CN110853431A - 用于杆系结构内力图绘制的人机交互系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于杆系结构内力图绘制的人机交互系统，用户通过题目生成模块生成相应的题目及对应的模型简图后，在作业区操作模块和计算模型图显示区显示出对应的计算模型简图，用户通过选择对象，并在杆段拆分信息填充模块填充相应的信息进行杆段拆分；然后选择轴力图绘制控件、剪力图绘制控件或弯矩图绘制控件可以填充对应的数据，系统在对应的轴力图显示区、剪力图显示区或弯矩图显示区中显示相应的内力图形；并通过内力图检查模块现对比评分。其效果是：可集成大量的典型例题，直接使用鼠标对力学模型进行图形操作，将重复的绘图操作改由系统自动完成，使用简单，可完整记录，自动批改，可用于内力图绘图作业练习或考核考试中。

Description

用于杆系结构内力图绘制的人机交互系统

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》教学领域中的一种用于杆系结构内力图绘制的人机交互系统。

背景技术

内力图绘制是结构分析的重要内容，几乎所有的杆系结构分析内容，包括强度、刚度、稳定、动力、极限分析等等，都会涉及到结构内力计算。由于内力图可以表达出结构内力分布的关键特征，相较于函数表达方式，更为直观，在力学概念学习、结构分析和设计中使用非常广泛。内力图可以是结构分析的计算结果，如对杆系结构的内力计算；也可以是结构分析中的某些关键计算步，如位移计算的图乘法，需要使用到的弯矩图分布图形，或位移法、力法计算过程中必须使用到的某自由度的单位弯矩图等。

目前在线教学发展较快，但技术上仍以“教”为主，主要集中在多媒体技术的辅助下，教学上实现了资源的多样化和丰富化，同时借助互联网拉近了教与学的距离，幅射面更广；而在“学”上，学生的学习方式仍与在传统教学的模式，并无太大差异，因此，教学技术和交互手段的改进，仍是当前在线教学技术发展中，必须注重的环节。对力学类课程来说，图形应用广泛，学习中的练习、考核、考试这三大环节，除判断、选择、填空等客观题目外，主观题由于涉及到了图形绘制和结果评判，目前无法在线上实现，严重限制了类似课程的在线发展。

由于内力图的绘制在力学学习和工程应用中的广泛使用，因此，力学类课程线上教学中，内力图的实时绘制、显示和成图，是无法回避的一个重要技术问题。而目前图形手绘的作业方式显然无法自动批阅，即便借助绘图软件成图，图形质量有保证，但绘制复杂，时间长，图形结果还难于数值化，依然只能人工批阅。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种用于杆系结构内力图绘制的人机交互系统，通过内嵌题目、模型数据录入或交互式结构生成，形成结构模型；用户通过鼠标和键盘输入，可较容易地绘制出杆系结构的内力图形，内力图形关键特征在系统中以数据格式存贮，除可用于实时显示外，还可进行数据分析和比较，所建系统可智能批改作业并实时反馈结果。

为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案是：

一种用于杆系结构内力图绘制的人机交互系统，其关键在于包括：

题目生成模块：通过数据文件或人机交互，自动生成题目和相应杆系结构计算模型及简图；

内力图绘制模块：包括轴力图绘制控件、剪力图绘制控件以及弯矩图绘制控件；

作业模块：包括作业区操作模块、杆段拆分信息填充模块以及内力图检查模块；

结果对比模块：包括计算模型图显示区、轴力图显示区、剪力图显示区、弯矩图显示区；

用户通过所述题目生成模块，生成相应题目及对应的杆系结构计算模型简图后，在所述作业区操作模块和所述计算模型图显示区，显示出对应的计算模型简图，用户通过选择作业区操作模块中的对象，并在所述杆段拆分信息填充模块，填充相应的信息进行杆段拆分；然后选择轴力图绘制控件、剪力图绘制控件或弯矩图绘制控件，可以填充对应的数据，系统在对应的轴力图显示区、剪力图显示区或弯矩图显示区中显示相应的内力图形；所述内力图检查模块，用于生成正确的内力图形，并加载到用户绘制的内力图形上实现对比评分。

可选地，所述内力图绘制模块中还设置有二次函数叠加模块、跨中作用集中力叠加模块以及跨中作用集中力偶矩叠加模块，用户点击所述弯矩图绘制控件后，选择所述二次函数叠加模块或所述跨中作用集中力叠加模块或所述跨中作用集中力偶矩叠加模块中的任何一项，并填充相应的内力大小实现对应弯矩函数的叠加。

可选地，在所述作业区操作模块中设置有数据填充控件和正、负选择控件，当用户在所述作业区操作模块中选中对象后，点击所述轴力图绘制控件、剪力图绘制控件或弯矩图绘制控件，即可通过所述数据填充控件填充内力大小数据，并通过所述正、负选择控件确定内力的方向。

可选地，所述结果对比模块还用于给出对比评分结果，输出用户绘制图形的正确率，在判断正确率时，系统预定有误差空间。

可选地，所述作业区操作模块中根据所述计算模型简图和用户所填的杆段拆分信息自动生成可选对象，并通过鼠标点击选定。

本发明的显著效果是：

系统平台内集成大量的典型例题(支持使用者以数据文件或人机交互形成新例题)，用户直接使用鼠标对力学模型进行图形操作，将重复的绘图操作改由系统自动完成，如模型底图、数值线表达、数值显示和标注等，用户只需控制图形的关键特征输入，使用简单。

用户形成的最终内力图形可由系统完整记录，自动批改轴力、剪力和弯矩图形，并在图形中给出正确的参考答案。图形关键特征数值化的处理方式突破了当前力学类主观题无法在线实时考核的限制，系统平台既可用于学习阶段的绘图练习，也可用于考核或考试中。

本技术也可于在线教学中，形成力学模型的线上互动，实现几何组成分析线上教学交互的实时性和动态性。

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平台操作界面示意图；

图2-1为复杂荷载作用效果图；

图2-2为杆段拆分后每一杆段上荷载为常数的作用效果图；

图2-3为外约束去除后示意图；

图3-1为杆段拆分参数输入效果图；

图3-2为杆段拆分后各个可选对象的结构示意图；

图4为内力分布为直线的力学示意图；

图5-1为内力分布的叠加效果图；

图5-2为三种简支弯矩图；

图6为本发明具体实施例中弯矩值标示在受拉侧的输入方式示意图；

图7-1本发明具体实施例中示例1的模型简图；

图7-2本发明具体实施例中示例1的分析结果图；

图8-1本发明具体实施例中示例2的模型简图；

图8-2本发明具体实施例中示例2的分析结果图；

图9-1本发明具体实施例中示例3的模型简图；

图9-2本发明具体实施例中示例3未叠加时的控制截面弯矩图；

图9-3本发明具体实施例中示例3未执行简支弯矩的过程图；

图9-4本发明具体实施例中示例3的结果弯矩图。

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，本实施例提供一种用于杆系结构内力图绘制的人机交互系统，包括：题目生成模块：用户点击平台“生成题目”按键，选择内嵌例题或通过输入数据文件的形式，可自动生成题目，点击平台“内力图绘制”按键，即可形成对应的杆系结构计算模型简图；

内力图绘制模块：包括轴力图绘制控件、剪力图绘制控件以及弯矩图绘制控件；用户根据简图，自行选择适当的方法进行计算，并根据计算结果，进行对应的各种内力图形的绘制。内力绘制的人机交互适用于结构的常用荷载，对于轴力图、剪力图，形成直线分布图形，并自动根据输入数据标示正负数值和正交于杆轴的内力值线；对于弯矩图，控制截面弯矩输入完毕后，还可利用叠加原理，并选择对应的简支弯矩图进行叠加绘制，具体实施时，设置有二次函数叠加模块、跨中作用集中力叠加模块以及跨中作用集中力偶矩叠加模块，用户点击所述弯矩图绘制控件后，选择所述二次函数叠加模块或所述跨中作用集中力叠加模块或所述跨中作用集中力偶矩叠加模块中的任何一项并填充相应的内力大小实现对应弯矩函数的叠加。

作业模块：包括作业区操作模块、杆段拆分信息填充模块以及内力图检查模块；作业区操作模块中根据所述计算模型简图和用户所填的杆段拆分信息自动生成可选对象，并通过鼠标点击选定；

结果对比模块：包括计算模型图显示区、轴力图显示区、剪力图显示区、弯矩图显示区；

用户通过所述题目生成模块生成相应的题目及对应的杆系结构计算模型简图后，在所述作业区操作模块和所述计算模型图显示区显示出对应的计算模型简图，用户通过选择作业区操作模块中的对象，并在所述杆段拆分信息填充模块填充相应的信息进行杆段拆分；然后选择轴力图绘制控件、剪力图绘制控件或弯矩图绘制控件可以填充对应的数据，系统在对应的轴力图显示区、剪力图显示区或弯矩图显示区中显示相应的内力图形；所述内力图检查模块用于生成正确的内力图形并加载到用户绘制的内力图形上实现对比评分。

杆系结构中直杆段内力图形的基本特征为下表所示：

因此，内力图形始终可以拆分为若干个杆段，以保证在每一杆段内，荷载始终满足上表的两个状态之一。以图2-1为例，一简支梁上作用了较复杂的荷载，但当按本点所述原则进行杆段拆分后，任一杆段上的荷载皆满足上表。(如图2-2所示)。

分段过程完全由用户自由控制，用户根据需要对杆件进行分段，操作过程为：点取杆件，点取分段数，输入截面位置相对值，即可完成分段。杆件会自动标示出分段后的各杆段长度。分段过程图如图3-1和图3-2所示。

杆段拆分后的内力分布，若为线性函数，可根据“两点确定一直线”的方式进行内力图形输入，即确定本段始、末端的内力值，即可绘内力图，如图4所示。

杆段拆分后的内力分布，若为二次函数，由于二次函数参数复杂，为简化过程计算和数据输入量，系统使用叠加原理进行内力图绘制。即先确定两端控制截面内力值，绘制直线，再以此直线为基线，叠加二次曲线，如图5-1所示。为减少杆段拆分，系统中除提供二次函数叠加外，还提供跨中作用集中力和跨中作为力偶矩这两种弯矩函数，如图5-2。按此方式，用户仅输入一个关键内力值Vc，即可完成复杂弯矩图的绘制。

根据内力图绘制时的基本约定，内力图绘制时还需要在杆轴正交方向绘制数值线，系统根据叠加完成后的内力值，计算内力函数曲线与杆轴的关系，并绘制出需要的数值线，数值线绘制的示意图见示例1～示例3所附各图。

弯矩图绘制时，弯矩值标示在受拉一侧，由于结构的杆件可能方向不一，如水平杆，竖直杆，或者斜向杆等，无法像水平梁中统一规定“下侧纤维受拉为正”。因此，系统在截面控制弯矩值输入时，在图形中给出正、负输入的提示，以保证用户输入的数值表达在截面受拉的一侧，如图6所示。在对杆段二输入时，根据系统提示，上侧为正，下侧为负，根据此约定，若用户计算截面1右侧弯矩值为-4，截面2左侧弯矩值为+4，按此输入，即可得图6所示的过程图。

轴力和剪力图，通常还需要在图形中标注正负。在所述作业区操作模块中设置有数据填充控件和正、负选择控件，当用户在所述作业区操作模块中选中对象后，点击所述轴力图绘制控件、剪力图绘制控件或弯矩图绘制控件，即可通过所述数据填充控件填充内力大小数据，并通过所述正、负选择控件确定内力的方向。系统在完成内力绘制时，会根据内力函数，进行正负区段的计算，在正区间标示

在负区间标示

正负图标绘制的示意图见示例1所附轴力图和示例2所附剪力图。

内力图形的准确率评判。系统根据结构数据和荷载数据，计算出正确的内力图形特征。将此特征与用户绘制的图形特征进行逐截面比对，考虑到手算时可能的舍入误差，系统设定了1％的误差区间，用户图形满足此区间要求的，皆判定为正确。全图形比对完毕后，可输出用户图形的正确率，并以用户内力图为底图，绘出正确的内力图形，供用户校核，校核结果如示例1～示例3各内力结果图所示。

下面再利用三个典型例题，演示系统的基本功能。

示例1：

对单跨悬臂梁计算轴力图(如图7-1所示)。用户经计算，并在系统中将杆件拆分为两段进行轴力图形绘制。输入两段轴力的四个截面轴力值，即可得到其轴力图；显然第一段轴力，用户计算有误(轴力拉压方向计算错误)，系统判分结果正确率为0.5，并提示正确定的轴力形状(如图7-2所示)。

示例2：

对单跨悬臂梁计算剪力图(如图8-1所示)。用户经计算，并在系统中将杆件拆分为四段进行剪力图形绘制。输入四段轴力的八个截面剪力值，即可得到其剪力图；显然第三段剪力，用户计算有误(剪力数值计算错误)，系统判分结果正确率为0.75，并提示正确定的剪力形状(如图8-2所示)。

示例3：

对多跨梁计算弯矩图(如图9-1所示)。由于结构中存在三类单元荷载，因此若仍按分段方式进行直接绘制，需要输入的控制截面较多。为简化输入过程，系统内提供简单荷载对应的简支弯矩图，以供用户叠加使用。因此，结构除DE段需要拆分外，无需进行过多分段，仍按自然杆件进行控制截面弯矩值的输入，所得过程弯矩图如图9-2所示。再在AB段上执行“跨中作用集中力”的简支弯矩叠加，在BC段上执行“跨中作用集中力偶矩”的简支弯矩叠加，在DE第一段上执行“满跨作用均布力”的简支弯矩叠加，以上操作执行和输入均非常容易，使得弯矩图形的绘制得到较大的简化。叠加过程图如图9-3所示。叠加后结构的最终弯矩图如图9-4所示，由于输入的图形特征参数完全正确，最后用户手绘弯矩图的正确率＝1。

综上所述，本发明提出的用于杆系结构内力图绘制的人机交互系统，可提供友好的图形界面，操作简单，由鼠标选择对应的杆件单元进行内力值输入，若单元荷载数目多，可选择单元分段进行绘图。系统使用最简洁的数据输入实现自动成图功能。同时，系统以数据方式保存作业过程，实时显示图形结果，提交后可在图形界面下实时批改，提供正确的内力图形以供用户比较，系统根据后台计算的正确内力结果值，进行得分评判。而且，本系统仅辅助完成图形绘制，所有的计算仍交由用户完成，过程中不作任何诱导性的提示，以保证练习、考核和考试的有效性。

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 (5)

1.一种用于杆系结构内力图绘制的人机交互系统，其特征在于包括：

题目生成模块：通过数据文件或人机交互，自动生成题目和相应杆系结构计算模型及简图；

内力图绘制模块：包括轴力图绘制控件、剪力图绘制控件以及弯矩图绘制控件；

作业模块：包括作业区操作模块、杆段拆分信息填充模块以及内力图检查模块；

结果对比模块：包括计算模型图显示区、轴力图显示区、剪力图显示区、弯矩图显示区；

用户通过所述题目生成模块生成相应的题目及对应的杆系结构计算模型简图后，在所述作业区操作模块和所述计算模型图显示区显示出对应的计算模型简图，用户通过选择作业区操作模块中的对象，并在所述杆段拆分信息填充模块填充相应的信息进行杆段拆分；然后选择轴力图绘制控件、剪力图绘制控件或弯矩图绘制控件可以填充对应的数据，系统在对应的轴力图显示区、剪力图显示区或弯矩图显示区中显示相应的内力图形；所述内力图检查模块用于生成正确的内力图形并加载到用户绘制的内力图形上实现对比评分。

2.根据权利要求1所述的用于杆系结构内力图绘制的人机交互系统，其特征在于：所述内力图绘制模块中还设置有二次函数叠加模块、跨中作用集中力叠加模块以及跨中作用集中力偶矩叠加模块，用户点击所述弯矩图绘制控件后，选择所述二次函数叠加模块或所述跨中作用集中力叠加模块或所述跨中作用集中力偶矩叠加模块中的任何一项并填充相应的内力大小实现对应弯矩函数的叠加。

3.根据权利要求1或2所述的用于杆系结构内力图绘制的人机交互系统，其特征在于：在所述作业区操作模块中设置有数据填充控件和正、负选择控件，当用户在所述作业区操作模块中选中对象后，点击所述轴力图绘制控件、剪力图绘制控件或弯矩图绘制控件，即可通过所述数据填充控件填充内力大小数据，并通过所述正、负选择控件确定内力的方向。

4.根据权利要求1所述的用于杆系结构内力图绘制的人机交互系统，其特征在于：所述结果对比模块还用于给出对比评分结果，输出用户绘制图形的正确率，在判断正确率时，系统预定有误差空间。

5.根据权利要求1所述的用于杆系结构内力图绘制的人机交互系统，其特征在于：所述作业区操作模块中根据所述计算模型简图和用户所填的杆段拆分信息自动生成可选对象，并通过鼠标点击选定。

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