[00121026]膜结构设计系统SMCAD的研究与开发

该课题为计划外自选课题。　　膜结构设计系统SMCAD是一套功能完整、具有自主版权的膜结构设计软件，包括建模系统、找形分析系统、荷载分析系统、裁剪设计系统四个模块。主要技术特点与创新：　　1. 友好的人机界面，面向对象式的建模方式：　　基于Windows操作系统，根据膜结构的特点及工程设计人员的操作习惯，建立了非常适宜膜结构几何模型生成且拥有自主知识产权的三维计算机辅助设计图形环境。除通用图形环境具有的文件、绘制、编辑、构造、设置、视图操作等命令外，提供了大量便于膜片布置、生成支承结构、直接生成最常用膜结构形状、施加各种荷载及边界条件的命令，例如可以非常便捷地生成双曲面、锥体等膜结构常用形状的模型，提供了近似考虑风荷载体型系数的方法等，解决了基于力密度法进行找形及荷载分析的膜结构设计软件任意施加荷载的复杂性、不能计算膜面平面投影重叠的膜结构工程等缺点。SMCAD非常便于设计人员学习、操作。　　2. 丰富的单元和科学的数据格式组织：　　SMCAD系统提供杆、梁、索、膜四种单元，真正实施对膜结构进行整体找形分析及非线性荷载分析，避免膜边界条件假设带来的误差。目前一些膜结构设计软件将膜与支承结构分离开分别进行找形分析及荷载分析，将支承结构作为膜结构的边界，计算出反力后再加到支承结构上去，这种算法对于小工程还可以近似计算（一般情况下，钢结构计算结果偏大），但对于大型膜结构工程计算误差可达50%以上。　　采用基于对象特征的数据格式和建模方法，达到了建筑与结构共享数据模型，使结构分析中所采用的各种单元可任意组合，SMCAD除可以进行膜结构设计外，同样可以进行其它空间结构形式（如张弦梁、索穹顶等）的非线性荷载分析；多种单元可以保证膜结构与下部支承结构进行整体分析，实现安全、经济、高效。　　3. 科学可视化及丰富的控制手段：采用先进的科学可视化技术，可任意动态显示各种计算结果、结构变形、膜单元皱折过程、找形过程等，所有计算结果都以图形方式显示，便于用户查看计算结果；SMCAD提供了大量找形分析及非线性荷载分析的控制参数，结合可视化技术及丰富的找形控制参数，如迭代步、迭代最大变形、变形因子及采用不同的迭代方法等，SMCAD不仅可以非常方便地找到膜结构的平衡形状，还可以通过控制手段找到预期的各种膜结构形状。结合可视化技术及丰富的非线性荷载分析控制参数，如迭代步、迭代最大变形、变形因子、荷载步等，可以保证大型膜结构工程整体（包括支承结构）非线性荷载分析的稳定性及收敛性。由于大型膜结构工程在设计荷载作用下，不可避免的会出现膜单元皱折及索的松弛现象，如果出现这种现象，算法上较难保证膜结构非线性分析的稳定性，大型膜结构整体分析的稳定性及收敛性一直是限制膜结构整体分析的一个瓶颈，这也是很多膜结构设计软件将膜与支承结构分开计算的一个主要原因。　　4. 灵活、高效的裁剪方式：　　SMCAD提供多种布置裁剪缝的方法，包括竖面切割法、测地线法、膜单元边界法，测地线法是公认最好的布置膜裁剪缝的方法，采用这种方法进行膜的裁剪可以得到比较平滑并且膜材利用率很高的膜结构裁剪图，但由于膜面的多样性及复杂性，实际工程中大部分空间膜面很难用数学方程模拟，生成空间膜面上任意两点之间的测地线就比较困难，因此很多膜结构设计软件没有提供生成测地线的方法。SMCAD采用高效的测地线搜索方法，基本解决了生成任意曲面任意两点之间的测地线的生成问题，并且解决了国外一些著名膜结构设计软件膜片不能跨越脊索和谷索的问题，经过大量的工程实践表明，SMCAD提供的这种方法高效、实用，并能显著提高膜材的利用率及减小膜片焊接热合工作量。　　由于大部分空间膜面是不可展空间曲面，而膜材是平面的，因此将不可展空间曲面近似展开为平面后，不可避免地有误差，一般情况下，相邻膜片的公共边会存在一定的误差，膜片搭接时就存在一定的问题，SMCAD采用形之有效的方法解决了相邻膜片公共边之间存在误差的问题，工程实践表明这种方法是可行的。　　SMCAD以多种方式确定膜片的范围、提供多种方式生成膜裁剪图，并且对膜片边界进行插值拟合、平移、确定相邻边界等多种操作，直接标注裁剪图上控制点的坐标及间距等，从而避免大量手工标注裁剪图的工作。并且提供了多种补偿值参数，便于膜片的安装。　　科技成果应服务于社会，才能体现第一生产力的重要特征。自从SMCAD于2002年5月小范围投放市场（主要目的在于让SMCAD接受实际工程的检验），通过一年来在实际工程中的检验不断完善起来，目前已有10家用户单位，由于系统的先进性、科学性及友好的人机界面操作特点等，SMCAD很快得到工程界的认可。通过鉴定后，SMCAD系统将正式投向市场，预期的社会经济效益主要有：提高设计质量、促进膜结构发展、促进民族软件产业发展、提高加工制作效率等。