Файл: Бакиров Р.О. Применение современных электронных вычислительных машин при расчете и проектировании конструкций инженерных сооружений учебное пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 94
Скачиваний: 0
ВОЕННО-ИНЖЕНЕРНАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА КРАСНОЗНАМЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени В. В. КУЙБЫШЕВА
Старший научный сотрудник кандидат технических наук инженер-подполковник Р. О. БАКИРОВ
ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН ПРИ РАСЧЕТЕ И ПРОЕКТИРОВАНИИ КОНСТРУКЦИЙ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Утверждено начальником академии в качестве учебного пособия для слушателей академии
Редактор — доцент кандидат технических наук полковник И. А. КОМАРОВ
ИЗДАНИЕ ВИА М о с к в а — 1968
ГО С . П /Б Л И Ч Н А Я iO-'i е Х Н И Ч Е С К А И
____ ь Г.Л И О ТЕК » С С С Р
6 работе изложены необходимые сведения об элект ронных цифровых вычислительных машинах и програм мировании, а также основные методы использования ма шин при решении инженерно-технических задач.
Учебное пособие написано для слушателей академии,
но оно будет также полезным широкому кругу лиц |
|
при расчете и проектировании конструкций инженерных |
|
сооружений, сталкивающихся с необходимостью исполь |
|
зования современных электронных вычислительных ма |
S3ZS8 |
шин. |
|
Для понимания содержания пособия не требуется зна |
|
ния методов численного анализа, устройства машин и |
|
программирования. После внимательного ознакомления |
|
с содержанием работы читатель получит все сведения, необходимые для использования готовых программ или описания задачи для разработки новой программы.
Приводимые в приложениях типовые программы по проектированию поперечного сечения балочных конст рукций и железобетонной обделки подземного соору жения могут найти непосредственное применение в учебном процессе и проведении научных исследований
спомощью электронных вычислительных машин.
В приложениях к пособию приведен также перечень
стандартных |
и |
типовых |
программ для |
ЭЦВМ |
||
«Урал-2», используемых при решении |
инженерно-техни |
|||||
ческих задач. |
|
утверждено на |
|
заседании |
Совета |
|
Учебное пособие |
г. |
|||||
факультета № |
3 от 30 ноября |
1966 |
|
|
§1. НЕОБХОДИМЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ
НЕКОТОРЫЕ ОШИБКИ ВО ВЗГЛЯДАХ НА ЭЦВМ
Нередко приходится слышать даже от достаточно крупных спе циалистов, что электронные цифровые вычислительные машины (ЭЦВМ) — это всего лишь большая логарифмическая линейка или арифмометр, правда, имеющие большую точность и скорость вычислений. Основная ошибка такого взгляда заключается в том, что в нем признается лишь количественный рост возможностей ма шин, но совершенно затушевывается их качественное отличие от механических счетных приборов. Но ведь именно благодаря ново му качеству ЭЦВМ — способности выполнять не только арифмети ческие, но и многие логические операции, они вторгаются в об ласти, которые до этого были доступны лишь человеческому разуму.
Значительная часть специалистов видит в дальнейшем внедре ние ЭЦВМ опасность того, что будут постепенно преданы забвению традиционные аналитические методы исследования и затормозится дальнейшее их развитие. На самом деле применение вычислитель ных машин предполагает не забвение аналитических методов, а их глубокое знание и развитие. Отличие специалиста, владеющего ма шинными методами решения задач в определенной области, от обйчного специалиста лишь в том, что он знает возможности этих машин и знает не только аналитические методы решения постав ленной задачи, но и решение их методами численного анализа с применением современных вычислительных машин.
Существует и такая группа специалистов, которая, признавая большую перспективу использования машин в области их деятель ности, однако преувеличивает трудности, связанные с внедрением этих машин в практику. В частности, можно слышать заявление, что легче запроектировать конструкцию обычным, ручным спосо бом, чем осваивать необходимые для машинного проектирования методы численного анализа и вопросы программирования. В дан ном случае ошибка заключается в том, что указанная> группа спе циалистов учитывает лишь время, затраченное на проектирование
з
какой-либо конструкции одним специалистом, но совершенно ски дывает со счетов труд многих тысяч специалистов, работающих в различных учреждениях страны и затрачивающих дополнительное время на проектирование таких же конструкций. Таким образом, если при разработке какой-либо программы, например, по расчету статически неопределимых (плоских или пространственных) систем затрачено и значительное время двумя-тремя специалистами, то уже после того как такая программа составлена, это время окупит ся во много раз в дальнейшем, поскольку для расчета любых стержневых статически неопределимых систем с применением раз работанной программы потребуется значительно меньше времени, чем при ручном счете. При этом чем сложнее система, тем эта раз ница будет более реально ощутимой.
Следует указать и на такую категорию специалистов, которые с большим энтузиазмом восприняли появление вычислительных машин, но при первой же неудаче без достаточного на то основания перешли в группу ярых «противников» машинных способов расче та и проектирования. Причины неудач здесь самые разнообразные: применение ЭЦВМ в случаях, когда их использование было явно нецелесообразно; неудовлетворительный выбор численного метода; отсутствие контрольных цифр или контроля решения вообще и, как следствие, неверие в полученные на машинах результаты; ошибки в программировании или сбои в работе машины; недостаточное быстродействие и объем памяти имеющихся машин.
Наконец, существуют специалисты, неглубоко разобравшиеся
всути вопроса, которым свойственна неуемная вера в возможно сти ЭЦВМ, граничащая с необоснованными надеждами на полную замену человеческой деятельности работой машин. Ошибка таких специалистов кроется в недостаточном знании конкретных вопро сов использования машин, принципов устройства, работы и воз можностей машин. Существо заключается в том, что когда мы го ворим о все большем внедрении и вторжении электронных вычис лительных машин в сферу человеческой деятельности, то мы имеем
ввиду прежде всего способность электронных цифровых вычисли тельных машин выполнять не только арифметические, но и некото рые логические операции. Как раз именно это свойство ЭЦВМ по зволяет использовать их не только для расчета, но и проектирова ния конструкции. Здесь следует настойчиво подчеркнуть, что после
разработки программы машина действительно работает без вмеша: тельства человека и в зависимости от возможностей программы проектирует оптимальную конструкцию, но машина выполняет только те действия, которые предусмотрены человеком при разра ботке программы.
Мы остановились на некоторых ошибках во взглядах на ЭЦВМ потому, что правильное понимание возможностей этих мощных вычислительных средств имеет немаловажное значение в даль нейшем их внедрении во все области: человеческой деятель ности.
4
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЭВМ
Внастоящее время существуют два основных класса электрон ных вычислительных машин (ЭВМ ): машины непрерывного (элект ронные моделирующие установки — ЭМУ) и дискретного (элект ронные цифровые вычислительные машины — ЭЦВМ) действия.
Вэлектронных моделирующих установках при помощи элект ронных ламп, конденсаторов и других элементов создаются схе мы, в которых изменение напряжения во времени описывается те ми же дифференциальными уравнениями, что и изучаемое явление. Решение уравнений получается в виде осциллограмм, наблюдае мых на экране осциллографа, или графиков на бумажной ленте. Эти осциллограммы непрерывно изменяются во времени, в опре деленном масштабе копируя изучаемый процесс, вследствие чего эти машины называют машинами непрерывного действия. Точ
ность получаемых рри этом результатов обычно составляет
5— 10%.
Машины непрерывного действия получили наибольшее распро странение при изучении физических явлений, описываемых систе мами обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными и переменными коэффициентами. Эти машины наиболее приспо соблены для исследования систем автоматического регулирования, так как позволяют сравнительно легкое сочленение моделирующей установки с реальной аппаратурой управления. Электронные моде лирующие установки могут найти применение и в учебном процес се. Например, если изучаемое явление описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями, то, изменяя входящие в эти уравнения коэффициенты, можно наблюдать на экране их влия ние на ход получаемого при этом решения. Следует, однако, при знать, что ЭМУ еще не нашли достаточного применения при иссле довании конструкций инженерных сооружений.
В последние годы созданы и получили большое распростране ние электронные машины другого типа — электронные цифровые вычислительные машины. Создание именно этих машин законно считается одним из важнейших научно-технических достижений современности, сделавших возможным автоматизировать некото рые виды умственной деятельности человека. Эти машины опери руют с величинами, представленными в цифровой форме. В цифро вой вычислительной машине величины изменяются прерывисто, принимая отдельные дискретные значения. Поэтому электронные цифровые вычислительные машины называют машинами дискрет ного действия. Процесс решения задачи на ЭЦВМ разбивается на элементарные арифметические и логические операции. Управление работой машины осуществляется автоматически, по заранее со ставленной программе.
Отличительной особенностью ЭЦВМ является их универсаль ность, большая точность, огромное быстродействие, наличие памя ти и способность выполнять логические операции.
5
У н и в е р с а л ь н о с т ь ЭЦВМ позволяет использовать эти ма шины в самых различных областях науки и техники — решение математических задач, инженерно-технические расчеты, проекти рование конструкций, исследования теоретической физики, управ ление станком, организация производства, решение оперативно тактических и военно-инженерных задач, а также применять их в физиологии, медицине, экономике, лингвистике. Люди различных специальностей должны иметь представление об устройстве и воз можностях ЭЦВМ, чтобы установить совершенно четкое место электронных машин для решения актуальных проблем в своей ра боте. В настоящее время умение использовать вычислительные ма шины в решении практических задач характеризует техническую культуру специалиста.
На ЭЦВМ может быть достигнута любая т р е б у е м а я т о ч н о с т ь вычислений, так как она зависит лишь от количества раз рядов чисел, с которыми оперирует машина. Порядок представи
мых чисел в современных ЭЦВМ |
составляет |
10±19. При необхо |
димости этот диапазон может быть значительно расширен. |
||
Б ы с т р о д е й с т в и е м а ш и н |
достигает |
нескольких тысяч* |
миллиона операций в секунду. Чтобы яснее представить себе эту скорость, укажем, что опытный вычислитель обычными способами может выполнить лишь 2000—2500 операций в смену. Однако для> решения некоторых инженерно-технических задач даже такого быстродействия недостаточно, поэтому одной из тенденций в раз витии ЭЦВМ является дальнейшее увеличение скорости их работы.
Наличие п а м я т и составляет следующую отличительную осо бенность современных электронных вычислительных машин. В па мяти машины могут храниться исходные данные, итоги промежу точных вычислений, выходные результаты и программы работы ма шины. Память машины, наряду с другими ее устройствами, обеспе чивает автоматическое без вмешательства человека решение зада чи. Развитие и увеличение объема памяти составляет важное на правление, по которому идет развитие современных ЭЦВМ.
ЭЦВМ способны выполнять, кроме арифметических, и некото рые л о г и ч е с к и е о п е р а ц и и , в частности, — присваивать знак числу, сравнивать между собой величины, изменять направ ление счета в зависимости от результатов промежуточных вычис лений, выделять целую или дробную часть числа и т. п. Логиче ские возможности ЭЦВМ послужили основной причиной того, что электронные цифровые вычислительные машины так широко и стремительно вторгаются во многие области умственной деятель ности.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЦВМ
Перед рассмотрением структурной схемы ЭЦВМ остановимся на последовательности работы вычислителя по решению простей шей задачи.
6
Пусть требуется определить момент в ригеле обделки подземно го сооружения, выполненной в виде статически определимой пря моугольной четырехшарнирной рамы (рис. 1), нагруженной верти кальной q и боковой е равномерно-распределенными нагрузками.
Максимальный момент в ригеле определяется по формуле
М = |
дР |
(О |
|
8 ’ |
|||
|
|
||
где q — равномерно-распределенная вертикальная нагрузка; |
|||
I — расчетный пролет; |
|
|
|
8 — число. |
|
вручную необходимо |
|
Для решения данной задачи оператором |
иметь лист бумаги и вычислительный прибор. На листе бумаги
должна быть записана форму |
|
|
||||||||
ла |
(1) |
и значения входящих в |
|
|
||||||
нее величин |
q, |
I и 8 |
(назы |
niiinniVmiiiim |
|
|||||
ваемых |
в |
дальнейшем |
исход |
|
||||||
ными данными), а после про |
<| — |
— |
||||||||
изводства вычислений — вели |
|
|
||||||||
чина М |
(называемая |
выход |
|
1 ' |
||||||
ным результатом задачи). |
На |
-с |
||||||||
|
||||||||||
вычислительном |
приборе |
вы |
— |
|||||||
|
||||||||||
полняются |
простейшие ариф |
|
||||||||
|
|
|||||||||
метические действия. Порядок |
|
|
||||||||
этих действий и сами действия |
|
|
||||||||
на приборе осуществляет опе |
|
|
||||||||
ратор. |
рассмотрели |
элемен |
|
|
||||||
|
Мы |
|
|
|||||||
тарную задачу, чтобы нагляд |
Рис. 1 |
|
||||||||
но |
показать |
последователь |
|
|||||||
ность |
работы |
оператора |
при |
|
|
обычном ручном счете, так как эта последовательность сохраняется и при более сложных вычислительных работах.
Для того чтобы не объяснять оператору, в какой последователь ности необходимо производить вычисления для решения задачи можно в определенных условных обозначениях дать ему схему по следовательности расчетов или, как говорят, дать программу, кото рая после производства в строго определенной последовательно сти элементарных арифметических и логических действий привела бы от исходных данных к выходным результатам.
Программа 1, предназначенная для ручного счета, реализует вычисления по формуле (1).
Мы видим, что весь материал для решения задачи состоит из программного (колонки 1, 2, 3) и числового материала (колонки
4, 5, 6).
Программный материал или просто программа состоит из трех указаний, называемых командами. В данном случае все команды
7