CN110517547A - 基于人机交互的力学智能分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于人机交互的力学智能分析系统，包括题目生成模块：通过输入数据文件自动生成测试题目及对应的力学模型；功能选择模块：根据测试题目的力学模型确定按静力分析还是按动力分析；如果按静力分析，所述功能选择模块中包括：反力计算模块、轴力计算模块、剪力计算模块、弯矩计算模块、变形计算模块；如果按动力分析，所述功能选择模块中包括：动力分析模块、振型显示模块、动态显示模块；结果输出模块：根据用户在所述功能选择模块中所选择的功能输出对应的力学分析结果。其效果是：数据格式简单、输入方便，容易操作，成图精度高，可实现线上教学交互的实时性和动态性。提供智能自动变参功能，可方便用于题库建设。

Description

基于人机交互的力学智能分析系统
技术领域
本发明涉及智能教学技术，特别是《结构力学》、《工程力学》教学领域中的一种基于人机交互的力学智能分析系统。
背景技术
目前在线教学和网络教学模式，正处于高速发展阶段，其中工程力学类课程教学中，计算简图表达已经成为在线教学的一个瓶颈技术，主要问题在于教学过程和计算练习时，需要大量的图形进行表达，但手绘图形参数复杂，又要求一定的准确度，而教、学交互中，图形又很难通过文字直接描述。因此，计算简图在计算机系统中更简洁的表达和在用户间更有效交互方式，是目前高校教学力学类课程中需要迫切解决的问题。
现有的通用成熟的商业分析软件，其主要应用领域又基本在于工程分析，对教学模型和工程模型特征的直观表达不足，具体成图效果，仍不能达到教学使用的计算模型和图形的需要。
在题库建设上，目前的力学题库仍为一题一建，这造成题库建设的工作量大，题量也很难在短期内避免重复。而需要较大题量以达到力学训练目的的练习题库建设，按此方式基本不可行，因此，目前的练习作业仍只能依靠教材和有限的教辅资料所附习题，这造成题目数量少，更新慢，无法达到良好的训练目的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于人机交互的力学智能分析系统，通过数据文件输入，能够准确形成结构计算模型简图、形成内力及变形分析结果，且参数可以自动调整，以丰富题量。
本发明所采用的具体技术方案是：
一种基于人机交互的力学智能分析系统，其关键在于包括：
题目生成模块：通过输入数据文件自动生成测试题目及对应的力学模型；
功能选择模块：根据测试题目的力学模型确定按静力分析还是按动力分析；
如果按静力分析，所述功能选择模块中包括：反力计算模块、轴力计算模块、剪力计算模块、弯矩计算模块、变形计算模块；
如果按动力分析，所述功能选择模块中包括：动力分析模块、振型显示模块、动态显示模块；
结果输出模块：根据用户在所述功能选择模块中所选择的功能输出对应的力学分析结果。
可选地，所述题目生成模块所生成的力学模型包括所有类型的支座、结点和单元模型。
可选地，所述数据文件中的内容包括结构类型、变参标志、题干标志、结构附加参数、单元数、结点数、特殊结点数、结点荷载数、单元荷载数、结点坐标、单元信息、特殊结点信息、结点荷载信息、单元荷载信息、自定义变参控制参数以及题目题干信息。
可选地，所述单元信息包括始端结点号、末端结点号、EI(弯曲刚度)、EA(拉压刚度)、单元线质量；所述结点荷载信息包括结点号、方向码、荷载数值；所述单元荷载信息包括单元号、类型码、荷载数值。
可选地，所述结果输出模块中采用带符号参数计算和分数格式输出。
可选地，在所述题目生成模块和所述结果输出模块中采用不同粗细的线条对结点、支座、杆件和荷载进行区分，并使用ARGB颜色系统进行各个图层的图素绘制。
本发明的显著效果是：
(1)数据格式简单、输入方便，容易操作，计算模型的表达方式与国内高校结构力学教材插图的表达完全对应，成图精度高，效果好，结果图可直接用于教材、习题集的插图；本技术也可用于在线教学中，可支持力学模型的线上互动，实现线上教学交互的实时性和动态性。
(2)系统对模型使用杆系有限元法进行静力和动力分析，并准确绘制内力图、变形图和动力分析振型图，可用于教学辅助，也可用于实际工程分析。
(3)系统提供智能自动变参功能，可使得任一模型自动生成数十万种以上不同特征的题目，同时支持大量学生练习、考核和考试使用，可方便用于题库建设。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例中系统操作界面示意图；
图2(a)为本发明具体实施例中其它软件成图效果；
图2(b)为本发明具体实施例中系统成图效果；
图3(a)为本发明具体实施例中CAD手绘成图效果；
图3(b)为本发明具体实施例中系统成图效果；
图4(a)是本发明具体实施例中支座反力计算结果图；
图4(b)是本发明具体实施例中轴力计算结果图；
图4(c)是本发明具体实施例中剪力计算结果图；
图4(d)是本发明具体实施例中弯矩计算结果图；
图4(e)是本发明具体实施例中变形计算结果图；
图5是本发明具体实施例中支座效果图；
图6是本发明具体实施例中复杂内结点效果图；
图7(a)是本发明具体实施例中三铰拱计算简图；
图7(b)是本发明具体实施例中内力(弯矩)图；
图8(a)是本发明具体实施例中带符号参数计算后的计算简图；
图8(b)是本发明具体实施例中带符号参数计算后的内力图；
图9是本发明具体实施例中数值分数显示的内力图；
图10是本发明具体实施例中变参效果的模型图；
图11是本发明具体实施例中振型显示(截图为静态，平台内支持动态显示)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供一种基于人机交互的力学智能分析系统，包括：
题目生成模块：通过输入数据文件自动生成测试题目及对应的力学模型；
功能选择模块：根据测试题目的力学模型确定按静力分析还是按动力分析；
如果按静力分析，所述功能选择模块中包括：反力计算模块、轴力计算模块、剪力计算模块、弯矩计算模块、变形计算模块；
如果按动力分析，所述功能选择模块中包括：动力分析模块、振型显示模块、动态显示模块；
结果输出模块：根据用户在所述功能选择模块中所选择的功能输出对应的力学分析结果。
具体实施时，用户可以根据图1所示的操作界面，点击“生成题目”按键，进行数据文件的选择和输入操作，自动生成需要的变参题目；然后系统根据结构特征，确定是按静力还是按动力进行分析；静力分析时，点击按键“反力计算”“轴力计算”“剪力计算”“弯矩计算”“变形计算”，分别在右侧窗体生成相应的“反力图”“轴力图”“剪力图”“弯矩图”“变形图”；动力分析时，点击按键“动力分析”“振型显示”“动态显示”分别进行“动力计算”“各阶振型顺序显示”“各阶振型动态显示”。
具体实施时，系统输入数据文件格式如表1所示：
通过上述方式，自动生成测试题目，可实现复杂结点、支座和单元模型成图，参数、符号和尺寸自动标注。包括力学模型中涉及到的所有类型支座、结点和单元，根据输入数据确定对象类型，并根据结构特征确定结点和单元的显示算法，确定其绘制和显示方式。无需用户过多干涉，输入数据量精简至最小。
表1：系统数据文件格式
系统中的结果输出模块中采用带符号参数计算和分数及带根号格式输出。力学分析时，为使得计算模型参数具体普遍代表性，模型中的某些参数常以符号形式出现，如杆件长度、荷载值、截面刚度等。出现符号参数后，模型计算模式和常规数值计算，在图形和数值表达上，会有明显区别。同时，结构分析符号计算使用手工计算时，数值以常以分数或根号格式进行表达。相较于小数形式的数值，分数或根号形式简洁，表达精度更高。如1/3和0.3333相比较，分数的表达结果不仅精度高于小数形式，而且分数形式的输出结果，还包含着对计算方法、力学思维和力学概念的准确描述。本发明通过算法实现符号输入、显示和分数根号格式输出功能，分析平台计算与手工计算模式可在形式上完全一致。
同时可以看出，系统可以实现智能变参功能。现有教学中提供的作业练习题目总是有限的，对于相同的题目，过程唯一、答案唯一，结果容易出现抄袭，练习效果不佳。平台提供智能变参功能，可自动形成数十万(简单模型)，甚至上千万(相对复杂模型)的不同特征参数的题目。变参可由系统平台根据结构特征，自动在合理范围内生成，也可根据用户设定具体的变参数据实现。变参功能可在模型分析的主要特征不变情况下，提供巨量不同参数的具体题目样本，可在教学过程中提供更多的练习机会。
除此之外，本发明相对于其它成图系统，同样可按矢量图格式保存文件，图形显示效果佳。与“结构力学生成器”、“SAP”、“ABAQUS”、“ANSYS”等软件相比，本发明更适用于杆系结构计算简图的使用。根据图2(a)和图2(b)所示，可以看出本系统与近似软件成果效果比较；图3(a)和图3(b)所示，可以看出CAD人工绘图效果与自动成图效果对比。由于本平台中，使用了多种线粗度进行结点、支座、杆件和荷载的区分，使用ARGB颜色系统进行各图层图素绘制，在屏幕上显示效果好，图素定位精度更高，图素避让关系处理也更好，可以达到CAD手工作图的效果。
图4(a)-图4(e)所示为图2结构数据输入后，系统平台的自动成图效果，轴力、剪力、弯矩图的绘图、表达方式，与现行教材中的约定基本一致，系统可直接输出图片用于教学，也可直接用于教材、习题集的插图生成。
图5是支座成图效果，图6是复杂内结点成图效果，可清晰准确地表达常见结构的内、外约束条件，为准确描述结构特征提供了。
图7(a)和图7(b)是系统生成的静定三铰拱的计算简图和内力图，平台对常见轴线形式(抛物线、圆弧)和常见荷载作用(竖向重力荷载)提供图形和计算支撑。
图8(a)和图8(b)是带符号参数的计算简图和内力图，可准确显示符号参数。
图9是带符号参数时的分数显示，分数显示结果更显简洁，也与人工手算形式保持一致。
图10为自动变参(用户不干预，变参开关参数：-1)生成的计算简图，选取自动生成的前6个模型作为示例，自动形成的计算简图与原结构模型结构特征完全一致，通过结点坐标和荷载特征进行自动变参，根据算法，本模型自动变参可随机生成3000000种结构参数不同，但结构特征却相近的计算简图，可完全适应大规模题库建设的需要。用户在需要时也可自行控制变参的范围，可进一步提高题目变参的质量。
图11为动力分析时振型显示，动态显示时结构相应模态下的变形曲线精度高(20结点样条曲线插值计算)，显示效果好。
综上所述，本发明提供的基于人机交互的力学智能分析系统，可以基于格式化的数据文件编辑生成测试题目，同一题干系统可以变参设置形成多样化的题目，方便教学及考核，成题速度快，成图效果好，便于题库建设和标准参考答案的输出。
最后需要说明的是，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于人机交互的力学智能分析系统，其特征在于包括：
题目生成模块：通过输入数据文件自动生成测试题目及对应的力学模型；
功能选择模块：根据测试题目的力学模型确定按静力分析还是按动力分析；
如果按静力分析，所述功能选择模块中包括：反力计算模块、轴力计算模块、剪力计算模块、弯矩计算模块、变形计算模块；
如果按动力分析，所述功能选择模块中包括：动力分析模块、振型显示模块、动态显示模块；
结果输出模块：根据用户在所述功能选择模块中所选择的功能输出对应的力学分析结果。
2.根据权利要求1所述的基于人机交互的力学智能分析系统，其特征在于：所述题目生成模块所生成的力学模型包括所有类型的支座、结点和单元模型。
3.根据权利要求1或2所述的基于人机交互的力学智能分析系统，其特征在于：所述数据文件中的内容包括结构类型、变参标志、题干标志、结构附加参数、单元数、结点数、特殊结点数、结点荷载数、单元荷载数、结点坐标、单元信息、特殊结点信息、结点荷载信息、单元荷载信息、自定义变参控制参数以及题目题干信息。
4.根据权利要求1或2所述的基于人机交互的力学智能分析系统，其特征在于：所述单元信息包括始端结点号、末端结点号、截面刚度、单元线质量；所述结点荷载信息包括结点号、方向码、荷载数值；所述单元荷载信息包括单元号、类型码、荷载数值。
5.根据权利要求1所述的基于人机交互的力学智能分析系统，其特征在于：所述结果输出模块中采用带符号参数计算、分数格式和带根号数字输出。
6.根据权利要求1所述的基于人机交互的力学智能分析系统，其特征在于：在所述题目生成模块和所述结果输出模块中采用不同特征的线条对结点、支座、杆件和荷载进行区分，并使用ARGB颜色系统进行各个图层的图素绘制。
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