книги из ГПНТБ / Бакиров Р.О. Применение современных электронных вычислительных машин при расчете и проектировании конструкций инженерных сооружений учебное пособие

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

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

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

иметь лист бумаги и вычислительный прибор. На листе бумаги

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

П р о г р а м м а 1

представляют собой лишь арифметические операции. Номера столбцов, в которых располагаются команда или число, будем на­ зывать адресами этих команд или чисел. Например, адрес команды

|4|Х |11 : «взять число, находящееся в столбце 4, и умножить

его на число, находящееся в столбце 1», равен 2. В состав каждой команды входит указание о том, какую операцию нужно произве­ сти, а также информация, указывающая над какими величинами

J

С ч е т н ы й п р и б о р

~ ~ 3 Г ~

Рис. 2

вычислителя: сначала он по программе определяет, какое действие и над какими адресами необходимо произвести 1\ далее по указан­ ным в команде адресам выбирает числовой материал 2 и при помо­ щи вычислительного прибора производит предписанное рассматри­ ваемой командой действие 3\ наконец, полученный результат за ­ писывает в определенном месте листа бумаги 4, отведенного для числового материала. Далее вычислитель выполняет следующую команду, и так до тех пор, пока не будет выполнена вся программа.

8

Итак, три характерных момента можно выделить в работе вы­ числителя: хранение информации, обработка информации и управ­ ление этой обработкой. Хранение информации осуществляется на листе бумаги. Обработка информации производится вычислитель­ ным прибором. Управление процессом вычисления целиком и пол­ ностью лежит на обязанности оператора и осуществляется им по заранее составленной программе.

Все эти три элемента являются также составными элементами любого автоматического вычислительного устройства, в частности, электронных цифровых вычислительных машин.

Структурную схему ЭЦВМ можно представить в следующем ви­ де (рис. 3). На рисунке показано, что машины имеют фактически

5

I

I

I

Р и с. 3

те же три основных элемента: запоминающее устройство (ЗУ), арифметическое устройство (АУ) и устройство управления (УУ).

Запоминающее устройство предназначено для хранения инфор­ мации (программы и числового материала). Современные машины имеют два вида ЗУ — оперативное (память) и долговременное (накопитель) запоминающие устройства. Память машины при ре­ шении задачи постоянно обменивается информацией между УУ и АУ, поэтому обычно имеет достаточно большое быстродействие. Объем памяти серийных машин составляет обычно 1024, 2048, 4096 чисел или команд. Долговременное запоминающее устройство служит для длительного хранения необходимой информации и при решении задачи на машине используется лишь периодически. В связи с назначением накопителей последние имеют значительно меньшее быстродействие, но достаточно большой объем. Накопи­ тели могут быть выполнены на магнитной ленте НМЛ, перфориро­ ванной ленте НПЛ, перфокарте ПФК и на магнитном барабане НМБ. Чтобы обеспечить увеличение скорости работы машины при решении задачи, АУ непосредственно связано лишь с оперативной

9