基于MATLAB單跨靜定梁內力和變形可視化研究

崔海軍

（揚州工業職業技術學院,江蘇 揚州 225127）

基于MATLAB單跨靜定梁內力和變形可視化研究

崔海軍

（揚州工業職業技術學院,江蘇 揚州 225127）

在Matlab 環境下，借助其圖形用戶界面技術，開發用于計算單跨靜定梁內力和變形的圖形用戶界面。該圖形用戶界面可以解決6種單跨靜定梁結構的內力和變形計算問題，方便、快捷，對力學教學及對力學知識的理解和掌握有很大的幫助。

Matlab 靜定梁 內力 變形 圖形用戶界面

1982 年美國Math Works 公司推出的矩陣工作室Matlab（Martix Laboratory）是一個高效的科學計算軟件[1]，是一種集數值計算、符號運算、可視化建模、仿真和圖形處理等多種功能于一體的優秀的圖形化語言。GUI圖形用戶界面的設計是Matlab的一個重要功能，利用GUI技術可以充分發揮Matlab強大的可視化能力，在諸多科學計算領域里實現分析過程和結果的可視化[2-5]。本文借助Matlab GUI技術，將單跨靜定梁內力圖和變形圖形象、直觀地在圖形用戶界面求解，并可可以方便顯示出相應的最值，并以右端固定單跨靜定懸臂梁圖形用戶界面設計為例闡述設計過程，在此基礎上闡明單跨靜定梁內力和變形可視化圖形用戶界面的設計過程。

一、右端固定單跨靜定懸臂梁可視化研究

1. 數據結構

Matlab GUI可視化界面要求在交互式界面上輸入相應的參數，然后運行相關Matlab GUI及其回調函數。對于右端固定單跨靜定懸臂梁內力分析及變形研究需要輸入結構的幾何尺寸參數、載荷參數意見相應的材料參數。因此，建立了L_date、load、M_load、a、P_load、b、q_load、c、d、E、I等矩陣，另外對于參數的輸出建立了M、V、Sita、Y、zuizhi等輸出矩陣。

2. 前處理程序

在前處理中使用界面交互的形式輸入數據，同時實現通過讀寫文本文件多次操作數據。共有一個主界面、4個axes坐標軸對象、4個Edit Text編輯文本對象、2個push button觸控按鈕、17個Static Text靜態文本對象，6個Panel面板對象。

4個Edit Text編輯文本對象用于已知條件數據的輸入，如結構幾何參數、荷載參數、材料彈性模量以及截面慣性矩；2個push button觸控按鈕用于程序的運行及結束清除變量；4個axes坐標軸對象用于繪制剪力圖、彎矩圖、轉角曲線圖和撓度曲線圖；Static Text靜態文本對象用于輸出彎矩最大值、彎矩最小值、剪力最大值、剪力最小值、轉角最大值、撓度最大值；6個Panel面板對象使界面更加美觀[6]。

完成各個控件的布局，需要根據控件的功能編制各個控件的回調函數，用右鍵單擊該

控件，點擊對話框中view callbacks，選擇一種激活回調函數的方式，就可以編制相應的回調函數，完成一定的功能。

3. 數據的輸入及讀取

如圖1所示右端固定懸臂梁。F = 3KN，q = 2KN/m，M = 6KN﹒m，a = 3m，彈性模量

E=2×108KPa，慣性矩為6×10-6mm4KPa。對其內力及變形分析。L_date=[ 6 0 0 0]，Load=[1 -6 3 0; 2 3 0 0; 3 2 0 3]。數據輸入如圖2所示。輸入數據后

圖1 懸臂梁計算圖

圖2 右端固定懸臂梁圖形用戶界面

4. 程序運行

完成數據輸入后，點擊界面“運行”按鈕，在4個axes坐標軸對象內分別繪制剪力圖、彎矩圖、轉角曲線圖和撓度曲線圖；同時再右下方的8個Static Text靜態文本對象顯示出彎矩最大值、彎矩最小值、剪力最大值、剪力最小值、轉角最大值、撓度最大值。

二、單跨靜定梁可視化教學界面研究

1. 數據結構

L_date：第1列梁全長， L表示，第二列外伸段長度，L1表示，第三列簡支段長度，L2表示，第四列外伸段長度，L3表示。后三列如沒有則為0

2. 前處理程序

與前面程序界面相類似，主界面增加一個彈起式菜單，可以選擇梁的類型。

3. 數據的輸入及讀取

如圖3所示兩端外伸梁。彈性模量E=2×108KPa，慣性矩為6×10-6mm4KPa。L_date=[12 2 8 2]，Load=[1 8 8 0; 2 2 -2 0; 3 2 0 10]。數據輸入如圖4。

圖 3兩端外伸梁計算圖

圖 4

4. 程序運行

完成數據輸入后，點擊界面“運行”按鈕，在4個axes坐標軸對象內分別繪制剪力圖、彎矩圖、轉角曲線圖和撓度曲線圖；同時再右下方的8個Static Text靜態文本對象顯示出彎矩最大值、彎矩最小值、剪力最大值、剪力最小值、轉角最大值、撓度最大值。

三、結語

MATLAB語言盡管相對容易學習，但理解、掌握及靈活運用程序有一定的難度。而單跨靜定梁MATLAB GUI可視化教學界面，使用者只需根據軟件說明在圖形用戶界面輸入參數，點擊運行按鈕，即可得出力學結果。可以解決目前工程力學教學由于學時及實驗經費的限制，難以從動手能力感性認識方面培養學生的問題，對于提高學生學習的積極性、加強對所學知識的理解和掌握有很大的幫助。

[1]毛濤濤，王正林．精通MATLAB GUI設計[M]，北京：電子工業出版社，2008

[2]王玉山，王銳．Matlab在材料力學超靜定問題求解及粱變形可視化中的應用[J]．石河子大學學報：自然科學版，2007，25(1)：27-30．

[3]黃斌，姚正軍，王紅杰，等．材料力學性能檢測虛擬實驗的設計和開發[J]．實驗力學，2005，20(4)：573-578．

[4]周全勝，王連明，邢雪峰，等．基于MATLAB的網絡交互式虛擬現實實驗系統的研究[J]．實驗技術與管理，2007，24(9)：102-105．

[5]喬閃．基于MATLAB面向課題的數字圖像處理實踐教學[J]．實驗技術與管理，2005，22(8)：93-96．

[6]李彤，項四通，李吉宗．基于Matlab的材料力學圖形用戶界面系統開發，實驗室研究與探索，29(8) :42-44+69

G322

B

1007-6344（2015）04-0331-01

崔海軍（1979—），男，碩士，講師，從事結構工程、道路橋梁工程等方面研究工作。