[发明专利]力矩分配法的自动模拟分析方法、系统、装置及存储介质

说明书

本发明公开了一种力矩分配法的自动模拟分析方法、系统、装置及存储介质，本发明使用结构智能分析技术，对只存在结点角位移的杆系结构，实现自动计算，并全过程演示力矩分配法的分析计算步骤。对任意参数的结构模型，只要满足力矩分配法的计算前提，皆可生成图文形式的力学计算过程，对全过程提供动画演示功能，全面模拟手算，可对教学演示、概念讲解、学生自学、在线教学、自动作业批改等教学活动，提供技术上的有力支撑。

技术领域

本发明涉及智能教学技术领域，尤其涉及应用于《结构力学》、《工程力学》等力学教学领域的一种力矩分配法的自动模拟分析方法、系统、装置及存储介质。

背景技术

力矩分配法适用于仅有结点角位移的结构，根据结构在结点处的变形协调，利用刚度系数概念，将施加于结点的力偶矩，按汇结于该结点各杆转动刚度所占相对比例，分配至各杆杆端。

力矩分配法计算直接使用转动刚度系数，避免方程间联立计算，特别适宜手算和概念分析。通过对力矩分配法的学习，可培养学生对刚度、变形、协调以及平衡等基础概念的认识。

力学分析步骤多、计算复杂，结构内力状态无法直接观察，很难直观感受计算过程与结构受力特征之间的内在联系。当数学运算过程与力学思维间的映射关系相对复杂时，初学者对力学概念认识和理解的建立过程，可能耗费大量的练习时间。

线弹性结构中，荷载作用下弹性变形与内力一一对应，若能了解计算过程中变形状态，可进而感知结构的内力分布状态。由于结构变形特征过于复杂(杆端位移条件取决于未知结点位移，杆段弹性变形曲线近似亦为高次多项式函数)，难以准确手绘。对于以位移法为基础的分析方法，限于手算计算能力和当前教学手段，仍只能在杆端约束条件明确，内力分布简单时，才能计算和描绘“位移法基本结构”在单结点位移或单独外荷载作用下变形分布。

因此，教学过程中，若能更直观地反映分析过程中的变形状态，对学习者更准确、清晰、快速地了解和掌握结构基本特征，显然将更为有利。但目前的教学辅助软件，都没有自动分析和过程变形描述的功能。而商用结构分析软件，并非基于教学目的开发，无法展示力学计算中基本分析过程，对初学者并不适用。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的问题之一，特别创新地提出了一种力矩分配法的自动模拟分析方法、系统、装置及存储介质，能够自动全过程模拟力矩分配法分析过程，并生成图文形式的力学计算过程，有效解决了现有技术中教学辅助软件缺少自动分析和变形描述等功能的问题。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种力矩分配法的自动模拟分析方法，所述方法包括如下步骤：

S1，绘制待分析力学模型对应的杆系结构在相应受力状态下的真实变形图；

S2，在所述杆系结构的所有独立角位移可能发生处附加刚臂，并计算附加刚臂后所处的特定状态下的杆系结构的分配系数、传递系数、固端弯矩和各刚结点的不平衡力偶矩，作为力矩分配的初始状态参数；

S3，基于所述初始状态参数绘制附加刚臂约束下的杆系结构的初始变形图；

S4，从第一独立角位移处开始力矩分配，将本结点的分配弯矩记录至杆端，并计算对应状态下的杆系结构的变形参数，基于所述变形参数，使用放大系数优化显示效果，在时间参数的控制下刷新变形图，以动画模拟展示本结点的不平衡力释放过程中的杆系结构的变形过程，并在动画模拟结束时更新各结点的不平衡力偶矩；

S5，重复步骤S4中的力矩分配过程，并动态显示变形增量，直到杆系结构的所有结点上的不平衡力偶矩达到预设阈值，停止力矩分配；

S6，计算力矩分配后的杆系结构的杆端弯矩值，并基于所述杆端弯矩值和杆系结构的单元载荷绘制结构弯矩图。

优选地，所述方法还包括如下步骤：