xué)，不需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算操作。MathCAD數(shù)學(xué)軟件的成像與計(jì)算優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在其內(nèi)部中含有的函數(shù)庫(kù)中，在該函數(shù)庫(kù)中包括各種函數(shù)容量與指令函數(shù)，這使其能夠?qū)ξ⒎e分、向量及矩陣等多種函數(shù)進(jìn)行有效處理，同時(shí)其還能夠利用計(jì)算來(lái)輸出圖形，并生成三維坐標(biāo)與平面圖，此外，其不僅能夠?qū)κ噶繄D、直線圖等多種靜態(tài)平面圖進(jìn)行生成以外，還能對(duì)動(dòng)態(tài)立體圖進(jìn)行生成。MathCAD數(shù)學(xué)軟件的兼容性特點(diǎn)，使其能夠?qū)icrosift office、ODBC等系統(tǒng)軟件及資源進(jìn)行兼容，并能實(shí)現(xiàn)多種圖形格式與文字計(jì)算結(jié)果在不同軟件中的相互導(dǎo)入、輸出與切換。

二、水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中MathCAD的應(yīng)用研究

（一）在水工結(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用

在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要涉及到試算、查表等計(jì)算問(wèn)題，而這些計(jì)算問(wèn)題都可通過(guò)MathCAD數(shù)學(xué)軟件的應(yīng)用來(lái)進(jìn)行良好的解決。比如，在水式結(jié)構(gòu)計(jì)算中需要對(duì)消能防沖進(jìn)行計(jì)算時(shí)，為了使其計(jì)算結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確的判斷壩體底部中水流的銜接狀態(tài)，需要在計(jì)算過(guò)程中，將收縮斷面水深與下游水深的共軛水深進(jìn)行對(duì)比，不過(guò)考慮到收縮斷面水深的方程式為隱形的，因此難以進(jìn)行直接求解，此時(shí)便可通過(guò)MathCAD軟件中的given-find模塊來(lái)對(duì)其進(jìn)行求解，其計(jì)算公式可表示為、、。在該公式中，壩體上游總能頭由表示，重力加速度由表示，流速系數(shù)由表示，佛汝德數(shù)由表示。利用上述參數(shù)中的已知條件，便可通過(guò)MathCAD軟件中的given-find模塊進(jìn)行求解。

（二）在水工結(jié)構(gòu)繪圖中的應(yīng)用

由上文中可以了解到，在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中MathCAD軟件能夠進(jìn)行計(jì)算，除此之外，其還具備很強(qiáng)的繪圖功能，通過(guò)MathCAD的應(yīng)用能夠繪制出三維直角坐標(biāo)曲面圖與直角坐標(biāo)系等，因此其在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中能夠進(jìn)行廣泛應(yīng)用。在對(duì)某水電站進(jìn)行下游水位流量變化與水位變化曲線圖繪制時(shí)，可通過(guò)MathCAD軟件來(lái)對(duì)M進(jìn)行定義，使其成為相應(yīng)的兩列矩陣，并對(duì)矩陣中的水位與流量?jī)蓚€(gè)要素進(jìn)行設(shè)置，然后在平面中指定一個(gè)點(diǎn)，插入X-YPlot圖像，此時(shí)曲線圖中的下方和左方分別會(huì)出現(xiàn)一個(gè)輸入占用符，這時(shí)只需要對(duì)這些占用符進(jìn)行相應(yīng)數(shù)值的輸入，MathCAD數(shù)學(xué)軟件便可對(duì)該水電站中流量與水位之間的關(guān)系圖進(jìn)行自動(dòng)繪制。

（三）在水工結(jié)構(gòu)計(jì)算書編制中的應(yīng)用

在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，MathCAD數(shù)學(xué)軟件中的函數(shù)計(jì)算與圖像繪制都需要借助于相應(yīng)的計(jì)算書才能完成，因此必須要預(yù)先對(duì)計(jì)算書進(jìn)行編制，而通過(guò)MathCAD軟件的使用，能夠有效完成計(jì)算書的編制工作。計(jì)算書的編制和手寫編制較為相似，在計(jì)算書中，要求其各項(xiàng)數(shù)據(jù)都必須能夠清晰而明確的顯示，并且計(jì)算書中公式的繪制和計(jì)算方式書寫等都和手寫方式比較接近，因此這也使水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，計(jì)算書的編制非常容易被工程人員所掌握，而且也便于設(shè)計(jì)人員對(duì)計(jì)算書進(jìn)行檢查與校對(duì)。此外，工程人員還可以在MathCAD軟件中設(shè)置相應(yīng)的計(jì)算模塊以便于應(yīng)用，如擋土墻計(jì)算模塊、消力池計(jì)算模塊等。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)水利水電工程的高速發(fā)展，使MathCAD數(shù)學(xué)軟件的應(yīng)用范圍變得越來(lái)越廣泛，這也使其在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。因此，水工工程設(shè)計(jì)人員必須要對(duì)MathCAD數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行掌握與應(yīng)用，使MathCAD軟件能夠充分應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)工作當(dāng)中去，以使水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作效率得到最大限度的提高。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：李成，男，（1986.04.19）碩士學(xué)歷，工程師職稱，廣東省水利電力規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，從事水工結(jié)構(gòu)、巖土工程及地下工程類工作。