水工結構設計中MathCAD的應用研究

【摘要】對水工結構進行合理的設計，能夠使發電、排澇、防洪及發電等功能得到最大限度的發揮，從而使其環境價值與經濟效益都能得到最大程度的體現。在水工結構設計工作中，其結構設計質量將直接關系到整個水利工程的經濟性與安全性，因此，必須要確保水工結構設計的合理性。MathCAD數學軟件是水工結構中的重要應用軟件，其具備諸多應用優勢，在水工結構設計中的應用十分廣泛。為此，本文便對水工結構設計中MathCAD數學軟件的具體應用進行深入的研究。

【關鍵詞】水工結構；結構設計；MathCAD；應用研究

水利水電工程為我國的經濟發展做出了卓越的貢獻，對水利水電工程進行應用與實施，是確保我國國民經濟建設的重要保障。但在水利水電工程施工中，其水工結構設計的合理性，將直接對整個工程的質量與安全產生巨大影響，在水工結構設計工作中包含有諸多工作與設計環節，如結構計算、應力計算、調洪設計計算等，這也使水工結構設計的專業性非常強，因此需要極強的技術支撐才能滿足水工結構的設計要求。而在以往的水工結構設計中，主要是通過EXCEL軟件來進行計算，并通過WORD軟件來整理計算書，這無疑給水工結構設計工作帶來了極大的不便。在此形勢下，MathCAD數學軟件的出現，實現了EXCEL軟件與WORD軟件之間的優勢結合，進而給水工結構設計工作提供了極大的便利。

一、MathCAD數學軟件綜述

（一）MathCAD數學軟件

MathCAD數學軟件是由Mathsoft公司研發出來的，該軟件能夠進行交互式操作，這也使其成為現今數學軟件中最為重要的一個。在MathCAD數學軟件中包含有相應的數據集成軟件包，這使MathCAD數學軟件具備計算、文字轉換與繪圖等諸多功能，其能夠將表格界面與文字界面進行有機結合起來，同時MathCAD數學軟件中還配備有相應的函數庫，這使其能夠對許多數學問題進行有效解決。此外MathCAD數學軟件中還擴展有諸多接口，其能夠對第三方軟件進行調用，以使軟件得到更好的利用與擴展。

（二）MathCAD數學軟件的應用優勢

MathCAD數學軟件的應用優勢在于其操作簡單、并能實現成像與計算之間的完美結合，同時其還具備極強的兼容性，MathCAD數學軟件的操作簡單優勢主要體現在其應用界面的簡潔上，只要操作人員具備一定的數學知識與Word軟件的操作能力，便能夠實現對MathCAD軟件的操作，其簡單易學，不需要進行復雜的計算操作。MathCAD數學軟件的成像與計算優勢主要體現在其內部中含有的函數庫中，在該函數庫中包括各種函數容量與指令函數，這使其能夠對微積分、向量及矩陣等多種函數進行有效處理，同時其還能夠利用計算來輸出圖形，并生成三維坐標與平面圖，此外，其不僅能夠對矢量圖、直線圖等多種靜態平面圖進行生成以外，還能對動態立體圖進行生成。MathCAD數學軟件的兼容性特點，使其能夠對Microsift office、ODBC等系統軟件及資源進行兼容，并能實現多種圖形格式與文字計算結果在不同軟件中的相互導入、輸出與切換。

二、水工結構設計中MathCAD的應用研究

（一）在水工結構計算中的應用

在水工結構設計中需要涉及到試算、查表等計算問題，而這些計算問題都可通過MathCAD數學軟件的應用來進行良好的解決。比如，在水式結構計算中需要對消能防沖進行計算時，為了使其計算結果能夠更加準確的判斷壩體底部中水流的銜接狀態，需要在計算過程中，將收縮斷面水深與下游水深的共軛水深進行對比，不過考慮到收縮斷面水深的方程式為隱形的，因此難以進行直接求解，此時便可通過MathCAD軟件中的given-find模塊來對其進行求解，其計算公式可表示為、、。在該公式中，壩體上游總能頭由表示，重力加速度由表示，流速系數由表示，佛汝德數由表示。利用上述參數中的已知條件，便可通過MathCAD軟件中的given-find模塊進行求解。

（二）在水工結構繪圖中的應用

由上文中可以了解到，在水工結構設計中MathCAD軟件能夠進行計算，除此之外，其還具備很強的繪圖功能，通過MathCAD的應用能夠繪制出三維直角坐標曲面圖與直角坐標系等，因此其在水工結構設計中能夠進行廣泛應用。在對某水電站進行下游水位流量變化與水位變化曲線圖繪制時，可通過MathCAD軟件來對M進行定義，使其成為相應的兩列矩陣，并對矩陣中的水位與流量兩個要素進行設置，然后在平面中指定一個點，插入X-YPlot圖像，此時曲線圖中的下方和左方分別會出現一個輸入占用符，這時只需要對這些占用符進行相應數值的輸入，MathCAD數學軟件便可對該水電站中流量與水位之間的關系圖進行自動繪制。

（三）在水工結構計算書編制中的應用

在水工結構設計中，MathCAD數學軟件中的函數計算與圖像繪制都需要借助于相應的計算書才能完成，因此必須要預先對計算書進行編制，而通過MathCAD軟件的使用，能夠有效完成計算書的編制工作。計算書的編制和手寫編制較為相似，在計算書中，要求其各項數據都必須能夠清晰而明確的顯示，并且計算書中公式的繪制和計算方式書寫等都和手寫方式比較接近，因此這也使水工結構設計中，計算書的編制非常容易被工程人員所掌握，而且也便于設計人員對計算書進行檢查與校對。此外，工程人員還可以在MathCAD軟件中設置相應的計算模塊以便于應用，如擋土墻計算模塊、消力池計算模塊等。

結語

綜上所述，我國水利水電工程的高速發展，使MathCAD數學軟件的應用范圍變得越來越廣泛，這也使其在水工結構設計中發揮著越來越重要的作用。因此，水工工程設計人員必須要對MathCAD數學軟件進行掌握與應用，使MathCAD軟件能夠充分應用到實際設計工作當中去，以使水工結構設計的工作效率得到最大限度的提高。

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作者簡介：李成，男，（1986.04.19）碩士學歷，工程師職稱，廣東省水利電力規劃勘測設計研究院，從事水工結構、巖土工程及地下工程類工作。