（水工結構工程專業(yè)論文）無帷墻人字門船閘閘首結構計算系統(tǒng)的開發(fā)與應用.pdf

學位論文獨創(chuàng)性聲明： 本人所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取 得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論 文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同事 對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 如不實，本人負全部責任。 論文作者( 簽名) ： 熟窒盔壘 砂客年6 月 ( 注：手寫親筆簽名) 學位論文使用授權說明 河海大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館、中國學術期刊 ( 光盤版) 電子雜志社有權保留本人所送交學位論文的復印件或電子文 檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人電子文檔的內 容和紙質論文的內容相一致。除在保密期內的保密論文外，允許論文被 查閱和借閱。論文全部或部分內容的公布( 包括刊登) 授權河海大學研究生 院辦理。 論文作者( 簽名) ： ( 注：手寫親筆簽名) 橥宇慢 加矽年彳 月日 河海大學碩上學位論文 1 1 課題來源 第一章緒論 隨著計算機技術的不斷發(fā)展，a u t o c a d 、p r o e n g i n e e r 等優(yōu)秀的軟件在機械、 電子、航空、汽車、服裝、建筑等行業(yè)得到了廣泛應用【i 】。這些軟件不但在產(chǎn)品 幾何造型、運動分析、計算分析、數(shù)控編程以及繪圖方面的功能很強，而且提供 了二次開發(fā)接口，如果能有效地對這些軟件進行二次開發(fā)，將進一步提高它們的 實用性和應用效果【2 l 。 近年來我國c a d 技術得到迅猛發(fā)展，水工結構c a d 技術的開發(fā)應用也已經(jīng) 取得了一定進展，一些設計院開發(fā)了專門的水利工程c a d 軟件，如9 0 年代中期天 津勘測設計研究院開發(fā)的重力壩c a d 系統(tǒng)【3 l ，華東勘測設計研究院開發(fā)的重力 壩c a d 系統(tǒng)【4 l ，水利水電科學研究院與中南水電勘測設計研究院共同開發(fā)的拱 壩c a d 系統(tǒng)【5 1 、天津勘測設計研究院的廠房c a d 【6 1 ，這些軟件都在水工結構設計 中發(fā)揮了很大的作用，但它們在功能、應用范圍、人機接口界面( g u i ) 等方面仍 然存在著一定的不足，應用受到很大的限制【_ 7 1 。 水利工程計算機輔助設計軟件發(fā)展緩慢，基本上還在使用比較傳統(tǒng)的設計 方法，究其原因，主要有以下幾點：1 ) 水利行業(yè)軟件適用面窄，從業(yè)人員相對較少； 2 ) 水利工程建筑物的尺寸、形狀等受地形地質條件影響較大，很難進行軟件開發(fā)； 3 ) 軟件設計周期長，難以在短期內產(chǎn)生高額的回報【8 】。因此，水利工程的特殊性 決定了水利技術人員必須針對具有代表性的結構或構件進行軟件開發(fā)，例如單 獨進行重力壩、水電站、船閘等設計系統(tǒng)的開發(fā)，這樣既降低了設計難度，也縮 短了設計周期l 引。 船閘作為船舶克服航道水位落差的一種通航建筑物，是極其重要的航運交通 設施，在交通運輸業(yè)中發(fā)揮著不可估量的作用。而船閘設計涵蓋水利工程的各個 方面，設計過程相當復雜，耗時耗力，是一項系統(tǒng)復雜的工作。因此，編寫一套 系統(tǒng)的、具有良好使用界面的船閘結構計算軟件不僅是必要的，而且具有巨大的 實用價值和社會意義。 本研究工作針對船閘閘首結構進行三維參數(shù)化設計及可視化研究的嘗試，旨 第一章緒論 在應用三維可視化技術進行閘首結構的參數(shù)化設計與建模，實現(xiàn)閘首建模可視 化，并在此基礎上，利用現(xiàn)有的通用有限元軟件，進行閘首的有限元分析以及內 力計算。 1 2 論文的研究意義 1 2 1 船閘概述 1 2 1 1 船閘簡介及工作原理 船閘是供船舶順利克服在天然或渠化河流和運河上建壩形成的集中水位差， 用水力直接提升船舶過壩的一種通航建筑物?，F(xiàn)代的船閘主要由閘室、閘首和弓 航道三部分組成，如圖1 1 所示。 上游引航道 廠弋一 i 一 8 一。一i 、_ j、游引航道 j 1 一 閘室 圖1 1 船閘平面示意圖 閘室是指船閘的上、下閘首和兩側的閘室墻環(huán)繞而形成的空間，是供過閘船 舶停泊用的，通過輸水設備使閘室內水位下降，以幫助船舶克服集中水位落差。 在閘室內一般設有護木、系船環(huán)、系船樁、水尺、鐵梯等，有時在閘室墻或閘室 底板內設有輸水廊道。當船閘灌水或泄水時，閘室中的水面逐漸由下游水位上升 到與上游水位齊平，或逐漸由上游水位下降到與下游水位齊平，停泊于閘室內的 過閘船舶隨閘室水面的升降而升降。 閘首是將閘室與上、下游引航道隔開的擋水及泄水建筑物。在多級船閘中 則用中間閘首將上下閘室相隔開。其中，位于上游端的稱為上閘首，位于下游端 的稱為下閘首。在閘首內設有工作閘門、輸水系統(tǒng)與門、閥門的啟閉機械等設備。 工作閘門是用來封閉閘首口門，以保證閘首的擋水。輸水系統(tǒng)包括輸水廊道和輸 水閥門，是供閘室灌水和泄水用的。啟閉機械是用來啟閉工作閥門和輸水閥門的。 引航道是連接船閘閘首與主航道的一段航道，其作用是保證船舶迅速而安全 地從閘室到主航道( 或相反地從主航道進入閘室) 。與上閘首相接的稱為上游引 2 河海大學碩上學位論文 航道；與下閘首相接的稱為下游引航道。在引航道內設有導航建筑物與靠船建筑 物。導航建筑物的作用是引導船舶順利地進出閘室，一般均與閘首相連接。靠船 建筑物是供過閘的船舶?？坑玫模贾迷谝降赖耐２炊蝺?。 船舶過閘時，由閘首、閘門、閘墻圍成的閘室起擋水作用，由廊道和閥門構 成的輸水系統(tǒng)通過灌( 泄) 水使得閘室水位上升( 下降) ，停在閘室內的船舶借 水浮力隨著閘室水位的升降而由下游水面上升到上游水面，或由上游水面降至下 游水面，從而完成過壩作業(yè)，故船閘又稱為過壩建筑物。因船舶過壩是由水力完 成，故其營運費用較低；另外，船閘尺度可以按照過閘船舶的需要而定，能夠做 到船隊原隊次過閘，故為國內外所廣泛采用。 船閘工作原理如圖1 2 所示。假定船舶從下游駛向上游，閘室內水位為下游 水位，上游閘門及上游閥門是關閉的。首先，船舶從下游引航道內駛入閘室，關 閉下閘門及下游輸水閥門；然后打開上游輸水閥門，向閘室灌水；等閘室內水位 與上游水位齊平后，打開上閘門，船舶駛出閘室進入上游引航道。這樣，就完成 了一次船舶從下游到上游的過閘。當船舶從上游駛向下游時，其過閘程序與此相 反【lo l 。 上閘門 下閘門 上游水位 一 ， ， 可r 1 r - 1 7 乙一一_ j 1 1 一一j ， i 一 下游水位 ，、l、i7 1 、_ j、i 1 亨 。 圖1 2 船舶過閘不意圖 1 2 1 2 船閘在航道建設和水資源綜合利用中的地位和作用 交通運輸是國民經(jīng)濟的重要組成部分，是對國民經(jīng)濟發(fā)展具有全局性、先導 性影響的基礎行業(yè)。其中水路運輸是現(xiàn)代綜合運輸體系中的重要組成部分，對發(fā) 展國民經(jīng)濟，特別是對發(fā)展對外貿(mào)易和遠洋運輸起到舉足輕重的作用。世界上凡 是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較發(fā)達的國家，其內河水運都比較發(fā)達。如美國，歐洲等，基本上 已建成一個四通八達的水運網(wǎng)【l l 】【1 2 】【1 3 】。 內河水運具有運量大，成本低，基建投資少，綜合效益大，對環(huán)境污染少等 第一章緒論 優(yōu)越性。我國流域面積1 0 0 k m 2 以上的河流5 萬多條，湖泊9 0 0 多個，水量充沛，除 少數(shù)地區(qū)河流外，多數(shù)河流終年不凍，具有發(fā)展水運事業(yè)的天然優(yōu)越條件i l 引?？?通航河流5 6 0 9 條，通航里程1 0 8 1 0 4 ，居世界第二位【1 5 l 。但其中，有相當部 分還處在天然狀態(tài)，或水深不夠，或灘多流急，或航道多變，遠不能適應國民經(jīng) 濟發(fā)展對水運運輸?shù)囊螅酱纳仆ê綏l件，建成四通八達的水運網(wǎng)。 渠化河流和設閘運河均須根據(jù)河流比降、兩岸地形、通航規(guī)模等條件逐級修 建一系列的閘壩抬高壩上水位，淹沒灘險，增加航道水深，才可改善通航條件。 由于閘壩的修建，把河流分截為若干河段，把天然河流各河段的比降分別集中 于各梯級，或把運河劃分為若干梯級，因此，形成集中于閘壩上下游的落差。為 了克服落差，必須修建過船建筑物船閘或升船機。而船閘較之升船機有以下 優(yōu)點：1 ) 由于船閘閘首、閘室都是固定建筑物，可按過閘船隊( 船只) 尺度設 計，靠水的浮力提升船舶過壩，故船閘尺度基本不受限制，能較好的適應船隊原 隊過閘要求；而與船閘不同，升船機卻是由機械和電力提升擱置船舶的承船廂實 現(xiàn)船隊過壩，由于承船廂的重量受到限制，所以承船廂的尺度很難滿足船隊原隊 過壩的要求。2 ) 在只要航道河流的水利水電建設、河流渠化、運河開發(fā)多采用 低壩。國內外經(jīng)驗表明，水頭4 0 米以下的通航建筑物，船閘較升船機更具有優(yōu)越 性。3 ) 升船機受地形條件影響較大，不如船閘適應性好。因此，船閘比升船機 更廣泛應用于渠化工程中。 據(jù)統(tǒng)計，我國已建船閘9 0 0 余座，但升船機只有6 0 余座，僅為船閘的l 1 3 ，并 且在有些地區(qū)的小型斜面升船機都是干運【1 6 】。而國外的通航建筑物中船閘也占絕 對多數(shù)，達數(shù)千座，相比之下，升船機極少，僅6 0 余座。對升船機發(fā)展有很大貢 獻的德國和比利時，船閘同樣占絕大多數(shù)。即使為了省水，仍然發(fā)展省水船閘， 而不是升船機。此外，前蘇聯(lián)法國的通航建筑物也以船閘為主，美國基本上是船 閘通航。 綜觀我國和世界發(fā)達國家的通航建筑物建設的歷史和現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展 趨勢，船閘一直也將是通航建筑物的主要型式【1 7 】，而且，船閘規(guī)模和能力大小、 船閘布置和各構筑物的優(yōu)劣均將對全航道起控制作用，是航道通暢的關鍵，如果 船閘規(guī)模、布置和各構筑物的設計不恰當，則很難補救。此外，船閘的投資在全 河流總投資中占較大比例。這充分表明船閘在渠化河流和運河建設中所起的關鍵 作用，也說明重視船閘建設是非常必要的。 4 河海大學碩七學位論文 1 2 2 計算機輔助設計基本理論概述 1 2 2 1c a d 理論基礎 計算機輔助設計( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ，簡稱c a d ) ，是利用計算機強有力 的計算功能和高效率的圖形處理能力，輔助設計者進行工程和產(chǎn)品的設計與分 析，以達到理想的目的或取得創(chuàng)新成果的一種技術【1 8 1 【1 9 】【2 0 】。它是綜合了計算機 科學與工程設計方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學科。計算機輔助設計技術的 發(fā)展與計算機軟件、硬件技術的發(fā)展和完善以及工程設計方法的革新緊密相關。 采用計算機進行輔助設計已是現(xiàn)代工程設計的迫切需要。 c a d 系統(tǒng)是一個綜合集成了多種技術的系統(tǒng)，它將新機技術與應用領域技 術緊密結合在一起，主要涉及以下幾種技術【2 1 】： ( 1 ) 計算機技術。包括計算機硬件，即主機、外圍設備、接口技術等；計 算機軟件，包括操作系統(tǒng)、編程語言、軟件工具、開發(fā)方法等。 ( 2 ) 圖形學技術。包括圖形學算法及其實現(xiàn)、圖形軟件及其標準化、圖形 設備( 顯示器、繪圖儀、數(shù)字化儀、掃描儀) 及其應用等。 ( 3 ) 數(shù)據(jù)管理技術。主要指工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其具有處理文本、圖形、 圖像、c a d 文件、標準、規(guī)范等各種工程數(shù)據(jù)的功能。 ( 4 ) 數(shù)值分析技術。包括有限元分析、數(shù)值計算、模擬、仿真等技術。 ( 5 ) 智能技術。包括知識工程、專家系統(tǒng)、人工智能及智能化接口等。 ( 6 ) 人機界面。如圖形用戶界面( g u i ) 、多媒體界面等。 ( 7 ) 數(shù)據(jù)交換技術。包括個系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換接口及標準。 ( 8 ) 網(wǎng)絡通信技術。包括廣域網(wǎng)、分布式處理、客戶服務器( c s ) 系統(tǒng)、 i m e m e t 和i n t r a n e t 等技術。 1 2 2 2c a d 技術發(fā)展趨勢 c a d 技術從2 0 世紀5 0 年代誕生至今，隨著計算機硬件技術的不斷發(fā)展， 也日趨成熟。已經(jīng)被廣泛地應用于電子、輕工、紡織、服裝、醫(yī)療、國防及工程 設計等國民經(jīng)濟的各個領域2 2 1 ，而且正朝著標準化、智能化、集成化、虛擬設計 的方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： ( 1 ) 自2 0 世紀8 0 年代以來，已經(jīng)出現(xiàn)了圖形級的標準，如p h i g s 、g k s ； 圖形交換級的標準，如c g i 、i g e s 以及近年來正在不斷被完善的s t e p 等。s t e p 第一章緒論 標準覆蓋了整個產(chǎn)品生命周期的數(shù)據(jù)交換標準，對協(xié)同設計、并行工程、集成制 造等具有重要的意義。目前利用基于s t e p 的c a d 技術進行產(chǎn)品設計建模理論 的研究已經(jīng)成為一個熱點【2 3 】【2 4 1 。 ( 2 ) 智能化是c a d 技術發(fā)展的又一熱劇2 5 】【2 6 】。這種智能性體現(xiàn)在把設計 領域專家的知識和工程技術人員的經(jīng)驗融入到c a d 系統(tǒng)中，使之成為可以繼承 的知識庫；其次是c a d 系統(tǒng)本身的智能化，如人機接口、數(shù)據(jù)采集、自動建模、 方案優(yōu)選、仿真模擬以及多媒體技術的應用等等。 ( 3 ) 集成化是當今c a d 技術發(fā)展的一大趨勢口7 】【2 8 1 。一方面c a d 技術不斷 與c a m ( 計算機輔助制造) 、c a p p ( 計算機輔助工藝流程規(guī)劃) 以及m i s ( 管 理信息系統(tǒng)) 、p d m ( 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理) 、m r p ( 制造資源管理) 等系統(tǒng)相集成。 另一方面，由于是當前全球經(jīng)濟一體化，并行工程、異地制造等概念的發(fā)展和應 用，集成化技術將起到舉足輕重的作用。同時，因特網(wǎng)的發(fā)展，使得人們在i n t e m e t 上構建c a d c a m 集成化系統(tǒng)成為可能。 ( 4 ) 科學計算可視化、虛擬設計、虛擬制造技術是2 0 世紀9 0 年代以來c a d 技術發(fā)展的新趨向【2 9 1 【3 0 1 。在虛擬世界中，設計人員可以直接對所設計的產(chǎn)品進 行操作，以及進行各種模擬實驗分析，并可及早看到新產(chǎn)品外型，從而可以幫助 設計者多方位地觀察和評審設計成果。 1 2 3 船閘計算機輔助軟件的設計現(xiàn)狀 隨著我國水利設計理論、方法及技術的發(fā)展，水利行政部門頒布了一系列船 閘相關設計的新規(guī)范，如：船閘水工建筑物設計規(guī)范( j t j 3 0 7 2 0 0 1 ) 、船閘總 體設計規(guī)范( j t j 3 0 5 2 0 0 1 ) 、船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范( j t j 3 0 6 2 0 0 1 ) 、船閘電氣 設計規(guī)范( j t j 3 1 0 2 0 0 4 ) 、船閘閘閥門設計規(guī)范( j t j 3 0 8 1 0 0 3 ) 、水工建筑物抗 震設計規(guī)范( s l 2 0 3 9 7 ) 、水工建筑物荷載設計規(guī)范( d l 5 0 7 7 一1 9 9 7 ) 、水工混凝 土結構設計規(guī)范( d l t 5 0 5 7 1 9 9 6 ) 等，大大規(guī)范了船閘的設計工作。 船閘設計包括船閘的總體設計布置、船閘輸水系統(tǒng)設計、船閘水工建筑物設 計、船閘閘、閥門設計、船閘啟閉機設計、船閘電氣設計、船閘觀測設計等幾大 方面，涉及材料力學、結構力學、彈性力學及土力學等多個學科的相關理論，涵 蓋了水利工程設計的各個方面，是一項系統(tǒng)復雜的工作。其中，船閘水工建筑設 計中的結構設計是重中之重，需要進行大量的數(shù)據(jù)分析計算和研究，經(jīng)過長期建 6 河海大學碩十學位論文 設實踐經(jīng)驗和科學研究，設計理論已經(jīng)日趨成熟完善。但是，由于船閘的設計過 程相當復雜，耗時耗力，人們一直在尋找一種提高船閘設計效率的辦法。 經(jīng)過多年的設計實踐，c a d 技術以簡單、快捷、存儲方便等優(yōu)點已在工程設 計中承擔著不可替代的重要作用，廣泛應用于工程建筑、機械、電子、天文、物 理、化工等行業(yè)。c a d 的使用使得工程設計人員避免了繁瑣的數(shù)字重復輸入工 作，大大提高了工作效率，交通部和各設計院也越來越重視應用軟件的開發(fā)工作。 近1 0 年間，交通部先后撥款幾百萬元立項開發(fā)應用軟件共4 6 項，同時，各 設計院自籌資金自行開發(fā)了大量應用軟件，重點圍繞著市場上急需的水運工程設 計優(yōu)化方案、結構計算和c a d 繪圖三個方面進行。開發(fā)內容涉及水工結構、港 口總平面布置、裝卸工藝、波浪水文處理、經(jīng)濟效益評價、地基處理、系統(tǒng)支撐 環(huán)境、概預算軟件等方面。水工結構方面，交通部內幾個設計院先后開發(fā)了高樁 梁板式碼頭結構總圖c a d 系統(tǒng)、高樁梁板式碼頭結構優(yōu)化c a d 系統(tǒng)、直立式防 波堤c a d 系統(tǒng)、碼頭水工結構附屬設施c a d 、斜坡式防波堤c a d 、開敞式海域 樁基墩臺樁基內力計算軟件、l u 9 梁式碼頭排架計算程序、高樁梁板式碼頭構件 施工圖c a d 和單點系泊力分析系統(tǒng)等，另外開發(fā)了多種碼頭結構的內力計算、穩(wěn) 定計算、圓弧滑動、非圓弧滑動、彈性地基梁計算軟件、平面框架程序和地基計 算等應用軟件。這些軟件廣泛用于設計優(yōu)化和數(shù)值計算，大大提高了設計質量、 設計速度和整體技術水平，在市場競爭中發(fā)揮了重要作用【3 。 計算機在船閘設計上的應用開始于船閘結構計算，主要成果有河海大學于 2 0 世紀9 0 年代用f o r t 氣n 語言編制的軟基上船閘結構計算程序、用l i s p 語 言開發(fā)的船閘結構設計程序，重慶交通學院用c 語言編制的船閘雙鉸閘室結構 計算程序、船閘懸臂( 單鉸) 閘室結構計算程序圈等。這些程序根據(jù)規(guī)范【3 3 1 的要 求，結合工程設計慣例編制，結果也比較準確，使船閘設計效率大大提高，但它們 的缺點是結構設計與計算模塊之間的銜接性能較差，沒有形成整體、通用的設計 軟件。設計、研究人員仍需開展大量的研發(fā)工作。船閘三維建模方面的研究，主 要成果有閘首三維模型的設計【3 4 l ，設計者基于a u 的c a d 的三維實體構型技術， 便捷地實現(xiàn)了閘首的三維構型，但是并沒有擴展c a d 的功能，還不能將模型直接 應用于輔助設計。 此外，還有一些設計人員進行了船閘局部結構c a d 系統(tǒng)開發(fā)，如船閘橫拉門 c a d 系統(tǒng)【3 5 】、船閘人字門c a d 系統(tǒng)【3 6 】【3 7 】【3 8 】、平面鋼閘門集成c a d 【3 9 l 系統(tǒng)、閘 7 第一章緒論 門啟閉機c a d 系統(tǒng)【4 0 】【4 1 】等，這些軟件符合規(guī)范要求h 2 1 ，基本實現(xiàn)了計算分析、 結構圖以及零部件圖繪制、圖紙的自動生成、說明書自動生成等功能，并在實際 工程中得到了驗證，但它們僅僅針對了結構比較簡單的閘門的設計，并不能從根 本上解決船閘設計的問題f 4 3 1 。人們嘗試從不同的角度進行船閘設計軟件的開發(fā)， 但由于計算機技術的限制，以及人力物力資源的缺乏等原因，船閘c a d 軟件研究 并沒有取得很大的進展。隨著計算機技術的發(fā)展，船閘c a d 軟件的開發(fā)也有了很 大的上升空間，這也是我們進行船閘c a d 軟件研究的原因。 1 2 4 論文的研究意義 我國工程結構可視化設計軟件較少，主要集中在土建部門，其中水利工程可 視化輔助設計軟件更少。和其它行業(yè)相比，水利水電行業(yè)是c a d 技術研究和應用 最不成功的行業(yè)之一。迄今為止，國內外尚沒有一個得到公認的水工c a d 商品 化系統(tǒng)，也沒有一家有影響力的專門從事水工c a d 研究和應用的部門，這和c a d 技術在機械、電子等行業(yè)近年來的迅猛發(fā)展形成了鮮明的對比。 由于水利工程修建在不同地方，地區(qū)條件的差異性，使得一些具體參數(shù)不 同。這樣，類似的工程就需要重新設計，使廣大設計人員從頭做起，工作具有很 大的重復性、枯燥性。而且時間大部分花費在煩瑣的繪圖、計算、描圖等工作中。 若利用計算機進行優(yōu)化輔助設計，通過編制程序，使計算與繪圖全部由計算機和 繪圖機完成，則可以節(jié)省大量的人力、物力和財力，把人們從煩瑣枯燥的計算中 解脫出來，而去從事其他管理、決策、方案比較、優(yōu)化設計方面的工作，還可以 達到圖紙的美觀和計算的準確。另外，通過設置參數(shù)，不同地方要修建類工程， 只需用戶輸入具體的設計參數(shù)就可以通過該工程設計軟件計算并繪出滿足用戶 要求的工程圖。 我國船閘工程結構設計中，大都仍停留在某一單項的輔助設計，手工運算與 計算機繪圖相結合的水平上，要進行大量的數(shù)據(jù)文件的填寫，以及繁瑣的結構試 算，若不滿足結構強度和穩(wěn)定性要求，必須返工，計算機的作用通常只是完成繪 圖工作或某一單項的計算。這樣，設計人員就要進行繁重的計算與繪圖工作，重 復性、機械性勞動過多，設計周期長，工作效率低，精確度不高。因此，開發(fā)一 套功能強大且運用方便的可視化的船閘結構設計軟件，已成為水工設計人員重要 而又緊迫的任務。 8 河海大學碩上學位論文 目前c a d 系統(tǒng)的開發(fā)主要有兩種途徑：一種是基于通用c a d 軟件的二次 開發(fā)。目前有很多通用c a d 軟件( 如a u t o c a d 、i d e a s 、p r o e 、v g i i 等) 可 以進行二次開發(fā)，而且這些軟件一般都具有強大的三維圖形功能，一方面，可以 利用內嵌于通用c a d 平臺的二次開發(fā)工具定制菜單、按鈕，設計友好的用戶界 面；另一方面，充分利用通用c a d 平臺強大的三維圖形功能，可以大幅度避免 大量復雜的可視化算法程序研制，從而提高了開發(fā)效率。第二種是利用可視化編 程語言如v b 、v c 、d e l p h i 等直接開發(fā)【4 4 】。這些語言都具備強大的界面開發(fā)功能， 可以直接操作a u t o c a d ，而且可以方便實現(xiàn)血l t o c a d 與其它應用軟件( 如m a t l a b 和e x c e l ) 的通信，同時能夠直接打包成獨立的s e t u p 文件，容易保護自己 的程序，在軟件開發(fā)中發(fā)揮著非常重要的作用。 v b 作為一種常用的面向對象的程序設計語言，提供一種真正的面向對象的 可視化編程方法，利用它為用戶提供的一系列的屬性、方法和控件，可以輕松的 實現(xiàn)一般的計算程序和圖形繪制一5 1 【4 6 1 ，此外，利用v b 的二次開發(fā)技術可以實現(xiàn) v b 對其它軟件的操作，為軟件開發(fā)提供了非常便利的條件。 因此，以a u t o c a d 為平臺，利用v b 編程，以參數(shù)化的建模思想實現(xiàn)船閘 三維模型的可視化，并能結合通用的有限元軟件進行船閘的結構分析計算以及內 力計算，編寫這樣一套系統(tǒng)的、具有良好使用界面、功能強大且使用方便的船閘 結構計算軟件不僅是很有必要，而且很有實用價值。 1 3 本文研究的主要內容 船閘結構設計的主要任務是對閘首、閘室及導航和靠船建筑物等結構在各 種作用組合工況下進行應力分析和強度校核，再對初選布置的結構連同地基進行 抗滑穩(wěn)定和整體穩(wěn)定驗算，以便最終確定結構尺寸以及鋼筋配置。 船閘閘首作為船閘工程的關鍵部位，一般設有輸水廊道、閘門、閥門、閘 閥門啟閉機械及其相應的設備等，結構形式多樣，設備較多，受力狀態(tài)十分復雜， 又是克服水頭的主要結構，因此閘首結構的安全穩(wěn)定將是整個船閘正常工作的保 證，是設計的難點。 本文引入?yún)?shù)化技術和可視化技術，結合實際工程中閘首結構設計中的各種 環(huán)節(jié)和出現(xiàn)的問題，在無帷墻人字門船閘閘首結構計算系統(tǒng)的開發(fā)研究方面做了 一些有益的嘗試。 9 第一章緒論 論文基于v b 6 0 、a u t o c a dv b a 等開發(fā)工具，設計人機友好的交互式界面 和編程進行結構計算，利用a c t i v e xa u t o m a t i o n 技術來實現(xiàn)a u t o c a d 與v b 之 間的連接并建立閘首模型，采用t r u e g r i d 軟件強大的網(wǎng)格剖分功能進行前處 理，并利用通用a n s y s 軟件進行結構計算。這樣一套既有友好的人機交互界面 又有高效的計算能力和前后處理功能的船閘結構計算系統(tǒng)，可以大大減少設計人 員的工作量，提高設計效率，并使得方案的比較和成果的顯示更加直觀合理，能 適應水利行業(yè)發(fā)展的需要。 系統(tǒng)主要是利用a u t o c a d 和v b 兩種開發(fā)工具來實現(xiàn)閘首的參數(shù)化建模和 可視化設計。首先利用v b 語言來開發(fā)船閘的建模程序，建立閘首結構的模型實 體，實現(xiàn)閘首模型的可視化，然后編寫v b 與t r u e g r i d 、a n s y s 軟件的接口程 序，利用現(xiàn)有的有限元軟件進行閘首的結構計算。 本文主要完成以下幾方面的工作： ( 1 ) 閘首結構建模。結合現(xiàn)有的船閘工程實例，對船閘的基本形式，主要 是對船閘閘首結構的基本形式進行分析總結，提取最基本的實體對象，進行參數(shù) 化設計，以達到能夠用若干個獨立的參數(shù)表示出一個完整的船閘閘首實體模型的 目的。進而應用v b 編制閘首建模程序，在a u t o c a d 中建立無帷墻人字門船閘 閘首三維模型，實現(xiàn)模型可視化。 ( 2 ) 閘首結構計算。利用v b 的二次開發(fā)技術，分別編制v b 與t r u e g r j d 、 v b 與a n s y s 的接口程序。通過v b 與網(wǎng)格劃分前處理軟件t r u e g 砌d 的連接， 應用t r u e g r i d 進行網(wǎng)格劃分，實現(xiàn)閘首網(wǎng)格劃分的自動化；通過v b 與a n s y s 的連接，應用a n s y s 進行閘首有限元分析。接口程序的編制實現(xiàn)了各個不同軟 件的集成，共同完成閘首應用系統(tǒng)結構計算的功能。 ( 3 ) 有限元成果后處理。自行編制應力反求內力的程序，以有限元分析數(shù) 值結果文件作為數(shù)據(jù)來源，計算閘首底板、廊道、空箱等結構的內力分布，并編 寫v b 與w b r d 的接口程序，同時結合w r o r dv b a 技術生成計算說明書，為設計 人員提供方便。 ( 4 ) 以劉老澗三線船閘工程為例，應用所開發(fā)的軟件進行下閘首設計計算， 驗證了船閘閘首結構計算系統(tǒng)開發(fā)思路的可行性，以及船閘閘首建模程序、接口 程序、內力計算程序的實用性和可操作性。 l o 河海人學碩士學位論文 第二章船閘閘首系統(tǒng)的開發(fā)技術及設計流程 隨著計算機的發(fā)展，有限單元數(shù)值分析法在工程上有了越來越廣泛的應用。 而目前船閘c a d 軟件開發(fā)中，結構計算大都采用傳統(tǒng)規(guī)范算法，有限單元法研 究較少。因此，本文船閘結構計算系統(tǒng)在船閘有限單元分析的研究上做了一些嘗 試，本章重點介紹船閘有限元結構計算系統(tǒng)的開發(fā)技術以及設計流程。 2 1 系統(tǒng)開發(fā)技術及開發(fā)工具 2 1 1 可視化技術概述 2 1 1 1 可視化技術概念和發(fā)展 可視化，又稱科學計算可視化【4 7 】( v s c ，v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 這一科學術語正式出現(xiàn)于1 9 8 7 年2 月美國國家科學基金會召開的一個研討會上， 會議指出“科學家們不僅需要分析由計算機得出的計算數(shù)據(jù)，而且需要了解在計 算過程中數(shù)據(jù)的變化情況，而這些都需要借助于計算機圖形學及圖像處理技術”， 并將這一涉及到多個學科的領域定名為v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ”， 簡稱“s c i e n t i f i c s u a l i z a t i o n 。這次會議可謂科學計算可視化技術誕生的里程碑 而。從1 9 9 0 年起，美國i e e e 計算機學會計算機圖形學技術委員會開始舉辦一 年一度的可視化國際學術會議，這標志著“科學計算可視化 作為一個學科已經(jīng) 成熟，它的應用遍及所有應用計算機從事計算的科學與工程學科，并且獲得了巨 大效益【4 8 l 【4 9 】。 科學計算可視化的形成是當代科學技術飛速發(fā)展的結果。8 0 年代以后，科 學數(shù)據(jù)的大量產(chǎn)生與缺乏有效地解釋這些數(shù)據(jù)手段的矛盾日益尖銳，出現(xiàn)了一方 面不斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)，另一方面因無法及時解釋和利用這些數(shù)據(jù)，而只能把海量的科 學數(shù)據(jù)存儲起來，形成浪費的局面。而與此同時，計算機圖形學已逐漸成長為一 門成熟的學科，在計算機圖形變換、剪裁、消隱和繪制方面的理論逐漸成熟并開 始走向應用，為可視化提供了理論基礎，科學計算可視化也正是在此背景下產(chǎn)生 的【5 0 】【5 1 1 。 科學計算可視化v s c 的基本思想是：從準備數(shù)據(jù)、實施計算到表達結果都 用圖形或圖像來完成或表現(xiàn)，使用者只需通過圖形就能對研究的對象、過程及結 第二章船閘系統(tǒng)開發(fā)技術及設計流程 果有全面的了解。具體而言，是通過屏幕上作圖與修改繪出的計算模型，自動生 成數(shù)據(jù)文件( 即計算的前處理) 。同時，計算過程和中間結果可形象地用圖形仿真， 以圖線、動畫等形式表現(xiàn)出來，人們可以通過修改圖形來改變參數(shù)，干預和引導 計算，最后結果也可用圖形、顏色動態(tài)模擬來描述，如使用交互網(wǎng)格生成的有限 元模型，結構受荷載作用過程中的位移變化等，或形成c a d 文件( 即后處理) 。 它涉及到計算機圖形學、圖像處理、計算機輔助設計、計算機視覺及人機交互技 術等多個領域，有著廣闊的應用前景【5 2 l 。 可視化的作用【5 3 j 主要體現(xiàn)在以下幾個方面： ( 1 ) 為各應用領域提供可視化的分析工具與手段，實現(xiàn)巨量的、隨時間變 化的多位數(shù)據(jù)的分析和顯示，并可快速提取有意義的特征及結果。 ( 2 ) 為模擬計算和數(shù)據(jù)分析提供視覺交互手段，使研究人員能夠跟蹤和交 互駕馭它們的模擬和計算，大大提高計算的效率和質量。 ( 3 ) 將圖形和計算緊密結合，使處理的數(shù)據(jù)實時地變化為圖形圖像，實現(xiàn) 可視化動態(tài)模擬( 包括大量數(shù)據(jù)的處理與顯示) ，并能通過視覺對模型的性能與 合法性進行有效分析。 ( 4 ) 通過這種數(shù)據(jù)理解的增強，把過去那種將模擬與設計獨立進行處理的 方法結合起來，使模擬與設計中的三維問題能夠相互求解，從而使各種用戶逐步 進入設計方法學的新時代。 科學計算可視化技術首先是為了高效地處理科學數(shù)據(jù)和解釋科學數(shù)據(jù)而提 出并形成的。其次，科學計算可視化豐富了信息交流手段，即科學家之間的信息 交流不再局限于采用文字和語言，而是可直接采用圖形、圖像、動畫等可視信息。 科學計算可視化技術提供的交互視覺計算與即時視覺反饋技術使科學家能夠對 中間計算結果進行解釋，及時發(fā)現(xiàn)非正?，F(xiàn)象與錯誤，達到駕馭( 動態(tài)調整) 計算 過程的目的【5 4 】【5 5 】。 科學計算可視化的形成也是推動工業(yè)發(fā)展、提高工業(yè)界競爭能力的需要。歷 史已經(jīng)證明，推動工業(yè)發(fā)展的原動力是基礎科學研究，科學上的新發(fā)現(xiàn)將促進工 業(yè)界新的革命，而促使基礎研究發(fā)展的重要手段之一是提供先進的科學計算工具 ( 硬件與軟件) 。先進的科學計算工具同時也是促進當代工業(yè)發(fā)展的新動力，例 如無圖紙設計、虛擬樣機技術等對縮短產(chǎn)品設計周期、提高產(chǎn)品質量、降低成本 具有十分重要的作用?？茖W計算可視化是先進科學計算工具的重要組成部分，因 1 2 河海大學碩上學位論文 此，世界各國都十分重視科學計算可視化技術的研究與應用工作【5 引。 2 1 1 2 科學計算可視化技術在土木工程中的應用 現(xiàn)代土木工程始于二十世紀中葉，它是建造各類工程設施的科學技術的總 稱，既包括工程建設的對象，也指所應用的材料、設備和進行的勘測、設計、施 工、保養(yǎng)、維修等技術?，F(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展為土木工程的進一步發(fā)展提供 了強大的物質基礎和技術手段，開始了以現(xiàn)代科學技術為后盾的土木工程新時 期。它除了有功能要求多樣化，城市建設立體化，交通工程快速化和建筑材料輕 質高強化的特點以外，更有施工過程工業(yè)化和設計理論精確化、科學化的要求， 而這些都離不開計算機技術。土木工程是一個極其復雜的工程，有必要采用科學 的理論方法和先進的技術手段，全面系統(tǒng)地分析研究各方面因素，統(tǒng)籌各方面相 互聯(lián)系和制約關系。將三維可視化引入仿真研究，使得仿真過程更加清晰、直觀、 逼真，為全面、準確、快速地分析提供了有力的工具。在未來的發(fā)展中，計算機 輔助技術是土木工程領域十分重視的一個應用研究熱點，是跨學科領域的新技術 發(fā)展重要方面。 1 結構設計可視化 可視化技術在結構設計中有著廣泛的應用【57 1 。結構設計離不開數(shù)據(jù)的處理， 各種數(shù)據(jù)不僅數(shù)量大，而且較抽象，難于理解。工程師更愿意用內力圖來表示內 力情況，用單元受力圖來表示某點的受力狀態(tài)，用撓度來表示某種荷載下構件或 結構的彎曲程度。這些力和撓度是眼睛觀察不到的，在這種情況下，應用可視化 技術可以做到一目了然。結構設計經(jīng)常涉及一些大型項目，如高檔寫字樓和大型 的商業(yè)中心，這些項目通常要進行風洞試驗或大型結構試驗。傳統(tǒng)的風洞試驗和 結構試驗需要采用實物模型。其缺點是：制作模型既費時又昂貴；由于模型通常 是按比例縮放實物，這就使實驗存在著一定的誤差；另外，人無法在近距離觀察 實驗情況( 因為這樣將影響到實驗結果) ，這就給實驗數(shù)據(jù)的獲取造成麻煩，從 而加大實驗的誤差。利用可視化技術模擬風洞可以讓工程師看到模擬的空氣流 場，使其感到好像真的站在風洞里一樣，目的是讓工程師分析多漩渦的復雜三維 性質和效果以及空氣循環(huán)區(qū)域被破壞的亂流等。 2 施工模擬可視化技術 人們可以利用計算機，使用結構分析軟件隨著施工進度不斷對建筑物進行受 力分析。隨著施工的進行，建筑物的結構形式、邊界條件、荷載形式都在不斷改 第二章船閘系統(tǒng)開發(fā)技術及設計流程 變著，計算機可以跟蹤這種施工過程，利用分析得到的數(shù)據(jù)，繪出各種二維或三 維的彩色圖形或圖像，這些圖形圖像既可以表示整個建筑物的情況，也可以只表 示某個局部或某個構件情況，將抽象的數(shù)據(jù)變?yōu)橹庇^的內力圖和變形圖，并用不 同的顏色表示不同的力或位移等物理值，實時顯示施工過程，使影響施工過程的 各種因素更直觀和更容易把握【5 8 】。人們可以通過圖形圖像判斷出當前或預見到今 后某時刻建筑物整體或局部受力、位移情況，得知危險截面的受力狀態(tài)，以采取 措施。 隨著可視化技術的不斷發(fā)展，可視化仿真在土木工程領域中應用越來越廣 泛。主要有以下幾個方面： ( 1 ) 利用可視化技術顯示有限元計算結果； ( 2 ) 利用可視化技術分析和反映結構的動力反應規(guī)律； ( 3 ) 利用可視化技術進行地質體的穩(wěn)定性分析； ( 4 ) 可視化技術與計算機仿真、多媒體技術、虛擬現(xiàn)實等技術相結合，進 行結構的破壞機理、混凝土的澆筑過程、波浪的沖擊和破壞及地形地貌的模擬和 仿真； ( 5 ) 利用可視化技術，開發(fā)出具有決策、管理、查詢、預警等功能的系統(tǒng)。 2 1 1 3 科學計算可視化技術在水利行業(yè)的應用及發(fā)展 隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，科學技術的不斷提高，先進的科學計算方法及工具 將對我們的工作起著推波助瀾的關鍵性作用，可視化技術已經(jīng)廣泛的應用于現(xiàn)代 工業(yè)的各個方面，在建筑行業(yè)已經(jīng)應用于建筑設計、結構設計、仿真分析、建筑 施工等眾多環(huán)節(jié)，水利工程設計可視化技術的研究在技術和經(jīng)濟上具有重大的意 義，將取得更大的發(fā)展和更廣泛的應用【5 9 1 。 現(xiàn)在一些實際的水利工程設計中己經(jīng)應用到可視化仿真技術，如碾壓混凝土 壩溫度場和溫度應力仿真計算可視化【6 0 1 ，河道水流泥沙輸送模型可視化研究，水 電工程動態(tài)可視化仿真方法，泥沙與水質數(shù)模成果可視化，混凝土壩施工的三維 動態(tài)可視化仿真，洪水演進三維模型結構動態(tài)分析中的可視化，施工場地布置可 視化動態(tài)演示，土石方開挖可視化設計等。其中已實現(xiàn)的功能有：用適當?shù)姆绞?顯示數(shù)據(jù)場中各類物理量的分布，對畫面可進行縮放，可交互在三維空間改變觀 位置，實現(xiàn)消隱和光照效應，實現(xiàn)動態(tài)顯示，以及實現(xiàn)友好的人機交互界面等。 但也存在一些不足，如大部分為二維動態(tài)顯示，而且方法也常表示為較簡單的等 1 4 河海大學碩上學位論文 值線圖，等值曲切片圖等，對三維顯示應用不多，并且缺少實時動態(tài)顯示，有待 于進一步的研究【6 1 1 。 隨著計算機運行能力的進一步發(fā)展和可視化模擬方法的逐步完善，可視化技 術將在水利工程中發(fā)揮更加重要的作用。具體表現(xiàn)在： ( 1 ) 可應用在預測、評價、討論各種設計方案中，可直觀探討空間布置合 理性和存在的問題，從而幫助進行優(yōu)化決策。 ( 2 ) 極大地增強了工程設計的直觀性，可大幅度減少工程設計的試驗費用。 利用可視化技術可直接觀察工程設計涉及到的實際存在或計算機模擬的三維物 體的靜止或活動畫面，甚至物體工作過程中幾何、物理甚至化學性能的變化。 ( 3 ) 不僅能獲得各種計算結果，而且利用可視化技術可以了解到計算、設 計、試驗過程中產(chǎn)生的各種現(xiàn)象和變化，通過改變控制參數(shù)，直接觀察參數(shù)的作 用，從而實現(xiàn)對計算、設計、試驗過程的引導和控制。例如在設計時了解或控制 外部荷載對受力和變形的影響。 2 1 2 面向對象技術介紹 2 1 2 1 面向對象技術的基本思想 面向對象的思想起源于2 0 世紀6 0 年代中期的仿真程序設計語言s i m u l a 6 7 ， 2 0 世紀8 0 年代初，s m 甜l t a l k 語言及其程序設計環(huán)境的出現(xiàn)成為面向對象技術發(fā) 展的一個重要里程碑。到2 0 世紀8 0 年代中后期，面向對象的軟件設計方法己發(fā) 展成為一種成熟的、有效的軟件開發(fā)方法【6 2 】【6 3 1 。 面向對象的編程方法與原來針對過程的設計方法有所不同，這種編程方法主 要以對象為核心，考慮對象的構造以及與對象有關的屬性和方法的設計，面向對 象技術給軟件設計領域帶來了極大的變化。它利用軟件的對象來進行程序開發(fā)， 所謂對象是包含數(shù)據(jù)成員和對數(shù)據(jù)成員操作的代碼實體，或者說是在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù) 結構中加入一些被稱為成員函數(shù)的過程，因而賦予對象以動作。而在程序設計中， 對象具有與現(xiàn)實世界的某種對應關系，我們正是利用這種關系對問題進行分解 睇】 o 從程序語言角度來看，在一個對象中成員函數(shù)和數(shù)據(jù)成員可以是這個對象私 有的，不能被對象以外的部分直接訪問。因而對象提供了一種高級保護，以防止 程序被無關部分錯誤修改或錯誤地調用。當從對象外部試圖直接對受保護的內部 第二章船閘系統(tǒng)開發(fā)技術及設計流程 數(shù)據(jù)進行修改時，將被程序拒絕，只有通過對象提供的對外服務函數(shù)才能對其內 部數(shù)據(jù)進行必要的加工，從而保證了數(shù)據(jù)加工的合法性。從這一意義上講，這種 代碼和數(shù)據(jù)的聯(lián)系成為“封裝”。換句話說，封裝是將對象封閉保護起來，是將 內部細節(jié)隱藏起來的能力。 對象的概念源于日常生活，例如，我們學習使用的鋼筆，書本等都是對象， 通信設備的電話、手機等都是對象。面向對象的技術與標準的工業(yè)設計規(guī)律有更 多的相似之處。在面向對象語言中，類是創(chuàng)建對象的關鍵，事實上類描述了一組 對象的公共特征和操作，而對象則是具體實現(xiàn)的類。例如電話機是一個基本概念， 它具有顏色、幾何尺寸、傳輸特性的特征。我們可以定義一個成為“p h o n e ”的 類，具有顏色、幾何尺寸、傳輸特性等數(shù)據(jù)成員，以及描述電話機在外界刺激下 的狀態(tài)成員函數(shù)。一部具體的電話機則是“p h o n e 類的一個對象，在這個對象 有關數(shù)據(jù)成員均有具體數(shù)值，并可以通過輸入說明變量( 外界條件參數(shù)) 設置該 電話機的具體狀態(tài)。 2 1 2 2 面向對象技術的特點 面向對象技術有以下特點【6 5 】： 1 重用性：對象的產(chǎn)生是為了重復利用，設計完成的對象將在程序開發(fā)中被 部分或全部的重復利用，這就是面向對象的最初思想。 2 可靠性：由于面向對象的應用程序包含可通過測試的數(shù)據(jù)成員和成員函 數(shù)，因此更加可靠。由于大量代碼來源于成熟可靠的類庫，所以新開發(fā)程序的新 增代碼明顯減少，這是程序可靠性提高的一個重要原因。 3 連續(xù)性：具有面向對象特點的v b 語言有很大的兼容性，它可以適用于任 何環(huán)境。 4 繼承性：通過對已有類進行增加或部分修改的方法建立新的類，對已有類 可以增加數(shù)據(jù)和過程，也可以對其中某些過程重新定義。最初的類成為基類，從 基類擴展出來的類稱為派生類。 5 封裝性：封裝是把過程和數(shù)據(jù)包圍起來，對數(shù)據(jù)的訪問只能通過已定義 的界面。面向對象計算始于這個概念，即現(xiàn)實世界可以被描繪成一系列完全自治、 封裝的對象，這些對象通過一個受保護的接口訪問其他對象。一旦定義了一個對 象的特性，則有必要決定這些特性的可見性，即哪些特性對外部世界是可見的， 哪些特性用于表示內部狀態(tài)。在這個階段定義對象的接口。通常，應禁止直接訪 1 6 河海大學碩上學位論文 問一個對象的內部數(shù)據(jù)成員，而應通過操作接口訪問對象，稱為信心隱藏。 事實上，信息隱藏是用戶對封裝性的認識，封裝為信息隱藏提供支持。封裝 保證了模塊具有較好的獨立性，使得程序的維護和修改較為容易。對應用程序的 修改僅限于類的內部，因而可以將應用程序修改帶來的影響減少到最低限度。 6 動態(tài)性：是指允許不同類的對象對同一信息做出相應的響應。比如同樣的 加法，把兩個時間加在一起和把兩個整數(shù)加在一起完全不同。又比如，同樣的選 擇編輯、粘貼操作，在字處理程序和繪圖程序中有不同的效果。多態(tài)性包括參數(shù) 化多態(tài)性和包含多態(tài)性。多態(tài)性語言具有靈活、抽象、行為共享、代碼共享的優(yōu) 勢，很好的解決了應用程序函數(shù)同名的問題。 2 1 2 3 面向對象的程序設計語言 隨著計算機技術的發(fā)展，特別是像w i n d o w s 這樣具有圖形用戶界面 ( g u i ，g r 印h i c su s e r i n t e 渤c e ) 的操作系統(tǒng)的廣泛使用，人們形成了一種面向對 象的程序設計思想。這種思想把整個現(xiàn)實世界或其一部分看作是由不同種類對象 ( o b j e c t ) 組成的有機整體。同一類型的對象既有共同點，又有各自不同的特征。 各種類型的對象之間通過發(fā)送消息進行聯(lián)系，消息能夠激發(fā)對象做出相應的反 應，從而構成一個運動的整體。面向對象的程序設計語言就是采用了這種面向對 象的程序設計思想，當前使用較多的面向對象的語言有v b 、c + + 、j a v a 、o b j e c t p a s c a l 等。 2 1 3a u t o c a d 開發(fā)平臺 計算機輔助設計( c a d ) 系統(tǒng)的可視化實質是圖形顯示與分析計算的緊密結 合，即要實現(xiàn)可視與計算一體化( s u a l - c o m p u t i n gi n t e g r a t i o n ) 。其基本過程可以 看成是一個人機交互的循環(huán)過程：由計算得到數(shù)值結果，通過數(shù)據(jù)分析得到數(shù)據(jù) 的可視化圖像，通過圖像的觀察分析，再按用戶需要修改計算方案，然后重新計 算。 目前c a d 系統(tǒng)的開發(fā)主要有兩種途徑：一種是基于通用c a d 軟件的二次 開發(fā)。目前有很多通用c a d 軟件( 如a u t o c a d 、i d e a s 、p r o e 、v g i i 等) 可 以進行二次開發(fā)，而且這些軟件一般都具有強大的三維圖形功能，一方面，可以 利用內嵌于通用c a d 平臺的二次開發(fā)工具定制菜單、按鈕，設計友好的用戶界 面；另一方面，充分利用通用c a d 平臺強大的三維圖形功能，可以大幅度避免 1 7 第二章船閘系統(tǒng)開發(fā)技術及設計流程 大量復雜的可視化算法程序研制，從而提高了開發(fā)效率。第二種是利用可視化編 程語言如v b 、v c 、d e l p h i 等直接開發(fā)。 相比a u t o c a dv b a ，利用v b 直接殲發(fā)應用軟件具有以下優(yōu)點：1 ) m i c r o s o r v b 開發(fā)環(huán)境比a u t o c a d 中的v b 編輯器功能要強大的多；2 ) 用這種方式開發(fā) 的應用程序可以直接控制a u t o c a d 的開關，a u t o c