計算機輔助結構設計和應用探討

【摘 要】計算機輔助結構設計的應用，結構設計人員不但可以計算復雜的結構體系，而且節省了結構設計時間，為多方案反復比較提供了可能。在使用計算機輔助結構設計和分析實際生產問題時，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：一種基于統一模型庫方式的組件式CAD/CAE集成框架，以結構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構的應用范圍。

【關鍵詞】計算機；結構設計；應用探討

隨著國民經濟的高速發展，人們生活水平不斷提高，對建筑的要求越來越高，結構體系越來越復雜。這就在技術層面上要求結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構的靜力及動力問題，而且還可進一步對各種形式的結構方案進行經濟比較而取得優化的結果。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 技術緊密結合，以適應現代產品的動態設計特性的要求。

1.計算機輔助結構設計的發展狀況

計算機輔助結構設計的發展也是隨著我國經濟建設和互聯網技術的發展而不斷改進的，以往的計算機輔助結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構設計的不足

上世紀，我國計算機發展的程度不夠大，信息化普及范圍不大，使得計算手段上發展的滯后，盡管結構設計人員希望在制訂結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構進行較準確的分析，工時過長而難以實現。

1.2現在計算機輔助結構設計的發展

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構分析時間大大縮短，而精度大大提高，在短時間內即可通過多方案比較，找出技術先進、經濟合理的結構方案。在結構工程試驗中，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。一個規范的設計工程，首先要考慮其計算機模擬試驗發生的可能性，再要對其結構進行精確的分析，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構的有限元分析軟件，薄壁柱理論的優點是自由度少，使復雜的高層結構分析得到了簡化，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構有限元分析軟件，由于殼元即有平面內剛度，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，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，現階段的結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，其上部磚混結構的風荷載，地震荷載所產生的內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現很多計算機模擬試驗的優點：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據和圖形。

2.計算機輔助結構軟件運用注意要點

結構設計人員在應用計算機輔助結構軟件在進行結構分析計算時，要保持頭腦清醒，充分認識到目前計算機輔助結構設計軟件還很不完善，不要對計算機輔助結構設計軟件過分依賴，要充分發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。

2.1確定好計算機軟件的前提條件

在計算前合理選擇結構受力體系，最好是通過多方案比較確定結構受力體系，如果沒有一個相對合理的受力體系，而運用計算機輔助結構設計軟件進行分析，決不會有合理的結果，盲目的進行計算，只有導致不合理的分析數據。同理，計算參數是計算的前提條件，在運用計算機進行數據運行時，如果前提條件不合理或錯誤，即計算參數的選定出現偏差，那只會帶來不合理或錯誤的結果，從而導致工程事故，如某框架設計因參數不合理，出現了明顯的計算錯誤。

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驗的結構工程師進行，其內容應包括軟件適用的運行環境、適用范圍、軟件的計算精度、可能出現的問題，以及應用時注意的事項。如我院所有應用的軟件，都經過數名有經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調解決在運行中出現的問題。

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實力的正規開發商，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。如采用局域網絡版軟件時，可要求所有局域網的所有的計算機不安裝光盤和軟盤，只有系統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內，以防病毒破壞數據系統。并對系統進行定期檢查，一經發現病毒，立即殺毒。

3.計算機輔助結構設計的應用：集成框架的發展

計算機輔助結構設計，即結構CAO，是結構設計人員的有力工具。結構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：模型數據共享式的集成框架；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據交換文件、文本文件或數據庫等數據存儲方式進行模型數據的存儲，同時利用CAD 軟件及 CAE 軟件的二次開發技術實現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。第三類是通過調用 CAD 組件和其它相關組件，可方便地對幾何模型數據、工程信息數據及有限元模型數據進行統一管理，同時借助第三方專業化 CAE軟件平臺的二次開發，可實現強大的有限元分析與計算功能。

4.結語

通過對計算機輔助結構設計的發展和使用中注意事項的探討，可以看到計算機輔助結構設計的出現大大推動了結構設計的向前發展，減輕了結構設計人員的勞動強度，提高了結構設計效率。同時由于集成框架的開發也大大擴展了其運用范圍這是值得繼續探討和研究的。

【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.