计算机仿真技术及其在结构工程中应用

计算机应用

第26卷2006年6月

计算机应用

ComputerApplications

Vol.26June2006

文章编号:1001-9081(2006)06Z-0137-02

计算机仿真技术及其在结构工程中应用

李　兰,祝英杰

(青岛理工大学计算机学院,山东青岛266033)

(lanli@http://doc.guandang.net)

摘　要:介绍了仿真技术概念的描述及结构工程的特点,阐述了计算机仿真技术的一般程序、方法及其在结构工程中的研究与应用。

关键词:计算机仿真;结构工程;系统;仿真模型;结构试验中图分类号:TP391.9　　文献标识码:A

1　计算机仿真技术简介

计算机仿真是系统仿真[1]的一个重要分支。系统仿真就是建立系统的模型,并在模型上进行实验的过程。系统仿构工程中的计算机仿真技术,两部分。型(数学描述),。计算机仿真程序流程如图1

学模型采用的假定往往不同。因此要想达到仿真的目标,必,。目前,,。

1.2标两方面因素[3],仿真模型是联系数学模型和仿真实验的桥梁。一方面,仿真模型必须依据数学模型,另一方面,数学模型与仿真模型的建立也必须以仿真目标(仿真行为)为核心。因此应设法建立能对特定外界条件激励产生特定行为的仿真模型。其中面向对象的方法利用继承和重载特性就可较好地建立复杂条件下的仿真模型。

为了更有效地进行结构系统的仿真,须对数学模型,仿真模型及仿真目标综合加以分析、研究,才能得到最优仿真效果。仿真实验的实现,即仿真系统的实现途径有:1)运用仿真语言如MIMIC,CSMP,CSSL,MATLAR语言等进行二次开发并形成仿真软件包,近而实现仿真系统;2)直接运用一般的计算机高级语言如———Fortran,C+开发仿真系统。前者通用性强,仿真实现简便,但处理结构工程中一些比较复杂的问题时,因数学模型的复杂而难度增大;后者则更具灵活性,开发者可以根据仿真对象的具体情况,选择有效的仿真数值分析方法,并可以引入最新的研究成果,更能自由地实现自已的仿真理念。当然,作为一个仿真系统,也应具备一般软件所具备的用户友好界面。

1.3　可视化技术

图1　计算机仿真程序流程

1.1　数学模型

数学模型是计算机仿真的基础。在结构工程中,数学模型可以根据已有的且成熟的结构分析和计算机理论,经分析

和演绎导出。若使数学模型(数学表达式)做到科学合理性,应使建立的模型具有结构清晰性,切题真实性,精密和集合性。当然,计算机仿真所用的数学模型确切地讲应该是对结构系统在一定条件或假定下所具有的主要特性的数学描述(数学表达式)。因此,数学模型不是对结构系统完全真实的描述,而是对它的近似或简化的描述

[2]

仿真中的可视化技术涉及的学科多、算法复杂、设备多[4],现有的可视化软件常常不能满足要求,因而不可避免地涉及到可视化编程。目前可用于编程的可视化软件多数表现为一些图形库或图像处理程序,如PHIGS+,GL,GKS,

SIG,GRAPH等。它们是一些基本的图形、图像处理程序,借

。

此外,根据研究对象的特点和条件,数学模型可分为连续

的(线性和非线性),离散的,静态的及动态的。与其对应的计算机仿真可分为连续系统的仿真,离散系统的仿真,静态系统及动态系统的仿真,也可以是混合系统的仿真,如连续动态系统仿真。

在建立数学模型时必须采用一定的假定,如受弯构件的平截面假定等,而数学模型只有在假定成立时有效,不同的数

助高级语言编程。

可视化编程是指开发可视化软件的程序设计。这是一种面向图形、图像处理的编程环境,并且模块化、动态集成,使用者可以在不需要了解各功能模块细节的基础上,通过简单的模块组合,即可生成自己的可视化软件。如AVS(Application

VisualizationSystem)和GIVE等可视化系统等。可视化编程

环境的基本原理是将可视化过程看成一个循环过程:由计算

　　收稿日期:2005-10-12;修订日期:2005-12-04

　　基金项目:山东省教育厅基金项目(J04D13);山东省青岛市科技发展项目(04232NS210)　　作者简介:李兰(1963-),女,辽宁本溪人,副教授,硕士,主要研究方向:软件工程、数据库系统研究;　祝英杰(1961-),男,辽宁本溪人,教授,博士,主要研究方向:混凝土结构、砌块砌体结构理论及抗震.

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得到数值结果,通过数据分析得到数据的可视化图像,通过图像的观察分析,再按需要修改计算方案、边界及网格,然后重新计算。可视化编程环境把此循环中的基本功能归纳为一个可以由计算机实现的统一模式,它包含过滤(数据变换及提取)、映射(把数据映射为几何图元)和绘制(由几何数据绘制成浓淡画面)等基本模块,使用者按仿真目的要求,通过菜单交互动态地连接生成所需要的可视化软件。

1.4　有限元方法

有限元分析方法理论发展已经很成熟,广泛应用于工程领域,已成为当代计算机仿真及其计算机辅助设计的核心技术。在有限元分析中最为活跃的可视化技术研究方向有实体造型,非线性现象,动态和稳定问题,网格的自适应选择等。可视化技术对提高有限元法应用的可靠性和精确度起着非常重要的作用。

1.5　人工智能技术

在比较复杂结构工程中,计算机仿真技术中需要用到人工智能(ArtificialIntelligence,AI)技术,式,有仿真智能,门知识。

国外已开发出了一系列成功的专家系统。如楼板设计系统FLODER、结构构件设计SPEX等。国内也研究出不少专家系统,应用领域也很广。如城市规划的智能辅助决策系统;建筑工程项目成本测算、施工管理专家系统;现有厂房评估对策专家系统等。

1.6　数据库技术

对于大型结构工程的计算机仿真,还需要建立大型数据库、图形库系统,与网络技术结合,可以让结构工程工作者共享数据,避免重复输入带来的浪费和错误。统一化标准化是保证仿真质量的重要手段,除了有好的操作系统和应用软件外,还必须建立起一个内容丰富的图形库,图形库应包括统制图标准,常用标准图,符合规范的构造节点样图等,这是一个量大面广的基础工作,而且应有不同层次的图形库,如国家级的、地区性的和单位自有的图形库。数据库技术与多媒体技术结合,可以开发出多媒体数据库。采用多媒体数据库技术进行信息的存储和管理,可以对结构工程领域中大量的文档、设计方案、图纸等资料进行有效的管理。多媒体数据库为结构工程的仿真提供了新型高效的信息工具。

2　计算机仿真技术在结构工程中的应用

2.1　在结构工程中的分类

(1)单个结构构件的计算机模拟

[5～7]

线和梁的极限破坏过程等,并可绘出梁的破坏过程的显示图像,可直观地对构件进行弹性或弹塑性受力分析[8]。

(2)多层结构的计算机试验模拟

多层结构一般指房屋层数小于9层的结构。作为一个结构,都是由不同的结构件,按各自功能有机地组合而形成一个整体,当然比单个构件要复杂得多,以住的试验研究是通过模型试验来完成的。与(1)中相似,可以利用计算机进行模拟试验,确定不同加载条件下结构的内力分布,位移变化情况等,还可以再现结构平面或立体的破坏过程等。如钢筋混凝土框架结构在单调加载试验的计算机仿真。显而易见,计算机仿真的目标已由早期的单一化向多元化方向发展,所考虑的因素越来越多,越来越复杂,因而计算机仿真的精确性,真实性越来越高。

[10],语言编制了可,,为核心数;并编制核心模拟计算程序,实现了模型结构在地震作用下的倒塌反应分析。用后处理软件将计算结果图形化和动态演示,并结合模拟地震 …… 此处隐藏：5703字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……