Методика та організація наукових досліджень

3.3. Застосування ЕОМ у теоретичних дослідженнях

Аналіз програмного забезпечення ЕОМ

Розв´язання науково технічних та математичних задач є однією з головних сфер застосування комп´ютера і здійснюється у таких напрямах:

- використання математичних пакетів (електронні таблиці Excel, пакети MathCad, Mathematica, Stat та ін.) для виконання математичних обчислень та графічних залежностей;

- створення спеціальних програм із застосуванням популярних мов програмування (C++, Visual Basic, Delphi).

Перший напрям не вимагає від науковця глибокого знання програмування і дозволяє сконцентруватися саме на розв´язанні відповідної математичної задачі, а не на програмуванні математичних функцій, які вже запрограмовані в пакеті. Великою перевагою математичних пакетів є можливість подати результати обчислень не тільки у числових значеннях, а й у вигляді графіків та діаграм.

Другий напрям вимагає досконалого знання мов програмування і використовується, здебільшого, для створення оригінальних програм для задач, які не розв´язуються за допомогою математичних пакетів. У першу чергу це стосується створення динамічних моделей реальних виробничих процесів з використанням елементів графіки та мультімедіа, які органічно вбудовуються у програму.

Серед існуючих математичних програм найпотужнішим математичним пакетом є MathCad, який відповідає запитам як інженера, так і науковця. Однією з найважливіших переваг пакета є реалізація принципу WYSIWYG, який означає, що все відображене на екрані буде надрукованим на папері. Згідно з цим принципом формули у програмі виглядають так само, як у математичних виразах.

Такій підхід до подання формул дозволяє уникнути помилок під час створення програми розрахунку. Система має зручну і досконалу графічну оболонку, яка надає користувачеві значну кількість інструментів для роботи з формулами, числами, графіками та текстом. У MathCad доступні декілька сотень операторів і логічних функцій, які призначені для числового і символьного розв´язання математичних задач різної складності. До цих функцій належать функції обчислення статистичних показників, показників регресивного аналізу, матричні обчислення та багато інших, які в першу чергу цікавлять науковців [71; 94].

Однією з багатьох унікальних розробок MathCad є досконала довідкова та навчальна система з прикладами, які можна не тільки вивчати та переглядати, а й безпосередньо використовувати для прискорення виконання складних обчислень. Усі приклади оформлені у вигляді електронних книг, а головною книгою можна вважати «Центр ресурсів», у якій наведено численні приклади розв´язання типових задач. Існує можливість створення, а також пошуку персональних електронних книг через Internet.

Деякі завдання наукових досліджень вимагають створення програм із застосування спеціальних сучасних середовищ програмування. Одним із таких середовищ є пакет об´єктно-орієнтовного програмування Delphi, який має досконалий і сучасний графічний інтерфейс, можливості приєднання та використання стандартних функцій Windows, підтримує роботу в локальних мережах, обмінюється даними з іншими програмами в процесі виконання.

Пакет Delphi побудований на нових засадах, пов´язаних з операційною системою Windows, об´єктно-орієнтовним програмуванням, технологією візуального проектування, використанням як готових стандартних компонент, так і розроблених користувачем і поміщених у бібліотеку. Завдяки цим якостям науковець може швидко і якісно розробляти програми для тих конкретних завдань, які виникають під час дослідження. Найефективнішим є розроблення складних технологічних процесів, які відрізняються ймовірнісним характером та недостатньо теоретично вивчені. Для дослідження таких процесів необхідно створювати комп´ютерні моделі, які б поєднували графічне зображення процесу, його математичний опис та динамічну зміну впродовж певного часу.

Використання можливостей Delphi й середовища Windows дозволяє:

- під час розроблення на екрані мати всі елементи керування майбутньою програмою;швидко створювати меню користувача;

- одержувати на екрані комп´ютера зображення, які ілюструють програму, вхідні й вихідні дані у вигляді дво- та тривимірних графіків;

- здійснювати імпорт графічних зображень із графічних редакторів замість програмування графіки;

- контролювати зміну вихідних параметрів упродовж роботи.

Програма COSMOS - це модуль аналізу методом скінченних елементів, який інтегрований у систему просторового моделювання Solid Works. Продукт розроблений американською фірмою Structural Research and Analysis Corporation (SPAC). COSMOS Works призначений для розв´язання задач механіки твердого тіла, яке знаходиться під дією деформацій, а також виявлення температурних деформацій. Програма використовує геометричну модель деталі або складальну одиницю, яка попередньо створюється в програмі Solid Works для формування розрахункової моделі [49].

Аналіз методом скінченних елементів починається з апроксимації досліджуваної області та поділу її на комірки сітки. Такі комірки називають скінченними елементами. У процесі розрахунку можна задати кількість і форму елементів. Під час апроксимації програма розв´язує систему рівнянь, яка описує напруження, що відповідає кожному вузлу сітки скінченних елементів. Результат виводиться на дисплей комп´ютера в графічному вигляді. Величина напруження в точці відповідає відтінкам кольорів на поверхні досліджуваної моделі деталі.

COSMOS Works може бути використаний для визначення розподілу напружень або температур у перерізах відповідних і навантажених деталей з інструментальних та конструкційних матеріалів.