一种杆系结构位移法计算的智能交互作业方法及系统

摘要

本发明公开了一种杆系结构位移法计算的智能交互作业方法及系统，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，本发明将位移法分析和计算作业全过程，完整移植至计算机软件平台，支持任意参数的位移法题目，结合位移法计算常规步骤，利用有限元分析方法进行过程性分析，对位移法计算中涉及到的几何分析、模型交互、图形绘制等内容，实现概念性判断和交互操作，并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，有效提高学生在杆系结构位移法作业中的计算效率和练习效果。

说明书

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》等力学教学领域的一种杆系结构位移法计算的智能交互作业方法及系统。

背景技术

位移法是杆系结构中，结构内力、变形的计算分析方法。位移法以结点位移为基本未知量，利用线弹性叠加原理，根据位移法基本结构(或基本单元)在结点(或杆端)位移处平衡条件，建立方程计算。位移法是工程分析中最普遍使用的计算方法，绝大多数工程实用的数值计算和概念分析，都基于位移法进行。通过位移法的学习，除获取结构响应外，还可以在计算过程中感受和把握结构的基本刚度特征，对认识结构的基本力学性能和掌握相应的力学概念，有着较强的教学和工程实用意义。

位移法是综合性计算方法，作业过程综合了反力、内力和变形(位移)计算，内力图形绘制，位移法基本结构、基本体系选择等过程。根据位移法的基本概念，若不限定单元形式时，未知量数目也可能发生改变；同时，因为无穷刚性截面特征的存在(手算位移法题目中经常会出现的工程设定，包括抗弯刚度无穷大，或轴向刚度无穷大)，未知量性质和位置也有变化的可能。因此，位移法计算未知量的数目和性质，在计算过程中仍可能因人而异，计算过程并不一定唯一。

传统纸上作业方式，图、文、公式、符号交错，步骤多，手工批阅强度大，很难实现自动批阅；同时手工批阅模式，周期长，无法及时反馈。

随着计算机、互联网等技术的发展，传统教学、在线教学、混合教学等教学模式，对教学交互技术提出了更高的要求，但目前国内外其它教学辅助、结构分析软件，均没有完备的位移法人机交互作业功能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种杆系结构位移法计算的智能交互作业方法及系统，将位移法分析和计算作业全过程，完整移植至计算机软件平台，对任意参数的位移法题目，利用人机交互图形界面和人机智能交互操作，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，有效提高学生在杆系结构位移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，本发明公开了一种杆系结构位移法计算的智能交互作业方法，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过程图形显示区和交互操作区，所述原杆系结构显示在所述过程图形显示区；

获取用户在所述交互操作区输入的位移法自由度数值n，其中，n为正整数；

基于所述位移法自由度数值n将所述过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口，并将所述原杆系结构和所述待解答题目的题干信息显示在其中一个所述图形显示窗口中；

接收用户在所述交互操作区对所述原杆系结构做出的添加附加约束操作，并基于所述添加附加约束操作生成位移法基本结构；

接收用户在所述交互操作区针对所述位移法基本结构做出的n次施加结点单位位移操作，并基于所述n次施加结点单位位移操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图，将所述n个单位弯矩图分别显示在所述n+4个图形显示窗口中的不同的图形显示窗口中；

将所述原杆系结构承受的荷载作用在所述位移法基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户在所述交互操作区输入的第一绘图参数，基于所述原荷载作用状态图和所述第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；

获取用户在所述交互操作区输入的第二绘图参数，基于所述原杆系结构和所述第二绘图参数利用叠加原理绘制所述原杆系结构的结果弯矩图；

记录用户在所述交互操作区实施的操作过程，对所述操作过程进行批阅，给出批阅结果。

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，所述对所述操作过程进行批阅，给出批阅结果包括：

根据预设的判断规则对所述位移法自由度数值n、位移法基本结构、n个单位弯矩图、荷载弯矩图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，所述过程图形显示区的n+4个图形显示窗口按照待解答题目、位移法基本结构、第1-n个单位弯矩图、荷载弯矩图和结果弯矩图的顺序分别显示对应的图形内容。

优选地，所述添加附加约束操作包括：

以添加水平支杆、添加竖向支杆和添加转动约束之一或任意组合的方式在所述原杆系结构的结点位移处添加附加约束。

根据本发明的第二个方面，本发明公开了一种杆系结构位移法计算的智能交互作业系统，所述系统包括：

题目加载模块，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过程图形显示区和交互操作区，所述原杆系结构显示在所述过程图形显示区；

数据获取模块，用于获取用户在所述交互操作区输入的位移法自由度数值n，其中，n为正整数；

窗口分割模块，用于基于所述位移法自由度数值n将所述过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口，并将所述原杆系结构和所述待解答题目的题干信息显示在其中一个所述图形显示窗口中；

基本结构图绘制模块，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添加附加约束操作，并基于所述添加附加约束操作生成位移法基本结构；

单位弯矩图绘制模块，用于接收用户在所述交互操作区针对所述位移法基本结构做出的n次施加结点单位位移操作，并基于所述n次施加结点单位位移操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图，将所述n个单位弯矩图分别显示在所述n+4个图形显示窗口中的不同的图形显示窗口中；

荷载弯矩图绘制模块，用于将所述原杆系结构承受的荷载作用在所述位移法基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户在所述交互操作区输入的第一绘图参数，基于所述原荷载作用状态图和所述第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；

结果弯矩图绘制模块，用于获取用户在所述交互操作区输入的第二绘图参数，基于所述原杆系结构和所述第二绘图参数利用叠加原理绘制所述原杆系结构的结果弯矩图；

作业批阅模块，用于记录用户在所述交互操作区实施的操作过程，对所述操作过程进行批阅，给出批阅结果。

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：

题目选择模块，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，所述对所述操作过程进行批阅，给出批阅结果包括：

根据预设的判断规则对所述位移法自由度数值n、位移法基本结构、n个单位弯矩图、荷载弯矩图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，所述过程图形显示区的n+4个图形显示窗口按照待解答题目、位移法基本结构、第1-n个单位弯矩图、荷载弯矩图和结果弯矩图的顺序分别显示对应的图形内容。

优选地，所述添加附加约束操作包括：

以添加水平支杆、添加竖向支杆和添加转动约束之一或任意组合的方式在所述原杆系结构的结点位移处添加附加约束。

由以上方案可知，本发明提供了一种杆系结构位移法计算的智能交互作业方法及系统，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过程图形显示区和交互操作区，所述原杆系结构显示在所述过程图形显示区；获取用户在所述交互操作区输入的位移法自由度数值n，其中，n为正整数；基于所述位移法自由度数值n将所述过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口，并将所述原杆系结构和所述待解答题目的题干信息显示在其中一个所述图形显示窗口中；接收用户在所述交互操作区对所述原杆系结构做出的添加附加约束操作，并基于所述添加附加约束操作生成位移法基本结构；接收用户在所述交互操作区针对所述位移法基本结构做出的n次施加结点单位位移操作，并基于所述n次施加结点单位位移操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图，将所述n个单位弯矩图分别显示在所述n+4个图形显示窗口中的不同的图形显示窗口中；将所述原杆系结构承受的荷载作用在所述位移法基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户在所述交互操作区输入的第一绘图参数，基于所述原荷载作用状态图和所述第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；获取用户在所述交互操作区输入的第二绘图参数，基于所述原杆系结构和所述第二绘图参数利用叠加原理绘制所述原杆系结构的结果弯矩图；记录用户在所述交互操作区实施的操作过程，对所述操作过程进行批阅，给出批阅结果。本发明将位移法分析和计算作业全过程，完整移植至计算机软件平台，对任意参数的位移法题目，结合位移法计算常规步骤，利用有限元分析方法进行过程性分析，对位移法计算中涉及到的几何分析、模型交互、图形绘制等内容，实现概念性判断和提供交互操作，利用人机交互图形界面和人机智能交互操作，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，有效提高学生在杆系结构位移法作业中的计算效率和练习效果。

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杆系结构位移法计算的智能交互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杆系结构位移法计算的智能交互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位移法基本结构绘制过程中的人机交互界面示意图；

图5是本发明具体实例中人机交互作业完成结果提交后的过程图形显示区的界面示意图；

图6是本发明具体实例中批阅结果示意图；

图7是本发明具体实例中利用第二种解题方法进行解题完成后对应的过程图形显示区的界面示意图；

图8是本发明具体实例中用户计算过程出错的情况下结果提交后的过程图形显示区的界面示意图；

图9是本发明具体实施例中杆系结构位移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杆系结构位移法计算的智能交互作业方法，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，人机交互界面包括过程图形显示区和交互操作区，原杆系结构显示在过程图形显示区；

当进行杆系结构位移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过程图形显示区。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位移法自由度数值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位移法自由度数值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，用户输入的位移法自由度数值n为用户自己判断得到的题目中的原杆系结构对应的位移法自由度，即原杆系结构的基本未知量数目，由于后续的分析计算过程中用户单元使用的不同，同一原杆系结构的位移法计算的基本未知量并非固定，系统根据用户输入的位移法自由度数值n控制后续的操作步骤。

S103，基于位移法自由度数值n将过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口，并将原杆系结构和待解答题目的题干信息显示在其中一个图形显示窗口中；

获取到用户输入的位移法自由度数值n后，系统将人机交互界面中的显示原杆系结构的过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口，同时，在过程图形显示区分割完成后，将原杆系结构和待解答题目的题干信息共同显示在其中一个图形显示窗口中，优选显示在第一个图形显示窗口中，其他的图形显示窗口为预留窗口，用于后续操作过程中显示对应的图形内容。

S104，接收用户在交互操作区对原杆系结构做出的添加附加约束操作，并基于添加附加约束操作生成位移法基本结构；

过程图形显示区分割完成后，用户可以在人机交互界面进行与原杆系结构对应的位移法分析的位移法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添加附加约束操作，并根据该添加附加约束操作生成对应的用于位移法分析的位移法基本结构，生成的位移法基本结构的图形在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中的其中一个预留的图形显示窗口中。具体地，上述添加附加约束操作可以是用户对人机交互界面的交互操作区内显示的对应的控件按键进行选择操作，以添加水平支杆、添加竖向支杆和添加转动约束之一或任意组合的方式在所述原杆系结构的结点位移处添加n个附加约束，从而控制原杆系结构中用户认定的可能的结点或杆端位移。

需要说明的是，为实现作业过程的任意普适性，系统对用户可能使用的用户单元的单元性质不作任何限定，既可统一使用一般杆单元(即平面杆元在不计轴向变形时存在三个杆端位移)，也可使用特殊衍生单元(一端固端一端铰单元和一端固端一端定向单元，此时单元只存在两个独立杆端位移)。系统对操作过程的正误判断从力学概念角度出发，只要用户建立的位移法基本结构可以准确表达出原杆系结构的变形状态，即认定此位移法基本结构绘制正确。

S105，接收用户在交互操作区针对位移法基本结构做出的n次施加结点单位位移操作，并基于n次施加结点单位位移操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图，将n个单位弯矩图分别显示在n+4个图形显示窗口中的不同的图形显示窗口中；

位移法基本结构的图形绘制完成后，用户可以在人机交互界面进行各单位力状态的单位弯矩图的交互绘制，用户通过对人机交互界面的交互操作区内显示的对应的控件按键进行选择操作，分别在位移法基本结构上作用单位力，即在用户所施加附加约束上，作用对应于附加约束的结点(或杆端)单位位移，形成单位受力状态，并根据此状态，交互绘制单位弯矩图，重复上述步骤n次，绘制n个不同单位力状态的单位弯矩图，系统接收用户在人机交互界面的交互操作区内针对位移法基本结构做出的n次施加结点单位位移操作，并基于n次施加结点单位位移操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图，每次交互操作生成的单位弯矩图在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中预留的图形显示窗口中，n个单位弯矩图共占用n个图形显示窗口。

S106，将原杆系结构承受的荷载作用在位移法基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户在交互操作区输入的第一绘图参数，基于原荷载作用状态图和第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；

单位弯矩图的图形绘制完成后，用户可以在人机交互界面进行荷载弯矩图的交互绘制，用户通过人机交互界面上的交互操作区内显示的对应的控件按键进行选择或其他输入操作，系统先将原杆系结构承受的荷载作用在位移法基本结构上生成原荷载作用状态图，然后用户在原荷载作用状态图上进行操作，交互输入第一绘图参数，该第一绘图参数可以是内力值或杆端拆分相关参数，系统利用叠加原理根据获取到的第一绘图参数和原荷载作用状态图生成荷载弯矩图，生成的荷载弯矩图的图形在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中剩下的预留的图形显示窗口中。

S107，获取用户在交互操作区输入的第二绘图参数，基于原杆系结构和第二绘图参数利用叠加原理绘制原杆系结构的结果弯矩图；

荷载弯矩图绘制完毕后，用户可以在人机交互界面进行原杆系结构的结果弯矩图的交互绘制，用户通过人机交互界面上的交互操作区内显示的对应的控件按键进行操作，输入第二绘图参数，系统则利用叠加原理根据获取到的第二绘图参数和原杆系结构绘制生成原杆系结构的结果弯矩图，生成的结果弯矩图的图形在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中剩下的预留的图形显示窗口中(即最后一个预留的图形显示窗口)。具体地，第二绘图参数为用户根据单位弯矩图和荷载弯矩图通过联立位移法方程计算得到的原杆系结构的位移法方程的系数、自由项和未知量等参数，结果弯矩图即待解答题目对应的原杆系结构的最终内力解答。

S108，记录用户在交互操作区实施的操作过程，对操作过程进行批阅，给出批阅结果。

在上述操作步骤中，系统实时记录用户在人机交互界面的交互操作区实施的操作过程，并根据预设的评判规则对操作过程进行批阅，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。

综上所述可知，本实施例提供了一种杆系结构位移法计算的智能交互作业方法，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，人机交互界面包括过程图形显示区和交互操作区，原杆系结构显示在过程图形显示区；获取用户在交互操作区输入的位移法自由度数值n，其中，n为正整数；基于位移法自由度数值n将过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口，并将原杆系结构和待解答题目的题干信息显示在其中一个图形显示窗口中；接收用户在交互操作区对原杆系结构做出的添加附加约束操作，并基于添加附加约束操作生成位移法基本结构；接收用户在交互操作区针对位移法基本结构做出的n次施加结点单位位移操作，并基于n次施加结点单位位移操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图，将n个单位弯矩图分别显示在n+4个图形显示窗口中的不同的图形显示窗口中；将原杆系结构承受的荷载作用在位移法基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户在交互操作区输入的第一绘图参数，基于原荷载作用状态图和第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；获取用户在交互操作区输入的第二绘图参数，基于原杆系结构和第二绘图参数利用叠加原理绘制原杆系结构的结果弯矩图；记录用户在交互操作区实施的操作过程，对操作过程进行批阅，给出批阅结果。本发明将位移法分析和计算作业全过程，完整移植至软件平台，对平台提供任意参数的位移法题目，结合位移法计算常规步骤，利用有限元分析方法进行过程性分析，对位移法计算中涉及到的几何分析、模型交互、图形绘制等内容，实现概念性判断和提供交互操作，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，有效提高学生在杆系结构位移法作业中的计算效率和练习效果。

在一个实施例中，交互操作区设置有题目选择控件，所述方法还包括：

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，步骤S108中，对操作过程进行批阅，给出批阅结果具体包括：

根据预设的判断规则对位移法自由度数值n、位移法基本结构、n个单位弯矩图、荷载弯矩图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位移法自由度数值n、位移法基本结构、n个单位弯矩图、荷载弯矩图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。

具体地，在一个实施例中，过程图形显示区的n+4个图形显示窗口按照待解答题目、位移法基本结构、第1-n个单位弯矩图、荷载弯矩图和结果弯矩图的顺序分别显示对应的图形内容。根据图形的生成顺序在过程图形显示区的n+4个图形显示窗口中依次进行显示，更加便于用户查看各操作步骤产生的相关结构图形。

根据本发明的第二个方面，本发明实施例公开了一种杆系结构位移法计算的智能交互作业系统，所述系统可以包括：

题目加载模块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，人机交互界面包括过程图形显示区和交互操作区，原杆系结构显示在过程图形显示区；

当进行杆系结构位移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过程图形显示区。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。

数据获取模块202，用于获取用户在交互操作区输入的位移法自由度数值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位移法自由度数值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，用户输入的位移法自由度数值n为用户自己判断得到的题目中的原杆系结构对应的位移法自由度，即原杆系结构的基本未知量数目，由于后续的分析计算过程中用户单元使用的不同，同一原杆系结构的位移法计算的基本未知量并非固定，系统根据用户输入的位移法自由度数值n控制后续的操作步骤。

窗口分割模块203，用于基于位移法自由度数值n将过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口，并将原杆系结构和待解答题目的题干信息显示在其中一个图形显示窗口中；

获取到用户输入的位移法自由度数值n后，系统将人机交互界面中的显示原杆系结构的过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口，同时，在过程图形显示区分割完成后，将原杆系结构和待解答题目的题干信息共同显示在其中一个图形显示窗口中，优选显示在第一个图形显示窗口中，其他的图形显示窗口为预留窗口，用于后续操作过程中显示对应的图形内容。

基本结构图绘制模块204，用于接收用户在交互操作区对原杆系结构做出的添加附加约束操作，并基于添加附加约束操作生成位移法基本结构；

过程图形显示区分割完成后，用户可以在人机交互界面进行与原杆系结构对应的位移法分析的位移法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添加附加约束操作，并根据该添加附加约束操作生成对应的用于位移法分析的位移法基本结构，生成的位移法基本结构的图形在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中的其中一个预留的图形显示窗口中。具体地，上述添加附加约束操作可以是用户对人机交互界面的交互操作区内显示的对应的控件按键进行选择操作，以添加水平支杆、添加竖向支杆和添加转动约束之一或任意组合的方式在所述原杆系结构的结点位移处添加n个附加约束，从而控制原杆系结构中用户认定的可能的结点或杆端位移。

需要说明的是，为实现作业过程的任意普适性，系统对用户可能使用的用户单元的单元性质不作任何限定，既可统一使用一般杆单元(即平面杆元在不计轴向变形时存在三个杆端位移)，也可使用特殊衍生单元(一端固端一端铰单元和一端固端一端定向单元，此时单元只存在两个独立杆端位移)。系统对操作过程的正误判断从力学概念角度出发，只要用户建立的位移法基本结构可以准确表达出原杆系结构的变形状态，即认定此位移法基本结构绘制正确。

单位弯矩图绘制模块205，用于接收用户在交互操作区针对位移法基本结构做出的n次施加结点单位位移操作，并基于n次施加结点单位位移操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图，将n个单位弯矩图分别显示在n+4个图形显示窗口中的不同的图形显示窗口中；

位移法基本结构的图形绘制完成后，用户可以在人机交互界面进行各单位力状态的单位弯矩图的交互绘制，用户通过对人机交互界面的交互操作区内显示的对应的控件按键进行选择操作，分别在位移法基本结构上作用单位力，即在用户所施加附加约束上，作用对应于附加约束的结点(或杆端)单位位移，形成单位受力状态，并根据此状态，交互绘制单位弯矩图，重复上述步骤n次，绘制n个不同单位力状态的单位弯矩图，系统接收用户在人机交互界面的交互操作区内针对位移法基本结构做出的n次施加结点单位位移操作，并基于n次施加结点单位位移操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图，每次交互操作生成的单位弯矩图在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中预留的图形显示窗口中，n个单位弯矩图共占用n个图形显示窗口。

荷载弯矩图绘制模块206，用于将原杆系结构承受的荷载作用在位移法基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户在交互操作区输入的第一绘图参数，基于原荷载作用状态图和第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；

单位弯矩图的图形绘制完成后，用户可以在人机交互界面进行荷载弯矩图的交互绘制，用户通过人机交互界面上的交互操作区内显示的对应的控件按键进行选择或其他输入操作，系统先将原杆系结构承受的荷载作用在位移法基本结构上生成原荷载作用状态图，然后用户在原荷载作用状态图上进行操作，交互输入第一绘图参数，该第一绘图参数可以是内力值或杆端拆分相关参数，系统利用叠加原理根据获取到的第一绘图参数和原荷载作用状态图生成荷载弯矩图，生成的荷载弯矩图的图形在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中剩下的预留的图形显示窗口中。

结果弯矩图绘制模块207，用于获取用户在交互操作区输入的第二绘图参数，基于原杆系结构和第二绘图参数利用叠加原理绘制原杆系结构的结果弯矩图；

荷载弯矩图绘制完毕后，用户可以在人机交互界面进行原杆系结构的结果弯矩图的交互绘制，用户通过人机交互界面上的交互操作区内显示的对应的控件按键进行操作，输入第二绘图参数，系统则利用叠加原理根据获取到的第二绘图参数和原杆系结构绘制生成原杆系结构的结果弯矩图，生成的结果弯矩图的图形在用户提交后可以实时加载至n+4个图形显示窗口中剩下的预留的图形显示窗口中(即最后一个预留的图形显示窗口)。具体地，第二绘图参数为用户根据单位弯矩图和荷载弯矩图通过联立位移法方程计算得到的原杆系结构的位移法方程的系数、自由项和未知量等参数，结果弯矩图即待解答题目对应的原杆系结构的最终内力解答。

作业批阅模块208，用于记录用户在交互操作区实施的操作过程，对操作过程进行批阅，给出批阅结果。

在上述操作步骤中，系统实时记录用户在人机交互界面的交互操作区实施的操作过程，并根据预设的评判规则对操作过程进行批阅，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。

综上所述可知，本实施例提供了一种杆系结构位移法计算的智能交互作业系统，通过题目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，人机交互界面包括过程图形显示区和交互操作区，原杆系结构显示在过程图形显示区；数据获取模块获取用户在交互操作区输入的位移法自由度数值n，其中，n为正整数；窗口分割模块基于位移法自由度数值n将过程图形显示区分割成n+4个图形显示窗口，并将原杆系结构和待解答题目的题干信息显示在其中一个图形显示窗口中；接本结构图绘制模块接收用户在交互操作区对原杆系结构做出的添加附加约束操作，并基于添加附加约束操作生成位移法基本结构；单位弯矩图绘制模块接收用户在交互操作区针对位移法基本结构做出的n次施加结点单位位移操作，并基于n次施加结点单位位移操作生成n个不同单位力状态的单位弯矩图，将n个单位弯矩图分别显示在n+4个图形显示窗口中的不同的图形显示窗口中；荷载弯矩图绘制模块将原杆系结构承受的荷载作用在位移法基本结构上生成原荷载作用状态图，获取用户在交互操作区输入的第一绘图参数，基于原荷载作用状态图和第一绘图参数利用叠加原理生成荷载弯矩图；结果弯矩图绘制模块获取用户在交互操作区输入的第二绘图参数，基于原杆系结构和第二绘图参数利用叠加原理绘制原杆系结构的结果弯矩图；作业批阅模块记录用户在交互操作区实施的操作过程，对操作过程进行批阅，给出批阅结果。本发明将位移法分析和计算作业全过程，完整移植至软件平台，对平台提供任意参数的位移法题目，结合位移法计算常规步骤，利用有限元分析方法进行过程性分析，对位移法计算中涉及到的几何分析、模型交互、图形绘制等内容，实现概念性判断和提供交互操作，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，有效提高学生在杆系结构位移法作业中的计算效率和练习效果。

在一个实施例中，交互操作区设置有题目选择控件，所述系统还包括：

题目选择模块，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，对操作过程进行批阅，给出批阅结果具体包括：

根据预设的判断规则对位移法自由度数值n、位移法基本结构、n个单位弯矩图、荷载弯矩图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。

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位移法自由度数值n、位移法基本结构、n个单位弯矩图、荷载弯矩图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。

具体地，在一个实施例中，过程图形显示区的n+4个图形显示窗口按照待解答题目、位移法基本结构、第1-n个单位弯矩图、荷载弯矩图和结果弯矩图的顺序分别显示对应的图形内容。根据图形的生成顺序在过程图形显示区的n+4个图形显示窗口中依次进行显示，更加便于用户查看各操作步骤产生的相关结构图形。

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位移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过程图形显示区和过程图形显示区外围的交互操作区，其中，交互操作区包括过程图形显示区右侧的第一交互操作区、过程图形显示区左侧的第二交互操作区以及过程图形显示区顶部的第三交互操作区，进行杆系结构位移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“位移法计算交互作业”选项并单击选择该项，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过程图形显示区，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位移法自由度数值范围，然后保存该数值范围，在后续用户输入位移法自由度数值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“位移法计算”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位移法计算时的位移法自由度数值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，界面中的过程图形显示区会被分割成n+4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“以位移法计算图示结构，并绘制弯矩图”)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，其余图形显示窗口为预留窗口。对本例，正确的位移法自由度n＝1，输入后确定，系统自动生成并增加菜单项(即第二交互操作区中“位移法计算”按键的下拉菜单，包括形成基本结构(位移法基本结构绘制控件)、M＿1(第1状态单位弯矩图绘制控件)、M＿P(荷载弯矩图绘制控件)、M(结果弯矩图绘制控件))。

2、接着用户通过在第一交互操作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。如图4所示，用户点击第二交互操作区中的“形成基本结构”按键，可在第一交互操作区采取附加水平支杆、竖向支杆或转动约束等不同方式，在原杆系结构中添加“用户认定”的附加约束，操作完毕后，双击生成的位移法基本结构，则对应的位移法基本结构的图形被加载并显示在第二个图形显示窗口中，用户分别点击M＿1、M＿P、M，在提交的位移法基本结构上，施加对应单位力，绘出相应内力图形后提交，用户按位移法计算，并绘出最终内力图，至此位移法计算结束。此时过程图形区显示如图5所示，其中，位移法基本结构即题目中的原杆系结构添加附加约束后得到的基本结构，M＿1弯矩图即第1状态单位弯矩图，M＿P弯矩图即荷载弯矩图，M图即结果弯矩图。

3、位移法交互计算完成后，进行结果提交，提交系统批阅，批阅结果根据当前设定的批阅模式，实时以浮动窗口的形式显示在人机交互界面的过程图形显示区中，如图5所示，当然，批阅结果也可以上传服务器进行保存。批阅结果具体如图6所示，包括各知识点对应的关键操作步骤(如输入的位移法自由度以及基本结构、单位弯矩图、荷载弯矩图和结果弯矩图等交互绘制的各图形)的正确性评判和该题目相应的总得分。

若用户使用了不同计算思路，例如输入的位移法自由度不同，则解法相应发生变化，计算过程也相应发生变化，从而得到的位移法基本结构、单位弯矩图以及荷载弯矩图都有可能发生相应变化，但是若解题过程正确，最终得到的结果弯矩图会一样。用户又使用不同于图5所示的解题方法，此次输入的位移法自由度数值为2，因此会相应交互绘制两个不同状态的单位弯矩图，即图7中的，M＿1弯矩图和，M＿2弯矩图，因计算过程正确，最终得到的结果弯矩图与图5所示方法得到的结果弯矩图一致。若用户计算过程中出现错误，过程图形显示区和批阅结果如图8所示。

通过上述实例可知，本发明的技术方案中，作业过程按照位移法分析基本步骤顺序进行，只需要满足过程自洽，即可作业并提交；作业自由度极高，完全还原纸上作业过程；在分析、绘图和其它计算过程中，除要求按位移法基本固定步骤进行外，不作诱导提示，较客观地对学生学习水平进行评测、考核和考试；同时可对每一操作步实时提供正确性评判，确保初学者的训练效率。

为更清晰的表达位移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图9所示。从图中可知，除未知量的数目范围(即位移法自由度数值范围)和最终内力解答的判断，是直接来自于原杆系结构外(结构的基本性质，与位移法计算过程完全无关)，其余状态的判断都需要基于用户在位移法计算中的实际操作进行(不同的分析思路，有不同的操作)。

本发明的图文交互方式便利，便于使用者用于图形和数据输入，在不减少计算分析量的条件下，可避免工作重复性，缩短作业时间；同时对操作步判定是从位移法基本概念出发，对位移法求解题目绝对普适，并在根本上解决了一题多解问题，只要是适用于位移法分析的任意杆系结构，无论何种荷载、约束或结构特征，在本系统平台上，可用任一可能方式进行分析、计算，系统皆能自适应其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，可根据批阅指出的错误，只针对错误操作，重新绘图、修正，而不用重作全题。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。