水工结构设计中MathCAD的应用研究

【摘要】对水工结构进行合理的设计，能够使发电、排涝、防洪及发电等功能得到最大限度的发挥，从而使其环境价值与经济效益都能得到最大程度的体现。在水工结构设计工作中，其结构设计质量将直接关系到整个水利工程的经济性与安全性，因此，必须要确保水工结构设计的合理性。MathCAD数学软件是水工结构中的重要应用软件，其具备诸多应用优势，在水工结构设计中的应用十分广泛。为此，本文便对水工结构设计中MathCAD数学软件的具体应用进行深入的研究。

【关键词】水工结构；结构设计；MathCAD；应用研究

水利水电工程为我国的经济发展做出了卓越的贡献，对水利水电工程进行应用与实施，是确保我国国民经济建设的重要保障。但在水利水电工程施工中，其水工结构设计的合理性，将直接对整个工程的质量与安全产生巨大影响，在水工结构设计工作中包含有诸多工作与设计环节，如结构计算、应力计算、调洪设计计算等，这也使水工结构设计的专业性非常强，因此需要极强的技术支撑才能满足水工结构的设计要求。而在以往的水工结构设计中，主要是通过EXCEL软件来进行计算，并通过WORD软件来整理计算书，这无疑给水工结构设计工作带来了极大的不便。在此形势下，MathCAD数学软件的出现，实现了EXCEL软件与WORD软件之间的优势结合，进而给水工结构设计工作提供了极大的便利。

一、MathCAD数学软件综述

（一）MathCAD数学软件

MathCAD数学软件是由Mathsoft公司研发出来的，该软件能够进行交互式操作，这也使其成为现今数学软件中最为重要的一个。在MathCAD数学软件中包含有相应的数据集成软件包，这使MathCAD数学软件具备计算、文字转换与绘图等诸多功能，其能够将表格界面与文字界面进行有机结合起来，同时MathCAD数学软件中还配备有相应的函数库，这使其能够对许多数学问题进行有效解决。此外MathCAD数学软件中还扩展有诸多接口，其能够对第三方软件进行调用，以使软件得到更好的利用与扩展。

（二）MathCAD数学软件的应用优势

MathCAD数学软件的应用优势在于其操作简单、并能实现成像与计算之间的完美结合，同时其还具备极强的兼容性，MathCAD数学软件的操作简单优势主要体现在其应用界面的简洁上，只要操作人员具备一定的数学知识与Word软件的操作能力，便能够实现对MathCAD软件的操作，其简单易学，不需要进行复杂的计算操作。MathCAD数学软件的成像与计算优势主要体现在其内部中含有的函数库中，在該函数库中包括各种函数容量与指令函数，这使其能够对微积分、向量及矩阵等多种函数进行有效处理，同时其还能够利用计算来输出图形，并生成三维坐标与平面图，此外，其不仅能够对矢量图、直线图等多种静态平面图进行生成以外，还能对动态立体图进行生成。MathCAD数学软件的兼容性特点，使其能够对Microsift office、ODBC等系统软件及资源进行兼容，并能实现多种图形格式与文字计算结果在不同软件中的相互导入、输出与切换。

二、水工结构设计中MathCAD的应用研究

（一）在水工结构计算中的应用

在水工结构设计中需要涉及到试算、查表等计算问题，而这些计算问题都可通过MathCAD数学软件的应用来进行良好的解决。比如，在水式结构计算中需要对消能防冲进行计算时，为了使其计算结果能够更加准确的判断坝体底部中水流的衔接状态，需要在计算过程中，将收缩断面水深与下游水深的共轭水深进行对比，不过考虑到收缩断面水深的方程式为隐形的，因此难以进行直接求解，此时便可通过MathCAD软件中的given-find模块来对其进行求解，其计算公式可表示为、、。在该公式中，坝体上游总能头由表示，重力加速度由表示，流速系数由表示，佛汝德数由表示。利用上述参数中的已知条件，便可通过MathCAD软件中的given-find模块进行求解。

（二）在水工结构绘图中的应用

由上文中可以了解到，在水工结构设计中MathCAD软件能够进行计算，除此之外，其还具备很强的绘图功能，通过MathCAD的应用能够绘制出三维直角坐标曲面图与直角坐标系等，因此其在水工结构设计中能够进行广泛应用。在对某水电站进行下游水位流量变化与水位变化曲线图绘制时，可通过MathCAD软件来对M进行定义，使其成为相应的两列矩阵，并对矩阵中的水位与流量两个要素进行设置，然后在平面中指定一个点，插入X-YPlot图像，此时曲线图中的下方和左方分别会出现一个输入占用符，这时只需要对这些占用符进行相应数值的输入，MathCAD数学软件便可对该水电站中流量与水位之间的关系图进行自动绘制。

（三）在水工结构计算书编制中的应用

在水工结构设计中，MathCAD数学软件中的函数计算与图像绘制都需要借助于相应的计算书才能完成，因此必须要预先对计算书进行编制，而通过MathCAD软件的使用，能够有效完成计算书的编制工作。计算书的编制和手写编制较为相似，在计算书中，要求其各项数据都必须能够清晰而明确的显示，并且计算书中公式的绘制和计算方式书写等都和手写方式比较接近，因此这也使水工结构设计中，计算书的编制非常容易被工程人员所掌握，而且也便于设计人员对计算书进行检查与校对。此外，工程人员还可以在MathCAD软件中设置相应的计算模块以便于应用，如挡土墙计算模块、消力池计算模块等。

结语

综上所述，我国水利水电工程的高速发展，使MathCAD数学软件的应用范围变得越来越广泛，这也使其在水工结构设计中发挥着越来越重要的作用。因此，水工工程设计人员必须要对MathCAD数学软件进行掌握与应用，使MathCAD软件能够充分应用到实际设计工作当中去，以使水工结构设计的工作效率得到最大限度的提高。

参考文献：

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作者简介：李成，男，（1986.04.19）硕士学历，工程师职称，广东省水利电力规划勘测设计研究院，从事水工结构、岩土工程及地下工程类工作。