UNIX平台弧形闸门可视化CAD系统研制
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摘要
弧形闸门是水工结构工程中使用最广泛的闸门型式之一。鉴于其应用范围越来越广、设计任务越来越重，本文在UNIX平台上基于CAD技术研制开发了弧形闸门可视化CAD系统(HMVCAD系统)。其中关键技术是采用混合编程技术和人机交互方式来进行CAD系统设计，在UNIX图形工作站上以C语言为主控程序语言，以Fortran语言编制结构计算程序，采用OSF／Motif开发友好GUI，调用OpenGL函数库实现设计计算的可视化。本CAD系统具有较大的理论及实际应用价值。
首先，本文介绍可视化CAD系统的开发环境及其相关设计技术。系统调用X Window／Motif函数库实现工作站上图形用户界面(GUI)，介绍Windows／Motif的特点及功能。系统调用OpenGL三维图形库实现有限元前后处理数据的可视化，介绍了OpenGL的功能特点及调用的关键技术等。
其次，本文在分析了弧形闸门设计特点的基础上，按《水利水电工程钢闸门设计规范》(DL／T 5039-95，以下简称《规范》)给出了设计的理论依据，介绍了HMVCAD系统的模块设计方法，据此研制了能根据原始资料自动按规范设计的程序模块，以及据用户经验进行初步设计、优化调整、预警装置等功能模块。详细介绍了用HMVCAD系统设计弧形闸门的方法和实施进程。为提高系统的效率，提出了关于自建库、混合数据处理等关键技术。
最后，采用先进的空间薄壁结构有限元方法对设计的闸门结构进行计算分析，据此校核按规范进行的初始设计的合理性以及进行优化设计。介绍了有限元可视化技术，同时利用HMVCAD系统对设计的闸门进行了可视化计算分析。作为工程实例，对马甸弧形闸门的结构进行了有限元计算和分析，得到了闸门的结构应力、刚度以及支臂稳定的计算结果，并给予了比较分析。计算结果表明，本系统能正确有效地解决实际的工程问题，具有较大的实用价值。
Radial Gate is one of type of gate used widely in Hydraulic Structure Engineering. Whereas more gates are applied and their design work is more and more burdensome,this paper studies and develops visual CAD system of radial gate based on CAD technique under UNIX platform (HMVCAD System). In this paper,key method is that it takes mixed programming means and human-machine mutual mode to develop CAD system;gives priority to C as master programming language in UNIX graphics workstation;puts to use Fortran working out structure's computing program;adopts OSF/Motif scheming out friendly GUI;utilizes OpenGL function library achieving visualization of design calculation. The CAD system bears biggish theoretical worth and practical application values.
Firstly,it introduces the system's developing environment with its correlative method. The system invokes X Window/Motif function library to realize Graphics User Interface on workstation and recommends peculiarity and function of X Windows/Motif. At the same time,it invokes OpenGL graphics library to come true the visualization of data brought out by FEM Pre-processing and Post-processing and introduces OpenGL's performance characteristics and key art in the process of the programming.
Secondly,on the base of the analyzing design characteristic,this paper presents theoretical basis according to 'design specification about steel gate in Water Conservancy and Hydropower Engineering '(thereinafter for short specification). It introduces module design means of HMVCAD system. In the light of this means,it develops the module that can design the gate according to original data and specification automatically,the module of making the original design by user's experience,the module of majorized adjustment,the module of alarm device. In succession,this paper recommends the method and operating process of the design of a radial gate with HMVCAD system in detail. In order to raise the system's efficiency,this paper puts forward self-proposed function library,blended data process etc.
Finally,this paper adopts advanced spatial thin-walled structure FEM to analyze and compute the designed gate structure,hereby to check initial design's reasonableness by specification and to conduct majorized design. It introduces visualization technique of FEM and makes a visual analysis of the designed gate with HMVCAD. For a project instance,it computes and analyzes the structure of MaDian radial gate with FEM,which achieves the result of gate's structural stress,stiffness and surpport-bar's stability and gives comparative analysis. The computational result suggests this system can solve practical engineering problem rightly and efficiently and owns the biggish applied value.
首先，本文介绍可视化CAD系统的开发环境及其相关设计技术。系统调用X Window／Motif函数库实现工作站上图形用户界面(GUI)，介绍Windows／Motif的特点及功能。系统调用OpenGL三维图形库实现有限元前后处理数据的可视化，介绍了OpenGL的功能特点及调用的关键技术等。
其次，本文在分析了弧形闸门设计特点的基础上，按《水利水电工程钢闸门设计规范》(DL／T 5039-95，以下简称《规范》)给出了设计的理论依据，介绍了HMVCAD系统的模块设计方法，据此研制了能根据原始资料自动按规范设计的程序模块，以及据用户经验进行初步设计、优化调整、预警装置等功能模块。详细介绍了用HMVCAD系统设计弧形闸门的方法和实施进程。为提高系统的效率，提出了关于自建库、混合数据处理等关键技术。
最后，采用先进的空间薄壁结构有限元方法对设计的闸门结构进行计算分析，据此校核按规范进行的初始设计的合理性以及进行优化设计。介绍了有限元可视化技术，同时利用HMVCAD系统对设计的闸门进行了可视化计算分析。作为工程实例，对马甸弧形闸门的结构进行了有限元计算和分析，得到了闸门的结构应力、刚度以及支臂稳定的计算结果，并给予了比较分析。计算结果表明，本系统能正确有效地解决实际的工程问题，具有较大的实用价值。
Radial Gate is one of type of gate used widely in Hydraulic Structure Engineering. Whereas more gates are applied and their design work is more and more burdensome,this paper studies and develops visual CAD system of radial gate based on CAD technique under UNIX platform (HMVCAD System). In this paper,key method is that it takes mixed programming means and human-machine mutual mode to develop CAD system;gives priority to C as master programming language in UNIX graphics workstation;puts to use Fortran working out structure's computing program;adopts OSF/Motif scheming out friendly GUI;utilizes OpenGL function library achieving visualization of design calculation. The CAD system bears biggish theoretical worth and practical application values.
Firstly,it introduces the system's developing environment with its correlative method. The system invokes X Window/Motif function library to realize Graphics User Interface on workstation and recommends peculiarity and function of X Windows/Motif. At the same time,it invokes OpenGL graphics library to come true the visualization of data brought out by FEM Pre-processing and Post-processing and introduces OpenGL's performance characteristics and key art in the process of the programming.
Secondly,on the base of the analyzing design characteristic,this paper presents theoretical basis according to 'design specification about steel gate in Water Conservancy and Hydropower Engineering '(thereinafter for short specification). It introduces module design means of HMVCAD system. In the light of this means,it develops the module that can design the gate according to original data and specification automatically,the module of making the original design by user's experience,the module of majorized adjustment,the module of alarm device. In succession,this paper recommends the method and operating process of the design of a radial gate with HMVCAD system in detail. In order to raise the system's efficiency,this paper puts forward self-proposed function library,blended data process etc.
Finally,this paper adopts advanced spatial thin-walled structure FEM to analyze and compute the designed gate structure,hereby to check initial design's reasonableness by specification and to conduct majorized design. It introduces visualization technique of FEM and makes a visual analysis of the designed gate with HMVCAD. For a project instance,it computes and analyzes the structure of MaDian radial gate with FEM,which achieves the result of gate's structural stress,stiffness and surpport-bar's stability and gives comparative analysis. The computational result suggests this system can solve practical engineering problem rightly and efficiently and owns the biggish applied value.
引文
[1] 李兰友，Turbo C实用图形程序设计，天津科技翻译出版公司，1994．2
[2] 白燕斌，史惠康，Open GL三维图形库编程指南，机械工业出版社，1998．11
[3] 王祥，张洁等，新型计算机工作站使用环境，南开大学出版社，1993，10
[4] 胡皓，X Window实务应用，人民邮电出版社，2000．10
[5] [美]Kirk Waingron著，张宏等译，UNIX技巧与经验，电子工业出版社，2000．2
[6] 张学工，刘业新，X Window/Motif编程速成，清华大学出版社，1998．3
[7] 荷塘月色创作组，如何使用OpenGL开发程序，北京理工大学出版社，1999．1
[8] 蔡正坤，瞿尔仁，闸门与启闭机，水利电力出版社，1988．9
[9] 吴胜兴，杨秀兰，乔书光，水工混凝土结构CAD系统设计，水利水电科技进展，1999．3
[10] 陈金水，CAD技术的现状及未来趋势，河海科技进展，1992．2
[11] 孙桂茹，赵国瑞，软件工程引论，南开大学出版社，1997．2
[12] 贾志刚，精通OpenGL，电子工业出版社，1998．8
[13] 于春凡，C语言及其高级编程技术，南开大学出版社，1995
[14] 张燎军等，闸墙变位对三峡人字门安全运行影响分析，河海大学学报，2000．4
[15] 张燎军等，三峡升船机上闸首自振特性研究，河海大学学报，2000．5
[16] 张燎军等，岩坡位移对三峡船闸人字门的影响与分析，水力发电，1999．4
[17] 张燎军等，接触面单元法在三峡人字门接触分析中的应用，固体力学学报，1999．vol．20
[18] 水电站机电设计手册编写组，水电站机电设计手册金属结构(一)，水利电力出版社，1986
[19] 水利部&电力工业部 东北勘测设计研究院，水利水电工程钢闸门设计规范，中国电力出版社，1995
[20] 范崇仁，水工钢结构设计，中国水利水电出版社，2000．5
[21] 安徽省水利局勘测设计院，水工钢闸门设计，水利出版社，1980
[22] 华东水利学院，水闸设计(下册)，上海科学技术出版社，1985
[23] 武汉水利电力学院，大连工学院，河海大学，水工钢结构，水利电力出版社，1993．6
[24] 唐靖飚，周良源等，UNIX平台上C语言高级编程指南，北京希望电子出版社，2000．2
[25] 陈和群，彭宣茂，有限元微机程序与图形处理，河海大学出版社，1992
[26] 李太生，软基上框架结构配筋CAD系统的研制，河海大学硕士论文，1996．4
[27] 刘冬梅，“船闸人字型钢闸门CAD系统”研究与设计，河海大学硕士论文，1996．4
[28] 卓家寿，弹性力学中的有限元方法，河海大学出版社，1987
[29] 徐芝纶，弹性力学(第二版，上下册)，高等教育出版社，1982
[30] 张燎军等，三峡多级船闸人字门抗扭性能研究，水运工程，1997．7
[31] 张燎军等，大型人字门设计计算中的若干问题，人民长江，1993．9
[32] 张燎军等，大型水工薄壁结构分析程序的研制和应用，河海大学学报，1991．5
[33] 付作新，张燎军等，大型船闸人字门的整体分析与原型试验，河海大学学报，1992．10
[34] 张燎军等，微型机上大型水工薄壁结构有限元分析的程序设计，计算力学及其在工程中的应用，中国科学技术大学出版社，1992．9
[35] 张燎军等，人字门背拉杆预应力方案研究，水利电力机械，1993．6．
[36] 付作新，张燎军等，三维水工薄壁结构分析程序，水工结构工程与岩土工程的现代计算方法及程序，河海大学出版，1992．10．
[37] 付作新，张燎军等，大型船闸人字门抗扭能力的研究，河海大学学报，1993．5
[38] 《工程设计CAD与智能建筑》，1999全卷
[39] 孙扬镳，多功能智能CAD系统应用和发展方向，计算技术与计算机应用，1999．2
[40] 徐建忠，面向对象的软件工程技术在有限元分析中的应用，计算技术与计算机应用，2001．1
[41] 郭之章，工程设计CAD应用软件的集成化技术，计算技术与计算机应用，1996．1
[42] 陈震秋，软件开发方法浅谈，计算机辅助设计与制造，1996．6
[43] 李召成，张福明，Linux下X-Window系统程序设计简介，计算机时代，2001．8
[44] 韦建明，Linux平台下创建和使用用户函数库，电脑编程技巧及维护，2001．6
[45] 张常有，桥梁智能CAD系统中的类比技术研究，西南交通大学学报，1999．9
[46] 王春蕊，杨寿保，X窗口系统中应用程序构造技术探讨，计算机工程，2001．10
[47] 汪漪，工作站及其家族——逐步走来的工作站时代，计算机辅助设计与制造，1995．2
[48] 王勇等，OpenGL的选择机制在三维交互式应用程序开发中的应用，计算机系统应用，2001．10
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[55] 陆润民，李学志，计算机绘图，高等教育出版社，1999．6
[56] 陈效路，程景云，人机界面工具研究评述，计算机辅助设计，1999．4
[57] 武君胜，有限元分析计算中的可视化技术及其实现，计算机辅助设计，1995．1
[58] 龙江华，谢步瀛，钢结构CAD软件系统研究与开发，计算机辅助设计，1999．4
[59] Mark J.Kilgard, OpenGL Programming for the X Window System, Addison-Wesley Developers Press,An Imprint of Addison Wesley Longman,Inc
[60] 张燎军，傅作新，大型水工薄壁结构程序的研制和应用，河海大学学报，1991．3
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[62] HP_UX Floating-Point Guide, HP Part No. B3906-90004, Printed in U.S.A. 1996.8
[63] OpenGL Reference Manual, OpenGL Architecture Review Board, Editors: Renate Rempf and Chris Frazier, An Imprint of Addision Wesley longman,Inc, 1996
[64] CDE 高级用户和系统管理员指南，Hewlett-Packard Company ,Printed in U.S.A. 1996.1
[65] Using Your Working Station, HP Part No. A2615-90003, 1995
[66] Brad A. Mayers, Why are Human-Computer Interfaces Difficult to Design and Implement? Technical Report, Carnegie, Mellon University, CMU-CS-93-183, 1993.6
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[68] 徐慧萍，金逸峰，国内外CAD图形软件介绍，计算机辅助设计与制造，1995．6
[69] 彭旭，机械设计劳动的划分与CAD系统的应用，计算机辅助设计与制造，1996．10
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[80] 袁迎曙，吕恒林，乔志春，余索，建筑结构CAD软件设计，地震出版社，1995．7