29. Понятие операционной системы. Семейства операционных систем

Что такое операционная система?

Все разнообразие ПО (программного обеспечения) по большому счету делят на системные и прикладные программы. Первая группа обеспечивает работу второй на имеющемся «железе» (процессоре, дисках, оперативной памяти, устройствах ввода вывода). Операционные системы (ОС) относятся к системному ПО. Одной из задач ОС является реализация алгоритмов работы с аппаратным обеспечением. Может возникнуть вопрос: зачем это нужно? Ведь если подумать, каждая прикладная программа может включать код, обеспечивающий обращение к «железу». Однако, это только бы усложнило жизнь программистам и раздуло бы ПО до больших размеров. И что самое грустное — в прикладных программах было бы много одинакового кода, отвечающего за реализацию низкоуровневых команд (обращений к железу). Кроме того, как решить проблему совместной работы разных программ на одном компьютере — еще один вопрос. Поэтому операционные системы и другое системное ПО вполне обоснованно занимают отведенную им роль посредника между прикладным ПО и аппаратным обеспечение компьютера.

Место операционной системы в логической структуре компьютера

Даже в своем историческом развитии операционные системы зародились именно как набор программ и библиотек для управления операциями ввода и вывода. Этими достаточно универсальными программами далее пользовались остальные программисты, которым уже не нужно было ломать голову как запрограммировать считывание данных с дискеты или вывод текста на принтер. Они просто вызывали функцию из подключенной библиотеки, а она делала всю работу (в ней уже был заложен код работы с физическими устройствами).

С течением времени операционная система все более усложнялась, на нее возлагали новые функции. Компьютеры становились мощнее, потребовалась одновременно запускать определенное множество программ на выполнение процессору. ОС стала решать задачи эффективного распределения ресурсов «железа» между работающими программами. С одной вычислительной машиной стали одновременно работать несколько пользователей. ОС стала следить за правами каждого и защищать данные. В результате современные ОС включают в себя множество различных функций.

По своему строению операционная система представляет комплекс программ и модулей. Выделяют понятие ядра операционной системы. Программное обеспечение ядра защищено от вмешательства пользователей и программистов. К ядру прикладные программы обращаются с помощью запросов на выполнение того или иного действия с аппаратным обеспечением. Эти запросы называются системными вызовами и представляют собой специальные команды.

Назначение операционной системы

Итак, операционная система выполняет две основные задачи:

облегчает (или даже предоставляет возможность) пользователям и программистам использование аппаратного обеспечения. Например, операционная система дает возможность абстрагироваться от того как на самом деле происходит обработка данных на жестком диске, а работать с понятием файла.

обеспечивает эффективное использование аппаратного обеспечения. Поскольку на современных вычислительных машинах одновременно запускаются далеко не одна программа, то ОС отвечает за распределение памяти, регистров процессора и др. между запущенными программами в каждый момент времени. ОС определяет оптимальное распределение этих ресурсов во времени (использование процессора программами по очереди) и пространстве (загрузка в разные части оперативной памяти разных программ).

ОС семейства Windows

операционная система Windows XP

На сегодняшний день наиболее популярными являются операционные системы семейства Windows, которые являются проприетарным (коммерческим) продуктом корпорации Microsoft.

Свою «родословную» Windows начинают от операционной системы DOS и первоначально представляли собой надстраиваемые над ней оболочки (Windows запускался из под DOS), увеличивающие возможности DOS и облегчающие неподготовленному пользователю работу с компьютером. Уже более поздние версии (начиная с Windows NT) представляли собой полноценные операционные системы.

Преимуществом Windows считается дружественный для пользователя интерфейс. Из недостатков отмечают ненадежность системы.

Unix-подобные ОС

Операционная система UNIX оказала большое влияние на развитие мира операционных систем, заложив основы работы современных ОС. Изначально UNIX был системой для разработки ПО. В основном в UNIX работали программисты (да и вообще в 70-е годы мало кто другой работал с вычислительными машинами).

UNIX развивался на нескольких фундаментальных идеях. Например, одна небольшая задача должна решаться одной небольшой программой, а сложные задачи должны быть решаемы комбинацией простых программ.

В UNIX большое внимание уделено распределению ресурсов компьютера между пользователями. Эта система является мультитерминальной (каждый пользователь работает с компьютером с помощью своего терминала).

Не смотря на то, что Unix-подобные системы уступают по популярности Windows, они работают на больших типах компьютеров.

Linux

операционная система AltLinux

Linux представляет собой множество Unix-подобных операционных систем (дистрибутивов), которые чаще всего являются свободно распространяемыми.

Одной из уникальных особенностей систем GNU/Linux является отсутствие единого географического центра разработки. Linux и программы для нее пишутся миллионами программистов, рассредоточенных по всему миру.

MAC OS

операционная система Mac OS

Это операционная система также создавалась на основе ядра UNIX.

Является продукт компании Apple для ее же компьютеров Macintosh.

Считается надежной и удобной. Но в отличие от Windows не так популярна.

30. Связь между геометрической моделью объекта и расчетом конструкции на прочность.

Создание современного оборудования на этапе проектирования не ограничивается его геометрическим моделированием. Без всестороннего инженерного анализа проектируемого объекта невозможно выпускать конкурентоспособную продукцию. Разработчики во всем мире трудятся над тем, чтобы их конструктивные решения обеспечивали статическую прочность и жесткость, достаточную долговечность, устойчивость и подходящие динамические характеристики, имея при этом минимальный вес, минимальную стоимость, минимальное энергопотребление. Оптимизация создаваемых конструкций является залогом их конкурентоспособности. Использование инструментов CAE-анализа позволит современным предприятиям создавать продукцию, не уступающую лучшим мировым образцам и даже их превосходящую.

Компания АСКОН, разработчик одной из самых популярных в России систем трехмерного моделирования КОМПАС-3D, и компания НТЦ АПМ, признанный эксперт в области систем конечно элементного анализа, объединили усилия для создания программного продукта, который помимо геометрического моделирования позволял бы выполнять комплексный инженерный анализ твердотельных деталей и сборочных единиц. В результате совместной работы в среде КОМПАС-3D появилась CAE-библиотека APM FEM, реализующая решения инженерных задач методом конечных элементов (МКЭ).

Раньше пользователи системы КОМПАС-3D вынуждены были использовать промежуточные форматы для передачи созданной в КОМПАС-3D геометрической модели в сторонние CAE-системы – в ущерб надежности.

Новая версия КОМПАС-3D V13 и APM FEM образуют цельную среду проектирования и анализа, обеспечивающую ассоциативную связь с геометрической моделью, единую библиотеку материалов и общий интерфейс (рис. 1).

Для каких деталей и сборок актуально использование APM FEM? В состав практически любого объекта входят тяги, проушины, упоры, кронштейны, уголки, рычаги, опорные элементы (рис. 2). Здесь важно БЫСТРО оценить прочность элементов с возможной оптимизацией конструкции, используя ассоциативную связь геометрической и расчетной моделей.

Общий как для геометрической, так и для расчетной модели интерфейс обеспечивает простоту и легкость работы с APM FEM. Все действия по созданию 3D-модели, подготовке ее к расчету и просмотру результатов осуществляются в едином окне.

CAE-система работает с геометрической моделью КОМПАС-3D V13 напрямую, что позволяет избежать передачи 3D-данных через сторонние форматы и тем самым снизить вероятность возникновения ошибок.

В состав APM FEM входят инструменты подготовки сборок к расчету, задания граничных условий и нагрузок, а также встроенные генераторы конечно-элементной сетки (как с постоянным, так и с переменным шагом), расчетные модули, постпроцессор и средства визуализации результатов расчетов в виде цветовых схем. Этот функциональный набор дает возможность смоделировать твердотельный объект и комплексно проанализировать поведение расчетной модели при различных воздействиях с точки зрения статики, собственных частот, устойчивости и теплового нагружения.

Порядок подготовки модели и выполнения расчета:

1. Подключение библиотеки APM FEM: Прочностной анализ. 2. Подготовка модели к расчету – задание закреплений и приложение нагрузки. 3. Задание совпадающих граней (для КЭ-анализа сборки). 4. Генерация КЭ-сетки. 5. Выполнение расчета. 6. Просмотр результатов в виде карт напряжений, перемещений.

Процедуры расчета в FPM FEM построены на базе метода конечных элементов. Поэтому в расчетных моделях могут быть учтены практически все особенности конструкций и условий их эксплуатации.

Условия функционирования конструкции реализуются посредством различных типов нагрузок и закреплений:

- равномерно распределенное давление к поверхностям трехмерной модели - равномерно распределенная сила по грани или ребру (рис. 3) - удельная сила по площади - нагрузки, действующие на всю конструкцию в целом, – линейное и угловое ускорение – нагрузки в виде равномерно распределенной температуры к ребру, поверхности и узлу - закрепление ребер или граней 3D-модели по направлениям осей глобальной системы координат (рис. 4) - смещение выбранных ребер или граней на заданную величину (с помощью инструмента закрепления).

Генерация КЭ-сетки в APM FEM осуществляется в автоматическом режиме с использованием таких параметров, как Максимальная длина стороны элемента, Максимальный коэффициент сгущения на поверхности и Коэффициент разрежения в объеме. В качестве конечных элементов используются тетраэдры, и одним из наиболее важных этапов создания КЭ-сетки является правильный выбор размера тетраэдра – максимальной длины стороны элемента. Практически длина стороны элемента должна быть примерно в 2–4 раза меньше толщины самой тонкой детали в сборке.

Максимальный коэффициент сгущения на поверхности – величина, характеризующая, во сколько раз при адаптивной разбивке будут уменьшены размеры конечных элементов, т. е. ограничение на минимальную сторону треугольника на поверхности. Коэффициент разрежения в объеме – степень уменьшения стороны тетраэдра при уходе в глубь объема твердотельной модели. Чем меньше – тем более одинаковыми становятся слои конечных элементов. Использование данных параметров позволяет сетке «адаптироваться» к сложной твердотельной модели в автоматическом режиме (рис. 5). Параметры КЭ-сетки в  APM FEM одинаковы для всех деталей, входящих в сборку.

Если перед выполнением расчета сборки совпадающие грани не были заданы, то система выполнит их поиск автоматически. При этом совместными будут считаться перемещения по всем трем осям глобальной системы координат. Прочностной анализ в APM FEM позволяет решать линейные задачи:

- напряженно-деформированного состояния (статический расчет) - статической прочности сборок - устойчивости - термоупругости - стационарной теплопроводности.

Динамический анализ позволяет определять частоты и формы собственных колебаний, в том числе для моделей с предварительным нагружением.

Результатами расчетов являются:

- распределение эквивалентных напряжений и их составляющих, а также главных напряжений - распределение линейных, угловых и суммарных перемещений - распределение деформаций по элементам модели - карты и эпюры распределения внутренних усилий - значение коэффициента запаса устойчивости и формы потери устойчивости - распределение коэффициентов запаса и числа циклов по критерию усталостной прочности - распределение коэффициентов запаса по критериям текучести и прочности - распределение температурных полей и термонапряжений · координаты центра тяжести, вес, объем, длина, площадь поверхности, моменты инерции модели, а также моменты инерции, статические моменты и площади поперечных сечений - реакции в опорах конструкции, а также суммарные реакции, приведенные к центру тяжести модели.

Карты напряжений позволяют наиболее точно проанализировать работу узла под действием нагрузки, выявить концентраторы напряжений, оценить жесткость конструкции (рис. 6).

Ассоциативная связь между геометрической и расчетной моделями обеспечена: при внесении изменений в геометрическую модель, редактировании закреплений или нагрузок достаточно всего лишь выполнить перестроение сетки и повторить расчет.

APM FEM – это простое и недорогое решение, которое позволяет проводить оценку прочности элементов конструкции без приобретения дорогостоящей полнофункциональной CAE-системы.

31. Метод конечных элементов (МКЭ) — численный метод решения задач прикладной физики. Метод широко используется для решения задач механики деформируемого твёрдого тела, теплообмена, гидродинамики и электродинамики.

МКЭ основан на идее аппроксимации непрерывной функции (в физической интерпретации - температуры, давления, перемещения и т.д.) дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей, называемых конечными элементами. Исследуемая геометрическая область разбивается на элементы таким образом, чтобы на каждом из них неизвестная функция аппроксимировалась пробной функцией (как правило, полиномом). Причем эти пробные функции должны удовлетворять граничным условиям непрерывности, совпадающим с граничными условиями, налагаемыми самой задачей. Выбор для каждого элемента аппроксимирующей функции будет определять соответствующий тип элемента.

С точки зрения вычислительной математики, идея метода конечных элементов заключается в том, что минимизация функционала вариационной задачи осуществляется на совокупности функций, каждая из которых определена на своей подобласти.

Общий алгоритм статического расчета МКЭ

В принципе общий алгоритм расчета МКЭ сводится к последовательности шагов (матричных операций), в результате выполнения которых определяются необходимые параметры решения задачи (перемещения, деформации, напряжения). На практике расчеты по МКЭ всегда выполняются с применением компьютерных технологий, реализующих известные матричные формулы и выражения для получения промежуточных и конечных результатов.

Ниже приведены основные этапы статического расчета конструкции МКЭ.