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

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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

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

 

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