CN112394848A - 一种基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法及系统，应用于高等教育力学课程教学领域，本发明将力矩分配法分析和计算作业全过程，完整移植至计算机软件平台，对任意参数的力矩分配法题目，结合力矩分配法计算常规步骤，根据用户交互输入的不平衡力矩、分配系数、传递系数，以及用户交互确定的结点分配次序，计算并显示分配、传递过程与结果。对每一操作步中涉及到的约束改变、模型交互、图形绘制、分配传递等内容，利用有限元分析实现概念性判断，通过图形界面实现了人机智能交互，辅助完成分析、计算和绘图操作等作业全过程，并能够实现智能批阅，有效提高学生的杆系结构力矩分配法作业的计算效率和练习效果。

Description

一种基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法及 系统

技术领域

本发明涉及智能教学技术领域，尤其涉及应用于高等教育中《结构力学》、《工程力学》、《建筑力学》等力学课程教学领域的一种基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法及系统。

背景技术

力矩分配法适用于分析有结点角位移的结构(如连续梁、无侧移框架)，根据结构在刚结点处的变形协调，将作用于结点的不平衡力偶矩，按转动刚度概念，分配、传递至各杆杆端。计算过程无需求解联立方程组，相较于力法、位移法，计算量更小，在学习过程中也容易把握关于转动刚度的概念认识。但在多结点分配时“渐近”的计算方式，类似于迭代，其分配、传递杆端内力的过程，需要往复进行，略显繁琐。

传统力矩分配法纸上作业方式，图、表、文、公式、符号交错，具体分配过程与分配次序关联，而分配次序不同，过程数据也随之而改变，因此过程检查难度大。由于手工批阅强度大，很难实现自动批阅，在大规模教学中，传统的作业批阅方式周期长，无法及时反馈至教学双方。

随着计算机、互联网等技术发展，传统教学、在线教学、混合教学等教学模式，对教学交互技术在计算机系统上的实现提出了更高要求，目前国内外教学辅助、结构分析软件，均没有力矩分配法的人机交互作业功能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法及系统，将力矩分配法分析和计算作业全过程，完整移植至计算机软件平台；对任意参数的力矩分配法题目，利用图形界面和智能交互，辅助完成分析、计算、绘图操作等作业全过程，并能够实现智能批阅，有效提高学生的杆系结构力矩分配法作业中的计算效率和练习效果。

为实现上述目的，本发明公开的技术方案如下：

根据本发明的第一个方面，本发明公开了一种基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法，所述方法包括如下步骤：

在人机交互界面加载并显示待解答题目的原杆系结构，其中，所述人机交互界面包括图形信息显示区和交互操作区，所述原杆系结构显示在所述图形信息显示区；

获取用户在所述交互操作区输入的待分配结点数n，其中，n为正整数；

将所述图形信息显示区分割成3个显示窗口，所述3个显示窗口包括用于显示待解答题目的题目显示窗口、用于显示作业过程图形的过程图形显示窗口以及用于显示最终结果图形的结果图形显示窗口；

接收用户在所述交互操作区对所述原杆系结构做出的附加刚臂操作，并基于所述附加刚臂操作生成力矩分配基本结构；

接收用户在所述交互操作区输入的固端弯矩值和需叠加简支弯矩值，基于所述固端弯矩值和需叠加简支弯矩值利用叠加原理交互绘制附加刚臂约束下的荷载弯矩图；

获取用户在所述交互操作区输入的各待分配结点不平衡力矩的数值，基于所述输入的各待分配结点不平衡力矩的数值生成结点不平衡力矩图；

获取用户在所述交互操作区输入的各待分配结点对应杆端的分配系数以及不同远端约束模式下对应的传递系数，基于所述分配系数和传递系数执行力矩分配过程；

获取用户输入的固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值，基于所述固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值利用叠加原理交互绘制结果弯矩图；

记录用户在所述交互操作区的交互操作步骤，对所述交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果。

优选地，所述方法还包括：

当获取到用户提交的新作业过程图形时，实时将所述过程图形显示窗口中的当前图形更新为所述新作业过程图形。

优选地，所述交互操作区设置有题目选择控件，所述方法还包括：

接收用户在所述题目选择控件上的选题操作，其中，所述选题操作用于在题库中选择所述待解答题目。

优选地，所述对所述交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果包括：

根据预设的判断规则对待分配结点数n、荷载弯矩图、结点不平衡力矩、杆端弯矩以及结果弯矩图的正确性与否进行判断，得到判断结果；

基于所述判断结果按照预设的批阅模式生成批阅结果；

将所述批阅结果以浮动窗口的方式显示在所述人机交互界面上。

优选地，所述图形信息显示区位于所述人机交互界面的中部，且所述图形信息显示区的3个显示窗口按照题目显示窗口、过程图形显示窗口和结果图形显示窗口的顺序从上至下依次排列。

根据本发明的第二个方面，本发明公开了一种基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业系统，所述系统包括：

原结构图形加载模块，用于在人机交互界面加载并显示待解答题目的原杆系结构，其中，所述人机交互界面包括图形信息显示区和交互操作区，所述原杆系结构显示在所述图形信息显示区；

结点数目获取模块，用于获取用户在所述交互操作区输入的待分配结点数n，其中，n为正整数；

图形窗口分割模块，用于将所述图形信息显示区分割成3个显示窗口，所述3个显示窗口包括用于显示待解答题目的题目显示窗口、用于显示作业过程图形的过程图形显示窗口以及用于显示最终结果图形的结果图形显示窗口；

基本结构绘制模块，用于接收用户在所述交互操作区对所述原杆系结构做出的附加刚臂操作，并基于所述附加刚臂操作生成力矩分配基本结构；

荷载弯矩图绘制模块，用于接收用户在所述交互操作区输入的固端弯矩值和需叠加简支弯矩值，基于所述固端弯矩值和需叠加简支弯矩值利用叠加原理交互绘制附加刚臂约束下的荷载弯矩图；

结点不平衡力矩图绘制模块，获取用户在所述交互操作区输入的各待分配结点不平衡力矩的数值，基于所述输入的各待分配结点不平衡力矩的数值生成结点不平衡力矩图；

力矩分配模块，用于获取用户在所述交互操作区输入的各待分配结点对应杆端的分配系数以及不同远端约束模式下对应的传递系数，基于所述分配系数和传递系数执行力矩分配过程；

结果弯矩图绘制模块，用于获取用户输入的固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值，基于所述固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值利用叠加原理交互绘制结果弯矩图；

作业智能批阅模块，用于记录用户在所述交互操作区的交互操作步骤，对所述交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果。

优选地，所述系统还包括：

过程图形更新模块，用于当获取到用户提交的新作业过程图形时，实时将所述过程图形显示窗口中的当前图形更新为所述新作业过程图形。

优选地，所述交互操作区设置有题目选择控件，所述系统还包括：

选题操作接收模块，用于接收用户在所述题目选择控件上的选题操作，其中，所述选题操作用于在题库中选择所述待解答题目。

优选地，所述对所述交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果包括：

根据预设的判断规则对待分配结点数n、荷载弯矩图、结点不平衡力矩、杆端弯矩以及结果弯矩图的正确性与否进行判断，得到判断结果；

基于所述判断结果按照预设的批阅模式生成批阅结果；

将所述批阅结果以浮动窗口的方式显示在所述人机交互界面上。

优选地，所述图形信息显示区位于所述人机交互界面的中部，且所述图形信息显示区的3个显示窗口按照题目显示窗口、过程图形显示窗口和结果图形显示窗口的顺序从上至下依次排列。

由以上方案可知，本发明提供了一种基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法及系统，所述方法包括在人机交互界面加载并显示待解答题目的原杆系结构，其中，所述人机交互界面包括图形信息显示区和交互操作区，所述原杆系结构显示在所述图形信息显示区；获取用户在所述交互操作区输入的待分配结点数n，其中，n为正整数；将所述图形信息显示区分割成3个显示窗口，所述3个显示窗口包括用于显示待解答题目的题目显示窗口、用于显示作业过程图形的过程图形显示窗口以及用于显示最终结果图形的结果图形显示窗口；接收用户在所述交互操作区对所述原杆系结构做出的附加刚臂操作，并基于所述附加刚臂操作生成力矩分配基本结构；接收用户在所述交互操作区输入的固端弯矩值和需叠加简支弯矩值，基于所述固端弯矩值和需叠加简支弯矩值利用叠加原理交互绘制附加刚臂约束下的荷载弯矩图；获取用户在所述交互操作区输入的各待分配结点不平衡力矩的数值，基于所述输入的各待分配结点不平衡力矩的数值生成结点不平衡力矩图；获取用户在所述交互操作区输入的各待分配结点对应杆端的分配系数以及不同远端约束模式下对应的传递系数，基于所述分配系数和传递系数执行力矩分配过程；获取用户输入的固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值，基于所述固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值利用叠加原理交互绘制结果弯矩图；记录用户在所述交互操作区的交互操作步骤，对所述交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果。本发明将力矩分配法分析和计算作业全过程，完整移植至计算机软件平台，对任意参数的力矩分配法题目，结合力矩分配法计算常规步骤，根据用户交互输入的不平衡力矩、分配系数、传递系数，以及用户交互确定的结点分配次序，计算并显示分配、传递过程与结果。对每一操作步中涉及到的约束改变、模型交互、图形绘制、分配传递等内容，利用有限元分析实现概念性判断，利用图形界面和人机智能交互，辅助完成分析、计算和绘图操作等作业全过程，并能够实现智能批阅，有效提高学生的杆系结构力矩分配法作业的计算效率和练习效果。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一种优选实施方式中基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法的流程示意图；

图2是本发明一种优选实施方式中基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业系统的结构示意图；

图3是本发明一个具体实例中人机交互界面示意图；

图4是本发明具体实例中人机交互作业完成后的人机交互界面示意图；

图5是本发明具体实例中过程图形显示窗口中显示的用户输入的荷载弯矩图和结点不平衡力矩的示意图；

图6是本发明具体实例中过程图形显示窗口中显示的用户输入的分配系数的示意图；

图7是本发明具体实例中过程图形显示窗口中显示的用户交互分配、传递的过程示意图；

图8是本发明具体实例中结果图形显示窗口中显示的用户交互绘制的结果弯矩图及批阅结果示意图；

图9是本发明具体实例中利用第二种解题方法进行解题的用户交互分配、传递过程示意图；

图10是本发明具体实施例中杆系结构力矩分配法计算的人机交互流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

根据本发明的第一个方面，本发明实施例提供了一种基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法，如图1所示，所述方法可以包括如下步骤：

S101，在人机交互界面加载并显示待解答题目的原杆系结构，其中，人机交互界面包括图形信息显示区和交互操作区，原杆系结构显示在图形信息显示区；

当进行杆系结构力矩分配法计算的智能交互作业时，首先需要在人机交互界面显示待解答题目对应的原杆系结构，该原杆系结构具体通过用户在人机交互界面的交互操作(例如从题库中选择)加载得到，加载得到的待解答题目对应的原杆系结构显示在人机交互界面的图形信息显示区。待解答题目具体可以是系统的内嵌题目、教师端发布的题目或者学生用户通过自定义设定各项参数后系统生成的题目。

S102，获取用户在交互操作区输入的待分配结点数n，其中，n为正整数；

加载显示题目后，需要获取用户在交互操作区输入的待分配结点数n，n的值为正整数，具体可以是用户在人机交互界面的交互操作区的相应输入窗口交互选择相应的数值并提交系统，用户输入的待分配结点数n为用户自己判断得到的题目中的原杆系结构对应的基本未知量数目。力矩分配法由位移法衍生，基本未知量性质与位移法相同(不能存在线位移)。如在选择统一的一般杆单元或引入一端固端一端铰单元时，未知量并非唯一固定，只根据结构特征，在可能范围内初判正误(可选最小值为结构中刚结点数目，最大值包括结构中所有可能发生的结点角位移)，系统根据用户输入的待分配结点数n控制后续的操作步骤。

S103，将图形信息显示区分割成3个显示窗口，3个显示窗口包括用于显示待解答题目的题目显示窗口、用于显示作业过程图形的过程图形显示窗口以及用于显示最终结果图形的结果图形显示窗口；

获取到用户输入的待分配结点数n后，系统将人机交互界面中的显示原杆系结构的图形信息显示区分割成3个图形显示窗口，即用于显示待解答题目的题目显示窗口、用于显示作业过程图形的过程图形显示窗口以及用于显示最终结果图形的结果图形显示窗口。具体地，在图形信息显示区分割完成后，可以将待解答题目显示在其中的题目显示窗口中，题目显示窗口中显示的待解答题目可以包括待解答题目对应的原杆系结构和待解答题目的题干信息。此时，过程图形显示窗口和结果图形显示窗口暂时为空。

具体地，图形信息显示区可以设置于人机交互界面的中部，且图形信息显示区的3个显示窗口按照题目显示窗口、过程图形显示窗口和结果图形显示窗口的顺序从上至下依次排列。

S104，接收用户在交互操作区对原杆系结构做出的附加刚臂操作，并基于附加刚臂操作生成力矩分配基本结构；

图形信息显示区分割完成后，用户可以在人机交互界面进行与原杆系结构对应的力矩分配基本结构的交互绘制，系统接收用户在人机交互界面的交互操作区对待解答题目对应的原杆系结构做出的附加刚臂操作，并根据该附加刚臂操作生成对应的用于力矩分配法分析的力矩分配基本结构，生成的力矩分配基本结构的图形在用户提交后可以实时加载过程图形显示窗口中。具体地，上述附加刚臂操作可以是用户在原杆系结构可能发生角位移的结点(或杆端)位置，添加附加刚臂。

需要说明的是，当用户建立的力矩分配基本结构可以通过所选择刚结点准确表达出原杆系结构的变形状态时，则系统认定此力矩分配基本结构的概念性正确。用户操作不论对错，皆可继续后续操作；系统存贮分析过程和所提交的力矩分配基本结构。

S105，接收用户在交互操作区输入的固端弯矩值和需叠加简支弯矩值，基于固端弯矩值和需叠加简支弯矩值利用叠加原理交互绘制附加刚臂约束下的荷载弯矩图；

力矩分配基本结构绘制完成后，系统在力矩分配基本结构上，添加原荷载，用户可利用载常数和荷载特征，交互绘制附加刚臂约束下的荷载弯矩图，用户在人机交互界面的交互操作区输入固端弯矩值和需叠加简支弯矩值等参数，系统接收用户输入的弯矩值和需叠加简支弯矩值，并根据固端弯矩值和需叠加简支弯矩值显示绘制过程，绘制完成并提交后，系统将过程图形显示窗口中显示的图形更新为绘制完成的荷载弯矩图。用户操作无论对错，可继续后续操作，系统存贮对应的荷载弯矩图，并提取各杆件固端弯矩。

S106，获取用户在交互操作区输入的各待分配结点不平衡力矩的数值，基于输入的各待分配结点不平衡力矩的数值生成结点不平衡力矩图；

荷载弯矩图绘制完成后，根据固端弯矩和结点外力偶矩，用户计算并交互输入各待分配结点不平衡力矩的数值，系统基于用户输入的各待分配结点不平衡力矩的数值生成结点不平衡力矩图，并将过程图形显示窗口中显示的图形更新为绘制完成的该节点不平衡力矩图。

107，获取用户在交互操作区输入的各待分配结点对应杆端的分配系数以及不同远端约束模式下对应的传递系数，基于分配系数和传递系数执行力矩分配过程；

结点不平衡力矩图绘制完成后，用户计算各待分配结点对应杆端的分配系数，及不同远端约束模式下对应传递系数，并在交互操作区交互输入分配系数和传递系数，系统根据分配系数和传递系数执行力矩分配过程，分配过程完成后，将过程图形显示窗口中显示的图形更新为力矩分配过程图。

需要说明的是，在力矩分配和传递过程中，涉及对当前不平衡力的简单计算，如果每一数据都需要用户输入，数据交互量较大。

每一次分配中，一个杆件都需要计算一次分配弯矩和一次传递弯矩：

分配弯矩＝-1×结点不平衡力矩×分配系数，

传递弯矩＝-1×结点不平衡力矩×分配系数×传递系数，

如对于一个三跨连续梁，若有两个待分配结点，在各分配三次时，需输入24个数据。由于此过程不过多涉及力学概念，学生在此步骤出错可能性非常低。为减少用户交互的繁琐程度，系统使用自动计算模式。用户只需要在分析操作区交互点击待分配结点，系统即根据前述步骤所输入的结点不平衡约束力、分配系数和传递系数，自动进行本步骤杆端力的计算，并显示在对应位置。

用户连续指定存在不平衡力的结点，以操作分配、传递。在传递时，根据结点不平衡力的数值大小，可选择两种操作模式。

模式一，通过第一交互操作方式，对结点不平衡力矩分配，并传递至所有远端；

模式二，如果本结点不平衡力矩足够小，分配后若再传递，会造成其它待分配结点再次产生不平衡力矩。因此，系统提供了模式二的选择，即用户认定本结点分配后传递的力矩足够小时，可在本结点使用第二交互操作方式，分配后，将不再传递至其它待分配结点。

S108，获取用户输入的固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值，基于固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值利用叠加原理交互绘制结果弯矩图；

完成力矩分配、传递后，用户在所有杆端叠加固端弯矩、各轮次分配弯矩和传递弯矩，即用户交互输入固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值，系统根据各参数利用叠加原理交互绘制结果弯矩图，同时将结果弯矩图加载至结果图形显示窗口中。

需要说明的是，当分配传递次序较多时，叠加计算也较繁琐，但考虑叠加过程有一定的力学概念在其中，本步骤操作模式可由教师在出题时控制，指定采用如下两种模式之一。

模式一：设置由系统辅助完成叠加，并显示于杆端位置；

模式二：用户需要自行叠加固端、分配和传递弯矩值。

模式一作业过程更精简，模式二训练效果更全面，教师可根据需要在出题时设定。

S109，记录用户在交互操作区的交互操作步骤，对交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果。

在上述各操作步骤中，系统实时记录用户在人机交互界面的交互操作区实施的交互操作步骤，并根据预设的评判规则对交互操作步骤进行批阅，在用户完成最后的结果内力图绘制或用户进行结果提交后，给出相应的批阅结果，从而完成整个人机交互作业过程并实现智能批阅。

综上所可知，本实施例提供了一种基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法，首先在人机交互界面加载并显示待解答题目的原杆系结构，其中，人机交互界面包括图形信息显示区和交互操作区，原杆系结构显示在图形信息显示区；然后获取用户在交互操作区输入的待分配结点数n，其中，n为正整数；接着将图形信息显示区分割成3个显示窗口，3个显示窗口包括用于显示待解答题目的题目显示窗口、用于显示作业过程图形的过程图形显示窗口以及用于显示最终结果图形的结果图形显示窗口；接着接收用户在交互操作区对原杆系结构做出的附加刚臂操作，并基于附加刚臂操作生成力矩分配基本结构；接着接收用户在交互操作区输入的固端弯矩值和需叠加简支弯矩值，基于固端弯矩值和需叠加简支弯矩值利用叠加原理交互绘制附加刚臂约束下的荷载弯矩图；接着获取用户在交互操作区输入的各待分配结点不平衡力矩的数值，基于输入的各待分配结点不平衡力矩的数值生成结点不平衡力矩图；接着获取用户在交互操作区输入的各待分配结点对应杆端的分配系数以及不同远端约束模式下对应的传递系数，基于分配系数和传递系数执行力矩分配过程；接着获取用户输入的固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值，基于固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值利用叠加原理交互绘制结果弯矩图；最后记录用户在交互操作区的交互操作步骤，对交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果。本发明将力矩分配法分析和计算作业全过程，完整移植至计算机软件平台，对任意参数的力矩分配法题目，结合力矩分配法计算常规步骤，根据用户交互输入的不平衡力矩、分配系数、传递系数，以及用户交互确定的结点分配次序，计算并显示分配、传递过程与结果。对每一操作步中涉及到的约束改变、模型交互、图形绘制、分配传递等内容，利用有限元分析实现概念性判断，利用图形界面和人机智能交互，辅助完成分析、计算和绘图操作等作业全过程，并能够实现智能批阅，有效提高学生的杆系结构力矩分配法作业的计算效率和练习效果。

在一个实施例中，所述方法还可以包括如下步骤：

当获取到用户提交的新作业过程图形时，实时将过程图形显示窗口中的当前图形更新为新作业过程图形。从而便于操作用户实时方便地查看到绘制完成的图形，便于对照该已完成图形进行后续的交互操作。

在一个实施例中，交互操作区设置有题目选择控件，所述方法还可以包括如下步骤：

接收用户在题目选择控件上的选题操作，其中，选题操作用于在题库中选择待解答题目。

在系统加载并显示待解答题目之前，用户通过在交互操作区设置的题目选择控件上进行选题操作，从而从系统题库中选择和确定待解答题目。

在一个实施例中，对交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果包括：

根据预设的判断规则对待分配结点数n、荷载弯矩图、结点不平衡力矩、杆端弯矩以及结果弯矩图的正确性与否进行判断，得到判断结果；

基于判断结果按照预设的批阅模式生成批阅结果；

将批阅结果以浮动窗口的方式显示在人机交互界面上。

在用户作业操作进行的过程中，实时对各个操作步骤进行记录和正确性与否的批阅，批阅过程具体为根据预设的判断规则对待分配结点数n、荷载弯矩图、结点不平衡力矩、杆端弯矩以及结果弯矩图的正确性与否进行判断，作业操作完成后，根据预设的批阅模式给出相应的批阅结果，并将批阅结果以浮动窗口的形式显示在人机交互界面上，批阅结果可以包括各操作步骤的正确性评判和题目总得分，使得用户可以实时了解题目解答过程是否正确以及题目最终的总得分情况。

根据本发明的第二个方面，本发明实施例提供了一种基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业系统，如图2所示，所述系统可以包括：

原结构图形加载模块201，用于在人机交互界面加载并显示待解答题目的原杆系结构，其中，人机交互界面包括图形信息显示区和交互操作区，原杆系结构显示在图形信息显示区；

当进行杆系结构力矩分配法计算的智能交互作业时，首先需要在人机交互界面显示待解答题目对应的原杆系结构，该原杆系结构具体通过用户在人机交互界面的交互操作(例如从题库中选择)加载得到，加载得到的待解答题目对应的原杆系结构显示在人机交互界面的图形信息显示区。待解答题目具体可以是系统的内嵌题目、教师端发布的题目或者学生用户通过自定义设定各项参数后系统生成的题目。

结点数目获取模块202，用于获取用户在交互操作区输入的待分配结点数n，其中，n为正整数；

加载显示题目后，需要获取用户在交互操作区输入的待分配结点数n，n的值为正整数，具体可以是用户在人机交互界面的交互操作区的相应输入窗口交互选择相应的数值并提交系统，用户输入的待分配结点数n为用户自己判断得到的题目中的原杆系结构对应的基本未知量数目。力矩分配法由位移法衍生，基本未知量性质与位移法相同(不能存在线位移)。如在选择统一的一般杆单元或引入一端固端一端铰单元时，未知量并非唯一固定，只根据结构特征，在可能范围内初判正误(可选最小值为结构中刚结点数目，最大值包括结构中所有可能发生的结点角位移)，系统根据用户输入的待分配结点数n控制后续的操作步骤。

图形窗口分割模块203，用于将图形信息显示区分割成3个显示窗口，3个显示窗口包括用于显示待解答题目的题目显示窗口、用于显示作业过程图形的过程图形显示窗口以及用于显示最终结果图形的结果图形显示窗口；

获取到用户输入的待分配结点数n后，系统将人机交互界面中的显示原杆系结构的图形信息显示区分割成3个图形显示窗口，即用于显示待解答题目的题目显示窗口、用于显示作业过程图形的过程图形显示窗口以及用于显示最终结果图形的结果图形显示窗口。具体地，在图形信息显示区分割完成后，可以将待解答题目显示在其中的题目显示窗口中，题目显示窗口中显示的待解答题目可以包括待解答题目对应的原杆系结构和待解答题目的题干信息。此时，过程图形显示窗口和结果图形显示窗口暂时为空。

具体地，图形信息显示区可以设置于人机交互界面的中部，且图形信息显示区的3个显示窗口按照题目显示窗口、过程图形显示窗口和结果图形显示窗口的顺序从上至下依次排列。

基本结构绘制模块204，用于接收用户在交互操作区对原杆系结构做出的附加刚臂操作，并基于附加刚臂操作生成力矩分配基本结构；

图形信息显示区分割完成后，用户可以在人机交互界面进行与原杆系结构对应的力矩分配基本结构的交互绘制，系统接收用户在人机交互界面的交互操作区对待解答题目对应的原杆系结构做出的附加刚臂操作，并根据该附加刚臂操作生成对应的用于力矩分配法分析的力矩分配基本结构，生成的力矩分配基本结构的图形在用户提交后可以实时加载过程图形显示窗口中。具体地，上述附加刚臂操作可以是用户在原杆系结构可能发生角位移的结点(或杆端)位置，添加附加刚臂。

需要说明的是，当用户建立的力矩分配基本结构可以通过所选择刚结点准确表达出原杆系结构的变形状态时，则系统认定此力矩分配基本结构的概念性正确。用户操作不论对错，皆可继续后续操作；系统存贮分析过程和所提交的力矩分配基本结构。

荷载弯矩图绘制模块205，用于接收用户在交互操作区输入的固端弯矩值和所需叠加简支弯矩值，基于固端弯矩值和所需叠加简支弯矩值利用叠加原理交互绘制附加刚臂约束下的荷载弯矩图；

力矩分配基本结构绘制完成后，系统在力矩分配基本结构上，添加原荷载，用户可利用载常数和荷载特征，交互绘制附加刚臂约束下的荷载弯矩图，用户在人机交互界面的交互操作区输入固端弯矩值和需叠加简支弯矩值等参数，系统接收用户输入的弯矩值和需叠加简支弯矩值，并根据固端弯矩值和需叠加简支弯矩值显示绘制过程，绘制完成并提交后，系统将过程图形显示窗口中显示的图形更新为绘制完成的荷载弯矩图。用户操作无论对错，可继续后续操作，系统存贮对应的荷载弯矩图，并提取各杆件固端弯矩。

结点不平衡力矩图绘制模块206，获取用户在交互操作区输入的各待分配结点不平衡力矩的数值，基于输入的各待分配结点不平衡力矩的数值生成结点不平衡力矩图；

荷载弯矩图绘制完成后，根据固端弯矩和结点外力偶矩，用户计算并交互输入各待分配结点不平衡力矩的数值，系统基于用户输入的各待分配结点不平衡力矩的数值生成结点不平衡力矩图，并将过程图形显示窗口中显示的图形更新为绘制完成的该节点不平衡力矩图。

力矩分配模块207，用于获取用户在交互操作区输入的各待分配结点对应杆端的分配系数以及不同远端约束模式下对应的传递系数，基于分配系数和传递系数执行力矩分配过程；

结点不平衡力矩图绘制完成后，用户计算各待分配结点对应杆端的分配系数，及不同远端约束模式下对应传递系数，并在交互操作区交互输入分配系数和传递系数，系统根据分配系数和传递系数执行力矩分配过程，分配过程完成后，将过程图形显示窗口中显示的图形更新力矩分配过程图。

需要说明的是，在力矩分配和传递过程中，涉及对当前不平衡力的简单计算，如果每一数据都需要用户输入，数据交互量较大。

每一次分配中，一个杆件都需要计算一次分配弯矩和一次传递弯矩：

分配弯矩＝-1×结点不平衡力矩×分配系数，

传递弯矩＝-1×结点不平衡力矩×分配系数×传递系数，

如对于一个三跨连续梁，若有两个待分配结点，在各分配三次时，需输入24个数据。由于此过程不过多涉及力学概念，学生在此步骤出错可能性非常低。为减少用户交互的繁琐程度，系统使用自动计算模式。用户只需要在分析操作区交互点击待分配结点，系统即根据前述步骤所输入的结点不平衡约束力、分配系数和传递系数，自动进行杆端力的计算，并显示在对应位置。

用户连续指定存在不平衡力的结点，以操作分配、传递。在传递时，根据结点不平衡力的数值大小，可选择两种操作模式。

模式一，通过第一交互操作方式，对结点不平衡力矩分配，并传递至所有远端；

模式二，如果本结点不平衡力矩足够小，分配后若再传递，会造成其它待分配结点再次产生不平衡力矩。因此，系统提供了模式二的选择，即用户认定本结点分配后传递的力矩足够小时，可在本结点使用第二交互操作方式，分配后，将不再传递至其它待分配结点。

结果弯矩图绘制模块208，用于获取用户输入的固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值，基于固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值利用叠加原理交互绘制结果弯矩图；

完成力矩分配、传递后，用户在所有杆端叠加固端弯矩、各轮次分配弯矩和传递弯矩，即用户交互输入固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值，系统根据用户输入的各参数利用叠加原理交互绘制结果弯矩图，同时将结果弯矩图加载至结果图形显示窗口中。

需要说明的是，当分配传递次序较多时，叠加计算也较繁琐，但考虑叠加过程有一定的力学概念在其中，本步骤操作模式可由教师在出题时控制，指定采用如下两种模式之一。

模式一：设置由系统辅助完成叠加，并显示于杆端位置；

模式二：用户需要自行叠加固端、分配和传递弯矩值。

模式一作业过程更精简，模式二训练效果更全面，教师可根据需要在出题时设定。

作业智能批阅模块209，用于记录用户在交互操作区的交互操作步骤，对交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果。

在上述各操作步骤中，系统实时记录用户在人机交互界面的交互操作区实施的交互操作步骤，并根据预设的评判规则对交互操作步骤进行批阅，在用户完成最后的结果内力图绘制或用户进行结果提交后，给出相应的批阅结果，从而完成整个人机交互作业过程并实现智能批阅。

综上所可知，本实施例提供了一种基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业系统，通过原结构图形加载模块在人机交互界面加载并显示待解答题目的原杆系结构，其中，人机交互界面包括图形信息显示区和交互操作区，原杆系结构显示在图形信息显示区；结点数目获取模块获取用户在交互操作区输入的待分配结点数n，其中，n为正整数；图形窗口分割模块将图形信息显示区分割成3个显示窗口，3个显示窗口包括用于显示待解答题目的题目显示窗口、用于显示作业过程图形的过程图形显示窗口以及用于显示最终结果图形的结果图形显示窗口；基本结构绘制模块接收用户在交互操作区对原杆系结构做出的附加刚臂操作，并基于附加刚臂操作生成力矩分配基本结构；荷载弯矩图绘制模块接收用户在交互操作区输入的固端弯矩值和需叠加简支弯矩值，基于固端弯矩值和需叠加简支弯矩值利用叠加原理交互绘制附加刚臂约束下的荷载弯矩图；结点不平衡力矩图绘制模块获取用户在交互操作区输入的各待分配结点不平衡力矩的数值，基于输入的各待分配结点不平衡力矩的数值生成结点不平衡力矩图；力矩分配模块获取用户在交互操作区输入的各待分配结点对应杆端的分配系数以及不同远端约束模式下对应的传递系数，基于分配系数和传递系数执行力矩分配过程；结果弯矩图绘制模块获取用户输入的固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值，基于固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值利用叠加原理交互绘制结果弯矩图；作业智能批阅模块记录用户在交互操作区的交互操作步骤，对交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果。本发明将力矩分配法分析和计算作业全过程，完整移植至计算机软件平台，对任意参数的力矩分配法题目，结合力矩分配法计算常规步骤，根据用户交互输入的不平衡力矩、分配系数、传递系数，以及用户交互确定的结点分配次序，计算并显示分配、传递过程与结果。对每一操作步中涉及到的约束改变、模型交互、图形绘制、分配传递等内容，利用有限元分析实现概念性判断，利用图形界面和人机智能交互，辅助完成分析、计算和绘图操作等作业全过程，并能够实现智能批阅，有效提高学生的杆系结构力矩分配法作业的计算效率和练习效果。

在一个实施例中，所述系统还可以包括：

过程图形更新模块，用于当获取到用户提交的新作业过程图形时，实时将过程图形显示窗口中的当前图形更新为新作业过程图形。从而便于操作用户实时方便地查看到绘制完成的图形，便于对照该已完成图形进行后续的交互操作。

在一个实施例中，交互操作区设置有题目选择控件，所述系统还可以包括：

选题操作接收模块，用于接收用户在题目选择控件上的选题操作，其中，选题操作用于在题库中选择待解答题目。在系统加载并显示待解答题目之前，用户通过在交互操作区设置的题目选择控件上进行选题操作，从而从系统题库中选择和确定待解答题目。

在一个实施例中，对交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果包括：

根据预设的判断规则对待分配结点数n、荷载弯矩图、结点不平衡力矩、杆端弯矩以及结果弯矩图的正确性与否进行判断，得到判断结果；

基于判断结果按照预设的批阅模式生成批阅结果；

将批阅结果以浮动窗口的方式显示在人机交互界面上。

在用户作业操作进行的过程中，实时对各个操作步骤进行记录和正确性与否的批阅，批阅过程具体为根据预设的判断规则对待分配结点数n、荷载弯矩图、结点不平衡力矩、杆端弯矩以及结果弯矩图的正确性与否进行判断，作业操作完成后，根据预设的批阅模式给出相应的批阅结果，并将批阅结果以浮动窗口的形式显示在人机交互界面上，批阅结果可以包括各操作步骤的正确性评判和题目总得分，使得用户可以实时了解题目解答过程是否正确以及题目最终的总得分情况。

下面以具体实例进一步说明本发明的功能。

图3为一具体实例中杆系结构力矩分配法计算的智能交互作业系统的人机交互界面，界面主要包括中间的图形信息显示区和图形信息显示区外围的交互操作区，其中，交互操作区包括图形信息显示区右侧的第一交互操作方式区、图形信息显示区左侧的第二交互操作区以及图形信息显示区顶部的第三交互操作区，进行杆系结构力矩分配法计算的智能交互作业时，具体操作按以下步骤进行：

1、用户点击界面的第三交互操作区中“交互作业”控件按键，在下拉菜单中找到“力矩分配法计算交互作业”选项并点击选择该项，系统自动弹出题库，然后用户在题库中选择题目，选择题目后，题目会被加载并显示在人机交互界面中的图形信息显示区，进而系统会自动对选择的题目进行预分析，分析该题目的原杆系结构对应的可能的待分配结点数范围，然后保存该数值范围，在后续用户输入待分配结点数n后，基于该数值范围对n的对错进行比对和判断。用户点击第二交互操作区的“力矩分配法计算”按键，第二交互操作区所在窗口左下角提示用户输入自己判断的力矩分配法计算时的待分配结点数n，如图3所示，可通过选择的方式进行输入，输入后点击“确定”按键。然后界面中的图形信息显示区会被分割成3个图形显示窗口，如图4所示，此时，题目的题干(即图中第一个图形显示窗口中位于图形上方的文字部分“以力矩分配法计算，并绘弯矩图”)和原杆系结构(即图中的计算模型)都显示在第一个图形显示窗口中，其余两个图形显示窗口分别为过程图形显示窗口和结果图形显示窗口。对本例，正确的待分配节点数n＝2或3，用户选择输入2后，点击确定，系统自动生成并增加菜单项(即第二交互操作区中“力矩分配法计算”按键的下拉菜单，包括“力矩分配基本结构”(力矩分配基本结构绘制控件)、“结点不平衡力矩”(结点不平衡力矩交互输入控件)、“分配、传递系数”(分配系数和传递系数输入控件)、“开始力矩分配”(力矩分配交互控件)以及“M＿M＿M”(结果弯矩图绘制控件))。

2、接着用户通过在第一交互操作方式区和第二交互操作区交互绘制与题目中的原杆系结构对应的各图形。用户点击“力矩分配基本结构”控件按键，在需要添加“附加刚臂”的结点添加“附加刚臂”，操作完毕后，提交基本结构。

系统继续提示用户绘制附加刚臂约束下的荷载弯矩图，用户使用交互方式完成荷载弯矩图的绘制，双击第一交互操作方式区，完成提交。

用户继续点击“结点不平衡力矩”控件按键，根据自绘于过程图形显示窗口的荷载弯矩图，计算各结点不平衡力矩，点击相应结点完成数据输入。此时过程图形显示区窗口如图5所示。

3、用户点击“分配、传递系数”控件按键，在第一交互操作方式区移动鼠标，当鼠标移动至刚臂结点上时，系统显示本结点下各杆端分配系数和各杆件的远端传递系数。单击结点，再单击杆件，即可修改分配系数和传递系数；输入完毕后，鼠标右键单击，可继续选中下一需要修改的结点。全部修改完毕后，双击第一交互操作方式区，可提交分配系数和传递系数。此时过程图形显示窗口如图6所示。

4、用户点击“开始力矩分配”控件按键，鼠标在操作区移动时，可提示当前的不平衡力矩和固端弯矩值。在某一待分配结点上单击(即第一交互操作方式)，即可完成本结点的力矩分配。选中下一结点，继续分配。

本例分配操作次序为：B→C→B→C→B→C，至最后一个结点C时，单击时使用鼠标右键(即第二交互操作方式)，不再往B结点传递。至此分配、传递过程完成。

在第一交互操作区双击鼠标左键，提交分配过程图，系统将此过程图保存至过程图形显示窗口，如图7所示。用户可根据此过程图进行杆端弯矩的汇总，本图中汇总模式为“系统辅助叠加”，在图中直接显示最后的杆端弯矩值。

5、用户汇总完毕杆端弯矩后，点击“M_M_M”控件按键，交互绘制最终弯矩图。

交互绘制完成后，提交最终弯矩图，最终弯矩图保存至结果图形显示窗口，此时结果图形显示窗口和批阅结果如图8所示。

第二种解题方法：若用户输入待分配结点数值“3”时，未知量数目、部分操作过程与第一种作业方式不同，按力矩分配步骤操作，分配传递过程如图9所示。所操作的分配次序为：B→C→D→B→C→D→B→C→D→C→D→B→D(右键单击)。本图汇总模式设定为“用户自行叠加”，在图中不会显示最后的杆端弯矩值。

通过上述实例可知，本发明的技术方案中，交互作业过程按照力矩分配法分析基本步骤进行，只需要过程自洽，即可作业并提交；操作自由度高，完全还原纸上作业过程；在分析、绘图和其它计算过程中，皆不作诱导性提示。可准确客观地对学生学习水平作出评测，或实施考核、考试；对原纸上传统作业模式中，较繁琐而又与力学概念关联度小的传递、分配过程，则利用系统辅助计算，有效提高初学者的训练效率。

为更清晰的表达力矩分配法计算人机智能交互的基本过程，以上操作步骤对应的流程如图10所示。从图中可知，操作过程步判断都需要根据用户在力矩分配法计算时，所采用具体操作进行(不同的分析思路，有不同的操作)。

本发明的智能辅助交互作业方式不会减少计算分析量，可保证训练效果，以及达成考核目标。而所使用图文交互方式，便于使用者快速输入图形和数据，可减少底图绘制、数据简单计算等重复工作量，有效缩短作业时间，提升训练效率；对操作步判定基于对应力学概念进行，从根本上解决了用户单元选择不同和分析次序任意等一题多解问题，只要是适用于力矩分配法分析的任意杆系结构，无论何种荷载、约束或结构特征，在系统平台上，皆能自适应求解过程并作出准确评阅，也能准确地判断和定位错误。对于非考核、考试时，还可根据批阅指出的错误，针对性的重新修正，无需重作全题。本发明既可用于学习阶段的作业练习，也可用于考核或考试中。对线上线下各类教学模式，皆可提供有益的辅助。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

在人机交互界面加载并显示待解答题目的原杆系结构，其中，所述人机交互界面包括图形信息显示区和交互操作区，所述原杆系结构显示在所述图形信息显示区；

获取用户在所述交互操作区输入的待分配结点数n，其中，n为正整数；

将所述图形信息显示区分割成3个显示窗口，所述3个显示窗口包括用于显示待解答题目的题目显示窗口、用于显示作业过程图形的过程图形显示窗口以及用于显示最终结果图形的结果图形显示窗口；

接收用户在所述交互操作区对所述原杆系结构做出的附加刚臂操作，并基于所述附加刚臂操作生成力矩分配基本结构；

接收用户在所述交互操作区输入的固端弯矩值和需叠加简支弯矩值，基于所述固端弯矩值和需叠加简支弯矩值利用叠加原理交互绘制附加刚臂约束下的荷载弯矩图；

获取用户在所述交互操作区输入的各待分配结点不平衡力矩的数值，基于所述输入的各待分配结点不平衡力矩的数值生成结点不平衡力矩图；

获取用户在所述交互操作区输入的各待分配结点对应杆端的分配系数以及不同远端约束模式下对应的传递系数，基于所述分配系数和传递系数执行力矩分配过程；

获取用户输入的固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值，基于所述固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值利用叠加原理交互绘制结果弯矩图；

记录用户在所述交互操作区的交互操作步骤，对所述交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果。

2.根据权利要求1所述的基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法，其特征在于，所述方法还包括：

当获取到用户提交的新作业过程图形时，实时将所述过程图形显示窗口中的当前图形更新为所述新作业过程图形。

3.根据权利要求2所述的基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法，其特征在于，所述交互操作区设置有题目选择控件，所述方法还包括：

接收用户在所述题目选择控件上的选题操作，其中，所述选题操作用于在题库中选择所述待解答题目。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法，其特征在于，所述对所述交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果包括：

根据预设的判断规则对待分配结点数n、荷载弯矩图、结点不平衡力矩、杆端弯矩以及结果弯矩图的正确性与否进行判断，得到判断结果；

基于所述判断结果按照预设的批阅模式生成批阅结果；

将所述批阅结果以浮动窗口的方式显示在所述人机交互界面上。

5.根据根据权利要求4所述的基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业方法，其特征在于，所述图形信息显示区位于所述人机交互界面的中部，且所述图形信息显示区的3个显示窗口按照题目显示窗口、过程图形显示窗口和结果图形显示窗口的顺序从上至下依次排列。

6.一种基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业系统，其特征在于，所述系统包括：

原结构图形加载模块，用于在人机交互界面加载并显示待解答题目的原杆系结构，其中，所述人机交互界面包括图形信息显示区和交互操作区，所述原杆系结构显示在所述图形信息显示区；

结点数目获取模块，用于获取用户在所述交互操作区输入的待分配结点数n，其中，n为正整数；

图形窗口分割模块，用于将所述图形信息显示区分割成3个显示窗口，所述3个显示窗口包括用于显示待解答题目的题目显示窗口、用于显示作业过程图形的过程图形显示窗口以及用于显示最终结果图形的结果图形显示窗口；

基本结构绘制模块，用于接收用户在所述交互操作区对所述原杆系结构做出的附加刚臂操作，并基于所述附加刚臂操作生成力矩分配基本结构；

荷载弯矩图绘制模块，用于接收用户在所述交互操作区输入的固端弯矩值和需叠加简支弯矩值，基于所述固端弯矩值和需叠加简支弯矩值利用叠加原理交互绘制附加刚臂约束下的荷载弯矩图；

结点不平衡力矩图绘制模块，获取用户在所述交互操作区输入的各待分配结点不平衡力矩的数值，基于所述输入的各待分配结点不平衡力矩的数值生成结点不平衡力矩图；

力矩分配模块，用于获取用户在所述交互操作区输入的各待分配结点对应杆端的分配系数以及不同远端约束模式下对应的传递系数，基于所述分配系数和传递系数执行力矩分配过程；

结果弯矩图绘制模块，用于获取用户输入的固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值，基于所述固端弯矩值、分配弯矩值和传递弯矩值利用叠加原理交互绘制结果弯矩图；

作业智能批阅模块，用于记录用户在所述交互操作区的交互操作步骤，对所述交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果。

7.根据权利要求6所述的基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业系统，其特征在于，所述系统还包括：

过程图形更新模块，用于当获取到用户提交的新作业过程图形时，实时将所述过程图形显示窗口中的当前图形更新为所述新作业过程图形。

8.根据权利要求7所述的基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业系统，其特征在于，所述交互操作区设置有题目选择控件，所述系统还包括：

选题操作接收模块，用于接收用户在所述题目选择控件上的选题操作，其中，所述选题操作用于在题库中选择所述待解答题目。

9.根据权利要求6-8任意一项所述的基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业系统，其特征在于，所述对所述交互操作步骤进行批阅，得到批阅结果包括：

根据预设的判断规则对待分配结点数n、荷载弯矩图、结点不平衡力矩、杆端弯矩以及结果弯矩图的正确性与否进行判断，得到判断结果；

基于所述判断结果按照预设的批阅模式生成批阅结果；

将所述批阅结果以浮动窗口的方式显示在所述人机交互界面上。

10.根据根据权利要求9所述的基于人机交互的杆系结构力矩分配法智能作业系统，其特征在于，所述图形信息显示区位于所述人机交互界面的中部，且所述图形信息显示区的3个显示窗口按照题目显示窗口、过程图形显示窗口和结果图形显示窗口的顺序从上至下依次排列。

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