基于MATLAB单跨静定梁内力和变形可视化研究

崔海军

（扬州工业职业技术学院,江苏 扬州 225127）

基于MATLAB单跨静定梁内力和变形可视化研究

崔海军

（扬州工业职业技术学院,江苏 扬州 225127）

在Matlab 环境下，借助其图形用户界面技术，开发用于计算单跨静定梁内力和变形的图形用户界面。该图形用户界面可以解决6种单跨静定梁结构的内力和变形计算问题，方便、快捷，对力学教学及对力学知识的理解和掌握有很大的帮助。

Matlab 静定梁 内力 变形 图形用户界面

1982 年美国Math Works 公司推出的矩阵工作室Matlab（Martix Laboratory）是一个高效的科学计算软件[1]，是一种集数值计算、符号运算、可视化建模、仿真和图形处理等多种功能于一体的优秀的图形化语言。GUI图形用户界面的设计是Matlab的一个重要功能，利用GUI技术可以充分发挥Matlab强大的可视化能力，在诸多科学计算领域里实现分析过程和结果的可视化[2-5]。本文借助Matlab GUI技术，将单跨静定梁内力图和变形图形象、直观地在图形用户界面求解，并可可以方便显示出相应的最值，并以右端固定单跨静定悬臂梁图形用户界面设计为例阐述设计过程，在此基础上阐明单跨静定梁内力和变形可视化图形用户界面的设计过程。

一、右端固定单跨静定悬臂梁可视化研究

1. 数据结构

Matlab GUI可视化界面要求在交互式界面上输入相应的参数，然后运行相关Matlab GUI及其回调函数。对于右端固定单跨静定悬臂梁内力分析及变形研究需要输入结构的几何尺寸参数、载荷参数意见相应的材料参数。因此，建立了L_date、load、M_load、a、P_load、b、q_load、c、d、E、I等矩阵，另外对于参数的输出建立了M、V、Sita、Y、zuizhi等输出矩阵。

2. 前处理程序

在前处理中使用界面交互的形式输入数据，同时实现通过读写文本文件多次操作数据。共有一个主界面、4个axes坐标轴对象、4个Edit Text编辑文本对象、2个push button触控按钮、17个Static Text静态文本对象，6个Panel面板对象。

4个Edit Text编辑文本对象用于已知条件数据的输入，如结构几何参数、荷载参数、材料弹性模量以及截面惯性矩；2个push button触控按钮用于程序的运行及结束清除变量；4个axes坐标轴对象用于绘制剪力图、弯矩图、转角曲线图和挠度曲线图；Static Text静态文本对象用于输出弯矩最大值、弯矩最小值、剪力最大值、剪力最小值、转角最大值、挠度最大值；6个Panel面板对象使界面更加美观[6]。

完成各个控件的布局，需要根据控件的功能编制各个控件的回调函数，用右键单击该

控件，点击对话框中view callbacks，选择一种激活回调函数的方式，就可以编制相应的回调函数，完成一定的功能。

3. 数据的输入及读取

如图1所示右端固定悬臂梁。F = 3KN，q = 2KN/m，M = 6KN﹒m，a = 3m，弹性模量

E=2×108KPa，惯性矩为6×10-6mm4KPa。对其内力及变形分析。L_date=[ 6 0 0 0]，Load=[1 -6 3 0; 2 3 0 0; 3 2 0 3]。数据输入如图2所示。输入数据后

图1 悬臂梁计算图

图2 右端固定悬臂梁图形用户界面

4. 程序运行

完成数据输入后，点击界面“运行”按钮，在4个axes坐标轴对象内分别绘制剪力图、弯矩图、转角曲线图和挠度曲线图；同时再右下方的8个Static Text静态文本对象显示出弯矩最大值、弯矩最小值、剪力最大值、剪力最小值、转角最大值、挠度最大值。

二、单跨静定梁可视化教学界面研究

1. 数据结构

L_date：第1列梁全长， L表示，第二列外伸段长度，L1表示，第三列简支段长度，L2表示，第四列外伸段长度，L3表示。后三列如没有则为0

2. 前处理程序

与前面程序界面相类似，主界面增加一个弹起式菜单，可以选择梁的类型。

3. 数据的输入及读取

如图3所示两端外伸梁。弹性模量E=2×108KPa，惯性矩为6×10-6mm4KPa。L_date=[12 2 8 2]，Load=[1 8 8 0; 2 2 -2 0; 3 2 0 10]。数据输入如图4。

图 3两端外伸梁计算图

图 4

4. 程序运行

完成数据输入后，点击界面“运行”按钮，在4个axes坐标轴对象内分别绘制剪力图、弯矩图、转角曲线图和挠度曲线图；同时再右下方的8个Static Text静态文本对象显示出弯矩最大值、弯矩最小值、剪力最大值、剪力最小值、转角最大值、挠度最大值。

三、结语

MATLAB语言尽管相对容易学习，但理解、掌握及灵活运用程序有一定的难度。而单跨静定梁MATLAB GUI可视化教学界面，使用者只需根据软件说明在图形用户界面输入参数，点击运行按钮，即可得出力学结果。可以解决目前工程力学教学由于学时及实验经费的限制，难以从动手能力感性认识方面培养学生的问题，对于提高学生学习的积极性、加强对所学知识的理解和掌握有很大的帮助。

[1]毛涛涛，王正林．精通MATLAB GUI设计[M]，北京：电子工业出版社，2008

[2]王玉山，王锐．Matlab在材料力学超静定问题求解及粱变形可视化中的应用[J]．石河子大学学报：自然科学版，2007，25(1)：27-30．

[3]黄斌，姚正军，王红杰，等．材料力学性能检测虚拟实验的设计和开发[J]．实验力学，2005，20(4)：573-578．

[4]周全胜，王连明，邢雪峰，等．基于MATLAB的网络交互式虚拟现实实验系统的研究[J]．实验技术与管理，2007，24(9)：102-105．

[5]乔闪．基于MATLAB面向课题的数字图像处理实践教学[J]．实验技术与管理，2005，22(8)：93-96．

[6]李彤，项四通，李吉宗．基于Matlab的材料力学图形用户界面系统开发，实验室研究与探索，29(8) :42-44+69

G322

B

1007-6344（2015）04-0331-01

崔海军（1979—），男，硕士，讲师，从事结构工程、道路桥梁工程等方面研究工作。