1.6. Структура программ

Решение задачи проведения инженерных расчетов на ЭВМ – представляет собой процесс автоматического преобразования исходных данных в искомый результат в соответствии с заданным алгоритмом.

Основным в процессе реализации сформулированной задачи на ЭВМ является разработка алгоритма, однако перед этим необходимо выполнить следующие этапы:

- постановка задачи;

- построение математической модели;

- алгоритмизация. Алгоритмизация - это техника составления алгоритмов и программ для решения задач на компьютере;

- решение задачи на ЭВМ.

Укрупнено можно выделить следующие этапы подготовки задачи к решению на ЭВМ:

- математическая формулировка задачи;

- разработка алгоритма решения, включающая:

а) выбор метода вычислений;

б) разработку схемы алгоритма;

- составление программы на алгоритмическом языке.

Алгоритмом (применительно к ЭВМ) называется совокупность указаний-правил, определяющих последовательность арифметических и логических действий над исходными и промежуточными данными, приводящих к решению задачи и получению результатов вычислений.

Алгоритмы должны удовлетворять таким требованиям: точному установлению порядка действий; возможности с помощью одного алгоритма решать не только индивидуальную задачу, но и серию однотипных задач; формальности, т.е. возможности правильно составить программу, не вникая в физический смысл задачи.

При составлении алгоритма необходимо также учитывать ограничения, игнорирование которых приводит к срыву работы программы:

1) невозможность деления на нуль;

2) невозможность представления логарифмов нуля и отрицательных чисел;

3) отсутствие смысла при вычислении arcsin x и arcos x для |x| > 1; 

4) невозможность извлечения квадратного корня из отрицательного числа и т.д.

Алгоритм может быть представлен:

1) в виде последовательности формул;

2) в виде схемы алгоритма;

3) в виде программы на алгоритмическом языке.

Наиболее наглядным способом описания алгоритма является схема алгоритма, представляющая собой последовательность графических изображений (символов), соединенных линиями со стрелками, указывающими направление вычислительного процесса. За основное направление принято направление «сверху вниз» и «слева направо».

Внутри символов словами или с помощью формул указывают выполняемую функцию (ввод исходных данных, вычисление расчетных параметров, условие, изменяющее направление выполнения алгоритма). Большинство физических задач естественным образом сводятся к решению линейных уравнений.

Эти уравнения объединяются в одну большую линейную систему, которая может быть решена, если нужно вычислить неизвестные силы, действующие на различные детали КШМ. Некоторые из этих сил известны (например, вес деталей), и они образуют члены, которые переносятся в правую часть системы, так что система неоднородна. Таким образом, физические системы представляют собой определенную форму организации физических величин.

Формулирование, анализ и манипулирование с линейными системами уравнений представляют собой части процесса решения всех задач такого рода. Разработку методик инженерных расчетов при конструировании и теоретическом исследовании кузнечно-штамповочных машин следует начинать с подробного изучения задачи и построения схемы механизма или машины, которую будем называть расчетной моделью.

На практике наиболее часто будут встречаться следующие расчетные модели (схемы):

а) структурно-кинематические модели (схемы) механизмов;

б) динамические модели механизмов и машин, приборов;

в) расчетные модели деталей машин и приборов.

Структурно-кинематической схемой (моделью) механизма или машины называется условное изображение взаимосвязанных неподвижных и подвижных звеньев, выполненное в принятом стандартом масштабе длин с применением условных обозначений кинематических пар, буквенных наименований кинематических пар, указанием входных звеньев (обозначаются дуговыми или прямолинейными стрелками в зависимости от вида движения - вращательного или поступательного, совершаемого входными звеньями).

На структурно-кинематических моделях должны быть указаны исходные величины, достаточные для определения кинематических параметров (перемещений, скоростей и ускорений), передаточных функций звеньев известными методами. Динамической расчетной схемой механизма, машины или прибора называют условное изображение их жестких звеньев, упругих и диссипативных связей, для которых соответственно указывают приведенные массы и моменты инерции, параметры упругости (или жесткости) и параметры диссипации (рассеяния) энергии, а также скорости движения или передаточные функции.

Наконец, расчетной схемой деталей машин и приборов называют условное изображение рассчитываемого элемента (балки, вала и т.п.), на котором в условных обозначениях указывают эти элементы, виды опор (заделка, шарниры и др.), размеры длин и поперечных сечений элементов, действующие силы и опорные реакции.

Конечной целью решения практических задач, в частности анализа или синтеза (проектирования) механизмов является числовое, а не символическое представление параметров механизмов. Механизмы представляют собой многозвенные системы.

Для установления зависимости параметров положения и движения выходных звеньев от геометрических параметров механизма вводят в рассмотрение функции, отображающие это движение, к которым относят функции положений и перемещений звеньев, функции отношения скоростей различных порядков движения звеньев.

Расчет деталей кузнечно-прессовых машин выполняется по определенным этапам: выбор материала, определение допускаемых напряжений, определение предварительных размеров, проверка размеров по критериям прочности и т.д.

Каждый этап расчета оформляется в виде подпрограммы, что позволяет быстро составить основную программу для расчета какой-либо детали или целого узла.

САПР МП. Программы выполнены в рабочих книгах табличного процессора Microsoft Excel и характеризуются универсальной структурой рабочей книги, что предполагает не вмешательство конечного пользователя в ход вычислений, в связи с чем рабочая книга имеет следующую структуру (рис.10).

Рис. 10. Структурная схема рабочей книги Microsoft Excel

Математические модели, использующиеся в расчетных программах, с точки зрения пользователя представляют собой объект, характеризующийся именем модели, и средством связи и взаимодействия с другими моделями элементов в модели объектов.

С точки зрения разработчика математическая модель элемента представляет собой подпрограмму, написанную средствами табличного процессора Microsoft Excel. Основное назначение модели элемента заключается в выполнении проектировочных или проверочных расчетов с учетом особенностей проектирования того или иного узла кузнечно-штамповочной машины.