Программные продукты и системы

Ввиду активного внедрения в практику реального проектирования компьютерных технологий многие прочностные, деформационные и другие виды расчетов выполняются с помощью вычис- лительной техники, в частности, персональных компьютеров. При этом наряду с лицензионными программными продуктами, аккредитованными и аттестованными по отраслям промышленности для выполнения тех или иных видов расчетов, используются авторские программные разработки, не имеющие государственной аттестации.

Использование таких программных разработок в практике реального проектирования некорректно по ряду причин. В частности, расчетная компьютерная программа для заказчика является, как правило, черным ящиком.

Действительно, практически любая из них, в том числе и лицензионная, как результат расчета выдает в основном только массив итоговых чисел с графической визуализацией. Например, программные комплексы «Лира» и SCAD при выполнении прочностных расчетов выдают значения напряжений, деформаций и перемещений в сечениях элементов конструкций и строят соответствующие графики [1]. Алгоритм и методика расчета, а также расчетные соотношения, как правило, скрыты и от заказчика расчета, и от инженера, выполняющего его.

Конечно, хорошие программные продукты имеют документированное сопровождение, где с той или иной степенью достоверности, часто достаточно подробно описываются используемые методики расчета, излагается алгоритм решения задачи, приводятся расчетные соотношения. Однако следует различать в программе расчетный блок и блок документированного сопровождения программы. У пользователя авторской компьютерной программы, как правило, нет возможности сопоставить используемые расчетные соотношения с итоговыми числовыми результатами, оценить методику и алгоритм расчета. Следовательно, возникают сомнения в достоверности результатов расчета.

Компьютерная программа разрабатывается автором, как правило, для решения определенного набора задач одного класса. После разработки алгоритма и его реализации в какой-либо системе программирования программа тестируется с целью выявления логических и технических ошибок. Опыт показывает, что количество тестовых задач значительно меньше, нежели возможности, заложенные в программу при ее разработке [2]. Более того, тестовые примеры являются, как правило, простыми, легко выполняемыми при ручном расчете, дабы исключить арифметические ошибки и описки. Естественно, что протестировать программу на все возможные случаи ее применения невозможно, учитывая, что авторскую программу часто разрабатывают для решения задач, не поддающихся ручному расчету. Это обстоятельство также сокращает степень достоверности результатов расчета с использованием авторской программной разработки.

Рис. 1

Вместе с тем любой расчет, выполненный без ошибок в ручном режиме и заверенный подписью расчетчика, принимается в практике реального проектирования к исполнению и использованию как достоверный. Это связано, видимо, с тем, что на бумаге инженер подробно излагает всю процедуру расчета с последовательной записью расчетных соотношений в соответствии с используемой методикой расчета. Это обстоятельство позволяет заказчику выполнить проверку проведенного расчета, оценить принятую расчетную схему конструкции, понять введенные гипотезы и допущения при выполнении расчета, согласиться или нет с выбранной методикой расчета.

Вполне понятно, что в настоящее время обойтись в проектировании без средств вычислительной техники нельзя. Авторские компьютерные программы как разрабатывались, так и будут разрабатываться и использоваться в расчетной практике. Для их узаконивания необходимо изменить подход к содержанию итоговых документов.

По нашему мнению, итоговые документы должны содержать не только результаты расчетов, но и всю процедуру расчета, описание методики расчета, принятые допущения, ограничения и гипотезы именно для конкретной решаемой задачи, список использованной литературы, нормативных, руководящих и методических документов со всеми необходимыми ссылками. Выводы и рекомендации должны быть обоснованы выписками из норм и правил проектирования.

Рис. 2

Безусловно, в таком случае значительно увеличится трудоемкость при разработке компьютерной программы. Однако это позволит более успешно и оперативно выполнять ее актуализацию, поскольку с течением времени меняются расчетные методики и уточняются используемые коэффициенты. И, кроме того, значительно упростится процедура лицензирования и аттестации авторского программного продукта.

В качестве примера в системе программирования Delphi под руководством автора была разработана компьютерная программа по расчету стропильной фермы заданной конфигурации и частично изменяемой геометрии [3]. Интерфейс программы представлен на рисунке 1.

Внешняя узловая нагрузка задается путем выбора кнопки «Расстановка сил». При этом на экране появляется форма, заполнение которой осуществляется включением соответствующей узловой силы , заданием ее значения и назначением направления, в котором она действует. Эта же форма используется для частичного изменения геометрии фермы путем задания ее высоты (h). Длина фермы l и длина ее панели ln будут, соответственно, пересчитаны, поскольку угол в 60о не меняется.

После заполнения экранная форма, представленная на рисунке 1, перерисовывается с добавлением узловых нагрузок (рис. 2).

Расчет фермы выполняется путем нажатия кнопки «Решение».

В этой программе для определения усилий в элементах фермы был реализован классический метод вырезания узлов. Результатом решения задачи являются усилия в элементах фермы.

Следуя принятому в настоящее время подходу к расчетным программным продуктам, итоговый документ содержал бы, в частности, исходные данные и таблицу усилий в элементах фермы.

I. Исходные данные:

1. Геометрия:

h=2.50 м

l(п)=h/cos(300)=2.50/cos(300)=2.89 м

l=3×l(п)=3×2.89=8.66 м

2. Нагрузки:

F(3)=-5.00 kH; F(4)=-5.00 kH; F(5)=-5.00 kH;

F(6)=2.00 kH; F(7)=2.00 kH;

3. Пояснение: В скобках указаны номера узлов.

В соответствии с предлагаемой концепцией итогового документа расчетной компьютерной программы содержание итогового документа в данной программе расширено и включает, кроме исходных данных и итоговой таблицы усилий в элементах фермы, всю процедуру расчета методом вырезания узлов.

I. Исходные данные (отображены в предыдущем подходе)

II. Определение опорных реакций:

åM(1)=0:

R(2)×l-F(3)×l(п)/2-F(4)×3l(п)/2-F(5)×5l(п)/2=0

R(2)=(F(3)×l(п)/2+F(4)×3l(п)/2+F(5)×5l(п)/2)/l=7.50 kH

åY=0:

R(1)+R(2)-F(3)-F(4)-F(5)=0

R(1)=-R(2)+F(3)+F(4)+F(5)=7.50 kH

åX=0:

H(1)+F(6) +F(7)=0

H(1)=-F(6)-F(7)=-4 kH

ПРОВЕРКА:

åM(3)=0:

R(1)×l(п)/2+R(2)×5l(п)/2–H(1)×h-F(4)×1l(п)-F(5)×2l(п)+

+F(6)×h+F(7)×h=-0.000006

                                        Решение

(Диаграмма знаков усилий и таблица усилий отражены в предыдущем подходе.)

Практическая реализация предлагаемого подхода к построению итогового документа расчетной компьютерной программы ввиду трудоемкости его программирования, скорее всего, возможна при разработке не универсальных вычислительных программных комплексов, а компьютерных программ для решения частных задач.

Литература

1. Методические рекомендации по применению вычислительного комплекса «Лира» для автоматизированного проектирования строительных конструкций. – К.: НИИАСС Госстроя УССР, 1984. – 24 с.

2. Методические рекомендации по использованию тестовых примеров вычислительного комплекса «Лира». – Там же, 1988. – 168 с.

3. Бакушев С.В. К вопросу об использовании авторских расчетных компьютерных программ в практике реального проектирования. // Тр. Междунар. науч.-технич. конф.: Современные информационные технологии. – ПГТА, 2007. – Вып. 5. – С. 86–89.