基于OpenGL的四边形角钢塔架三维可视化辅助设计系统的研究

摘要

四边形角钢塔架结构属于钢结构通信塔结构中最常见、应用最广泛的一种结构形式。近些年，计算机辅助设计技术的迅速发展，使研究通信塔结构辅助设计已成为一种必然趋势。但已有的通信塔辅助设计软件，仍需要设计者手工建模、添加荷载、逐个输入构件参数，再实现计算验证。由于钢结构塔架自身的复杂性，操作过程复杂且低效率，并没有达到设计过程快速高效及设计成果直观可视的效果，再加上角钢塔的构件数量动辄数百甚至上千，其结构的复杂性，更加大了设计者的工作量和出错的可能性，后处理过程对计算数据的分析也比较困难。目前，市场上尚缺乏专门相应的辅助设计软件。
　　本文利用Visual C++6.0编程语言，基于MFC单文档程序应用框架，以OpenGL库为图形支撑平台，参考各现行设计规范及设计手册，采用拟静力风荷载的分析方法，利用后台创建ANSYS进程的方式进行塔架结构分析计算，开发了四边形角钢塔架三维可视化辅助设计系统。系统设有三个模块:结构方案设计模块、结构荷载计算模块、结构效果展示模块，采用参数化设计手段，应用OpenGL图像处理技术，完成了四边形角钢塔的前期方案设计、杆件选型、荷载计算、ANSYS有限元模型的自动生成及整体分析与后期方案校核，在OpenGL3D绘图空间中生成二维简图及三维效果图，实现了设计成果三维可视化。
　　经实践证明，该系统界面友好、操作便捷，对该系统的研究在实际工程设计中具有参考意义。该系统的主要优点及特点如下:
　　(1)在OpenGL3D绘图空间及ANSYS结构分析中，通过对角钢塔节点及杆件采用连续性编号的方式进行统计及计算，实现了程序对常见腹杆类型任意高度及层段数的四边形角钢塔的自动建模。在程序结构荷载计算模块中的节点及构件计算、自重计算、风荷载计算、地震荷载计算，以及结构效果显示模块中图形的生成，均大大缩短了代码的长度，并且保证了数据的安全可靠，在计算数据的提取中也非常便利。
　　(2)在程序中，实现了MFC开发工具、OpenGL绘图及ANSYS有限元计算的有效集成，使其各尽所长，将四边形角钢塔架的方案设计、计算校验、可视化仿真模拟，融为一体，即发挥了MFC编程的便捷性，OpenGL绘图展示的效果逼真，也充分发挥了ANSYS进行结构有限元分析的高效计算功能。
　　(3)在塔架高度较低、基本风压值不高的情况下，由系统生成的角钢塔智能设计方案，经验证，在满足刚度约束条件的情况下也满足强度约束条件，设计方案满足要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 四边形角钢通信塔辅助设计的研究发展和现状

1．2．1 通信塔概述

1．2．2 国内外通信塔研究及设计的发展及其现状

1．3 工程可视化仿真技术研究现状

1．3．1 工程可视化仿真技术的含义

1．3．2 工程可视化仿真技术的应用现状及发展

1．4 本文的研究内容及技术路线

1．5 论文结构

2 系统开发简介

2．1 系统开发工具简介

2．1．1 基于WINDOWS的开发平台

2．1．2 Visual C++及MFC简介

2．1．3 OpenGL简介

2．1．4 Visual C++及OpenGL相结合的便利性

2．1．5 APDL简介及VC++下ANSYS相关API函数

2．2 基于MFC的OpenGL绘图环境的实现

2．2．1 创建MFC应用程序框架

2．2．2 设置OpenGL图形绘制环境

2．3 OpenGL 3D真实效果的实现

2．3．1 空间变换

2．3．2 颜色模式

2．3．3 光照和材质变化

2．3．4 OpenGL渲染过程

3 四边形角钢塔架结构设计与计算

3．1 四边形角钢塔的结构构造

3．1．1 角钢塔的优缺点

3．1．2 角钢塔立面选型

3．1．3 角钢塔塔柱构造

3．1．4 角钢塔腹杆构造

3．1．5 角钢塔的横膈构造

3．2 四边形角钢塔架静力计算方法

3．2．1 四边形角钢塔架的静力计算

3．2．2 角钢塔架杆件计算

3．3 塔架荷载与作用分类

3．4 塔架上的拟静力风荷载计算

3．4．1 基本风压值

3．4．2 风压高度变化系数

3．4．3 风荷载体型系数

3．4．4 风振系数

3．5 地震作用

3．5．1 水平地震作用

3．5．2 竖向地震作用

3．6 荷载与作用的组合

4 角钢塔结构的建模方法

4．1 角钢塔的建模思路

4．2 系统对角钢塔节点及杆件连续编号的统计及计算

4．3 OpenGL 3D绘图空间及ANSYS中角钢塔的自动建模

5 基于OpenGL的四边形角钢塔三维可视化辅助设计系统的实现

5．1 系统的总体结构

5．2 结构方案设计模块

5．2．1 设计参数输入

5．2．2 方案的生成

5．2．3 方案修改功能的实现

5．2．4 结构数据保存与传递

5．3 结构荷载计算模块

5．3．1 自重荷载作用计算

5．3．2 风荷载作用计算

5．3．3 地震荷载作用计算

5．3．4 APDL命令流生成

5．3．5 ANSYS后台分析的实现

5．3．6 方案校核

5．3．6 计算书生成

5．4 塔架效果显示模块

5．4．1 OpenGL 3D绘图空间平移、缩放、旋转功能实现

5．4．2 二维简图生成

5．4．3 三维效果图生成

5．5 系统应用

5．5．1 设计条件

5．5．2 程序设计及计算

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢