MATLAB在土木工程領域的應用

摘要:土木工程領域廣泛應用計算機語言的今天，，探討了MATLAB在土木工程領域中應用的現狀。

關鍵詞:MATLAB 土木工程 應用

0 引言

MATLAB是由美國MathWorks公司于1984年發布的、面向科學計算、數據可視化以及交互程序設計的高級計算機語言。MATLAB軟件開發的初衷是方便地進行矩陣運算，如今的MATLAB已經把功能延伸到了科學研究和工程應用的諸多領域。在國外，MATLAB已經成為數值分析、數理統計、系統識別、信號處理、動態仿真等領域的基本工具同傳統的土木工程計算機語言FORTRAN和C相比，MATLAB更具有以下幾大優勢:①功能強大。除了數值計算上的絕對優勢外，MATLAB5.以上版本中還開發了自己的符號計算功能。用戶只要擁有一個MATLAB，就可以方便的處理諸如矩陣運算，線性與非線性本論文由無憂論文網整理提供方程求解，特征值問題，統計及優化問題了。②語言簡單。MATLAB允許用戶以數學形式的語言編寫程序，比FORTRAN和C更接近計算公式的書寫思維方式。它的操作和功能函數指令就是常用計算機和數學上一些簡單的英文單詞。③擴充能力強、可開發性強。MATLAB本身的函數就是以源代碼形式出現同，用戶可以仿照其寫法，建自己的程序“庫”。另外，MATLAB可以方便的與FORTRAN或C語言接口，充分利用現有資源。④編程易，效率高。MATLAB程序文件是純文本文件，用任何字處理文件都可以對它進行編寫和修改。因此程序易調試，人機交互性強。另外，MATLAB自己也擁有視窗環境下的調試系統，程序調試簡單、方便。

隨著科研水平的不斷提高，科研領域的不斷擴展，多學科并行、交叉發展已成必然。在土木工程領域廣泛應用計算機語言的今天，探討了MATLAB在土木工程領域中應用的現狀，希望引起更多土木工程專業研究人員的注意，認識到MATLAB的強大功能，使用MATLAB來快速實現科研構想和提高工作效率。

1 MATLAB在結構分析中的應用

由于結構的復雜多變和對求解精度的嚴格要求，采用有限元法(finite element method)程序是常用的分析手段。有限元程序中非線性方程組的求解和解的收斂問題，是困擾許多科研人員的基本問題之一，采用FORTRAN或C不但需要很多語句，而且需要研究者有較高的計算機理論和實際操作水平，程序的編制與調試又要占用近一半的研究時間。MATLAB的出現，可以在用簡單的語句完成基本算法程序后，方程組的求解利用MATLAB自身的命令實現，整個程序不但小巧、便于調試與操作，而且解的收斂問易于解決。例如，經典的非線性方程組Newton解法MATLAB求解程序僅有14行，而用C語言編寫的Newton法子函數程序接近30行，而且在每個迭代步當Newton方程建立后，還要再調用其他子函數程序求解線性方程組本論文由無憂論文網整理提供，較MATLAB程序要繁瑣許多。再有，對整體坐標系中二維一次四結點單元，單元可以是任意形狀的四邊形。這種單元比較容易滿足結構實際分析的需要，該單元在整體坐標系下坐標系)的形函數表達式非常復雜，用FORTRAN或C語言將其表達出來，是非常困難的。而用MATLAB語言就可以很容易的將其寫出。

利用MATLAB實現了復雜偏微分方程組的求解，解決了彈性薄板彎曲理論領域的一難題。文獻也對應用MATLAB進行有限元程序編制作了探討，這些成果充分證明MATLAB語言在現代有限元分析中會發揮越來越重要的作用。

基于MATLAB在數值計算和圖形處理方面的優勢，一些研究者開始利用MATLAB解決復雜的結構動力分析問題，并取得了一定的成果。總結成果，可以看出:在MATLAB中更容易實現結構動力分析的可視化，是結構動力分析的一條新的途徑和方法;可以極大提高編程效率，從而大大加快結構動力分析軟件的開發應用。

2MATLAB在結構優化方面的應用

在土木工程領域，優化設計越來越受到關注，因為好的優化設計可以降低工程造價，更好的發揮投資效益。而遺傳算法作為一種人工智能性算法被廣泛的應用在優化分析中，但是采用遺傳算法時，進的每一代種群成員必須要進行結構分析，需要同時完成優化計算和結構分析。采用FORTRAN或C編制結構分析程序還問題不大，但是要編制優化計算程序則相當困難。MATLAB的優化工具箱提供了對各種優化問題的完整的解決方案，其內容涵蓋了包括規劃、決策、最大最小問題等多個領域。由于其具有優化函數的形式簡潔以及用戶能對算法、參數的選擇設置的功能，還能方便的與FORTRAN或C接口。因此在土木工程領域，已經有研究者應用MATLAB優化工具箱來解決具體的優化問題。應用范圍也從最初的簡單桁架發展到復雜的實際工程。此外，在結構可靠度理論分析方面，MATLAB有出色的表現。

3MATLAB在結構智能控制和仿真方面的應用

智能控制是一門新興的學科，目前已在航空航天、環境保護等領域得到了長足的發展，國內學者也正致力于在結構工程中引入智能控制。智能控制離不開人工神經網絡的建立，而MATLAB在神經網絡方面有其獨特的優勢，基于MATLAB神經網絡技術在錨桿支護、隧道工程、本論文在整理提供結構基礎選型、材料強度預測和樁基承載力預測等方面已開始應用。雖然基于MATLAB的人工神經網絡系統還沒有在結構的損傷測試、診斷中應用，但相信，不遠的將來一定會得以實現。

結構仿真分析，是在某些情況下可以替代試驗研究的一種手段。如果利用好這項技術，將會大大節省科研費用和時間。MATLAB中的SIMULINK工具箱是一個集建模、仿真、分析于一體的軟件包，在動態系統仿真方面獨具優勢，比較適合于對地震作用下結構振動的仿真模擬。文獻[23，24]正是利用MATLAB獨有的動態系統仿真功能，在結構仿真方面作了有益的探索，取得了一定的成果和經驗。

4MATLAB在試驗數據處理方面的應用

眾所周知，實驗研究是結構分析的重要手段之一，試驗后需要做大量數據的處理、誤差分析以及數據回歸等工作。MATLAB擁有數理統計工具箱statistic Toolbox，淺談MATLAB在土木工程領域的應用其功能函數多達200多個，功能足以趕超其他專用統計軟件。而且在應用上，MAT-LAB還具有其它軟件不可比擬的操作簡單、接口方便、擴充能力強等優勢。文獻[25]就是一個應用MATLAB對結構試驗數據處理的成功案例。該案例的成功經驗完全可以推廣的其他結構試驗中，那么試驗者對試驗數據的采集和處理就會更加得心應手。

5結語

就MATLAB在土木工程領域的應用情況作了較為詳盡的介紹，并對其作了一定的探索性分析。應用情況表明，不論是將MATLAB作為單一的計算機語言應用還是直接利用MATLAB自身的工具箱，解決土木工程領域的實際問題都是可行的，還可以更深入的研究下去。可以預見，如有更多的計算機專業人士參與土木專業領域計算機應用研究的話，MATLAB在土木工程領域的應用前景將是更加光明而廣闊的。