专利名称：处理任意空间曲面分布荷载的网格荷载法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种处理任意空间曲面分布荷载的方法，具体是一种处理任意空间曲面分布荷载的网格荷载法。属于土木建筑工程技术领域。
背景技术：
土木建筑工程上作用的荷载按作用形式可分为两类一类是直接作用于结构主要构件梁、柱、墙上的荷载，如梁上的填充墙重力荷载；一类是作用于结构维护或非主要受力构件上的分布荷载，如楼屋面荷载、结构外表面风压荷载。后一类荷载不直接作用在结构主要构件上，由于在结构计算中，一般楼板、墙面等非主要受力构件一般不参与结构计算，需要将这些分布荷载导算到梁、柱、墙等主要构件上。如此同时，由于楼板等维护构件以梁、墙为支撑边，即使楼板参与结构整体计算，也需要将楼板分布荷载导算到梁、墙等主要结构构件上。仅针对水平楼屋面的分布荷载，现有技术均有较完善的处理方法。
对于空间坡屋面、任意曲面的分布荷载的处理，还没有完善的方法。一方面，操作较为繁琐，需要对单个网格分别选择边界节点。另一方面，功能较为单一，只能处理楼屋面的重力荷载。任意曲面的分布荷载处理问题，不同于一般有限元中的曲面网格剖分的问题。因为曲面网格剖分问题中，对于曲面本身有完整的几何描叙。而分布荷载处理中的曲面是空间梁柱等线状构件、墙等面状构件的边组成的网格，不存在真正意义上曲面。并且实际结构中，不但有在网格曲面内的构件，而且还有网格曲面外的构件，并且这些构件在空间上纵横交错。有效分离分布荷载所在的曲面，并形成曲面的几何描叙，是处理曲面分布荷载的关键。
经对现有技术的文献检索发现，王立新在《建筑结构》1996年第2期上发表的论文“建筑结构分析程序导荷载的技巧”，其中所涉及的即针对水平楼屋面分布荷载处理。但是不能适用于任意曲面的分布荷载处理。
发明内容
本发明的目的在于针对现有楼屋面、空间曲面分布荷载处理方法的不足，提出一种处理任意空间曲面分布荷载的网格荷载法，达到两方面的目的第一，使操作简化，一个坡屋面、空间曲面一次性即可实现荷载的处理；第二，扩充面荷载处理功能，使不但能用于楼屋面重力荷载的处理，还能用于表面风压、表面土压力、水压力的处理。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明将面荷载的概念扩充，作为广义的空间封闭网格上的分布力的问题，并称为网格荷载，所以称为网格荷载法。处理网格荷载的步骤如下(1)利用视图投影面展开空间网格曲面空间网格曲面虽然有很大的任意性、不确定性，但作为计算机几何模型，总可以通过三维视图变换，使空间曲面在视图平面内，展开为不重叠的曲面。这样在二维视图平面内，空间曲面转化为二维平面。
(2)利用视图投影面形成组成曲面的封闭网格根据网格曲面的视图平面二维坐标，找曲面中的各封闭网格。处理步骤如下1)、处理网格边，剔除重叠边，剔除独立悬臂边。
2)、根据视图投影二维坐标，从一点A开始，沿逆时针方向找与该点连接的边，直到再次回到A点结束，形成一个封闭网格。
3)、每边分正、反向，每边容许正向、反向各被找边一次。在一次找边过程中，如有一个边同方向已经被找边，则该次找边过程中止。
4)、对网格曲面的所有点重复上面2)、3)步骤，找到所有封闭网格。
5)、找到的网格中，将包含外围边界组成的网格，根据网格面积判断将该网格删除。判断曲面的连通性，对多区域曲面，分别删除各区域的外围网格。
(3)建立网格荷载的数据网格荷载的数据包括相互独立、又相互关联的两部分1)、网格形状的描述。顺序记录组成封闭网格各边的单元序号(或面单元边)，即可描叙网格的形状。虽然网格的形成是根据视图投影二维坐标，但网格形成后，根据网格点、边的实际空间位置得到的荷载网格将是三维空间的网格。同时，本发明方法直接引用单元作为网格边，一方面节省资源，另一方面当单元被删除改变时，能及时反应到网格上。
2)、网格荷载单元。本发明方法将网格荷载作用一种特殊的图形单元，该单元具有如下属性a)所对应的网格序号；b)自身的坐标参数，一般为对应网格的面积中心；c)所施加面荷载的数值、方向、所属工况、导算荷载的模式等荷载参数。
(4)将荷载导算到网格周边单元根据荷载网格所确定的空间封闭区域(可近似认为在小区域内为平面)，和网格荷载单元上记录的荷载参数，按设定的模式，将网格区域内的面荷载最终导算到周边单元上，作为直接作用于梁、柱、墙上的线荷载。
本发明利用视图投影面形成空间任意曲面的荷载网格，对于复杂的空间网格曲面，可一次性选中全部曲面单元形成网格的几何数据，显著提高了操作效率。
本发明将网格荷载与网格几何参数分别描叙，既相互联系又相互独立。当网格边被改变而不完整时，原有网格被删除，但荷载单元仍然存在。如改变后的网格形状不改变，只要再次形成网格，新网格即连接到荷载单元，不需要另外输入荷载参数，简化了操作。如多个网格的形状相同、参数相同，可以复制已有的荷载单元，也省略输入荷载参数的操作。
本发明将网格荷载作为一种图形单元，具有本身的坐标参数，使网格荷载如普通图形一样可删除、复制、移动，使操作更简便。而且将网格荷载作为一种独立的图形单元，不但能处理一般的重力面荷载，还可在网格荷载上施加风压荷载、水压力、土体压力，大大扩充了网格荷载的使用范围。只要网格荷载单元形成，即可直接添加各种荷载，也大大方便了这些特殊分布荷载的操作过程。
利用网格荷载单元对应网格的空间位置的几何描叙，可以确定空间封闭网格的法向量、切向量，从而可以施加与曲面形状相关的荷载。如垂直于曲面的荷载、和与曲面相切的荷载，也极大地扩充了网格荷载的功能。
图1(a)，一个复杂的坡屋面工程图1(b)，一个复杂的坡屋面工程，坡屋面视图投影面展开图1(c)，一个复杂的坡屋面工程，本发明网格荷载法形成的网格荷载单元(图中小方格)图1(d)，一个复杂的坡屋面工程，本发明网格荷载法导算得到的梁上线荷载图2(a)，一个钢桁架穹顶工程图2(b)，一个钢桁架穹顶工程，作用荷载曲面的视图投影面展开图2(c)，一个钢桁架穹顶工程，本发明网格荷载法形成的网格荷载单元(图中小方格)图2(d)，一个钢桁架穹顶工程，本发明网格荷载法导算得到的梁上线荷载图3(a)，一个敞口的圆形水池图3(b)，一个敞口的圆形水池，池侧壁、底板曲面视图投影面展开图3(c)，一个敞口的圆形水池，本发明网格荷载法形成的网格荷载单元图3(d)，一个敞口的圆形水池，本发明网格荷载法将曲面表面垂直水压力导算为梁格线荷载图4，本发明方法在视图投影面形成荷载网格图具体实施方式
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图和实施例作进一步描述。
结合图4，可以很好理解本发明方法利用视图投影面形成曲面封闭网格的具体过程。
该图为一个空间网格曲面的局部，已经通过三维视图变换，成为在二维视图平面内完全展开的、相互不重叠的投影平面。
根据视图投影二维坐标，从A点开始，沿逆时针方向找边，直到再次回到A点结束，形成一个封闭网格ABCD，如图4所示。
对于AB边，分别与两个封闭网格ABCD、AFEB相连。设从点A到B是该边的正方向。对于形成ABCD封闭网格的过程，AB边是逆向找边过程。对于形成AFEB封闭网格的过程，AB边是正向向找边过程。
每边容许正向、反向各被找边一次。在一次找边过程中，如找到的一个边在该方向上已经被找过，则该次找边过程中止。
对网格曲面的所有边分别按正方向、反方向逆时针找边，将形成空间网格曲面中的所有封闭网格。
实施例1如图1(a)所示复杂坡屋面工程，其坡屋面分别在3层、4层，且相互不连接。坡屋面为现浇混凝土楼板，楼板自重、屋面其它材料自重、屋面上人荷载、雪荷载等作为面荷载，需要导算到屋面梁上。
关闭坡屋面以下各层的梁柱，只保留坡屋面梁柱，并作三维视图转换，使坡屋面在视图投影面被展开，如附图1(b)所示。利用软件，一次性选中全部坡屋面梁柱。柱作为仅一端有连接的悬臂边被剔除。
利用本发明方法，根据视图投影面上的二维平面图形，形成空间三维荷载网格，及相应的网格荷载单元。对于空间不连通域，本发明方法能自动检测，并分别剔除各连通域最外围网格。在网格荷载单元上添加相应的屋面荷载数值、方向、导算荷载模式等参数。如图1(c)所示，图中小方格为网格荷载单元的图示。
本实施例最终得到的梁上线荷载如图1(d)所示。
实施例2如图2(a)所示穹顶结构，为天文台建筑，采用圆弧桁架结构。穹顶表面作用面板自重、上人检修荷载、风荷载等面分布荷载，需要导算到圆弧桁架上弦杆、及桁架间水平系杆作为线荷载。
关闭圆弧桁架下弦、腹杆，并作三维视图转换(垂直上视图)，使穹顶外表面在视图投影面被展开，如图2(b)所示。
利用本发明方法，一次性选中全部穹顶表面构件，根据视图投影面上的二维平面图形，形成空间三维荷载网格，及相应的网格荷载单元。并在网格荷载单元上添加相应的面荷载数值、方向、导算荷载模式等参数。如图2(c)所示。
本实施例最终得到的穹顶表面构件上线荷载如图2(d)所示。
实施例3如图3(a)所示敞口圆形水池，采用梁格之中设板的结构类型。需要将水池内部的表面垂直水压力，导算到组成水池结构的梁格上。
作三维视图转换，水池内部表面在视图投影面被展开，如图3(b)所示。利用本发明方法，一次性选中全部构件，根据视图投影面上的二维平面图形，形成空间三维荷载网格，及相应的网格荷载单元。利用软件一次性对所有网格荷载单元上施加沿高度变化的、与网格面垂直的表面水压力。如图3(c)所示。
本实施例最终得到的水池梁格上的线荷载如图3(d)所示(局部)。
由以上的实施例的情况可看出，本发明方法达到了发明的目的1、对复杂的坡屋面、空间曲面、复杂组合曲面，达到了一次操作即可全部加载的要求；2、扩充了网格荷载的功能，不仅用于楼屋面的分布重力荷载的导算，还能导算表面垂直压力的特殊荷载。
权利要求
1.一种处理任意空间曲面分布荷载的网格荷载法，其特征在于，将面荷载的概念扩充，作为广义的空间封闭网格上的分布力的问题，并称为网格荷载，处理网格荷载的步骤如下(1)利用视图投影面展开空间网格曲面空间网格曲面通过三维视图变换，使空间曲面在视图平面内展开，在二维视图平面内，空间曲面转化为二维平面；(2)利用视图投影面形成组成曲面的封闭网格根据视图平面二维坐标，找曲面中的各封闭网格；(3)建立网格荷载的数据①网格形状的描述顺序记录组成封闭网格各边的单元序号或面单元边，即能描叙网格的形状；②网格荷载单元将网格荷载作为一种独立的图形单元，该单元具有如下属性A)所对应的网格序号；B)自身的坐标参数，为对应网格的面积中心；C)所施加面荷载的数值、方向、所属工况、导算荷载的模式；(4)将荷载导算到网格周边单元根据荷载网格所确定的空间封闭区域，和网格荷载单元上记录的荷载参数，按设定的模式，将网格区域内的面荷载最终导算到周边单元上，作为直接作用于梁、柱、墙上的线荷载。
2.根据权利要求1所述的处理任意空间曲面分布荷载的网格荷载法，其特征是，所述的步骤(2)，处理步骤如下①处理网格边，剔除重叠边，剔除独立悬臂边；②根据视图投影二维坐标，从一点A开始，沿逆时针方向找与该点连接的边，直到再次回到A点结束，形成一个封闭网格；③每边分正、反向，每边容许正向、反向各被找边一次，在一次找边过程中，如有一个边同方向已经被找边，则该次找边过程中止；④对网格曲面的所有点重复上面②、③步骤，找到所有封闭网格；⑤找到的网格中，将包含外围边界组成的网格，根据网格面积判断将该网格删除，对多区域曲面，分别删除各区域的外围网格。
全文摘要
一种土木建筑工程技术领域的处理任意空间曲面分布荷载的网格荷载法，将面荷载概念扩充作为为处理空间封闭网格上分布力的网格荷载，处理步骤如下(1)利用三维视图旋转展开，将空间曲面转化为二维视图平面。(2)利用视图投影面形成组成曲面的封闭网格。(3)建立网格荷载的数据顺序记录组成封闭网格各边的单元序号形成其中网格形状的描叙；网格荷载单元作为独立图形，具有对应网格序号、坐标、所加荷载参数等属性。(4)将封闭网格区域的分布荷载导算到周边单元上。本发明方法处理简便速度快，对复杂空间网格曲面一次操作即可处理分布荷载，并且能用于风压、水压等多类型荷载的处理，同时将网格荷载单元作为独立的图形具有更大的适应性、灵活性。
文档编号G06F17/50GK1644826SQ200510023279
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月13日 优先权日2005年1月13日
发明者谢靖中 申请人:上海交通大学