24/7

online

+38 095 812 2046

+38 095 812 2046

innot needed textfoanother not needed text@dystlabdummy text.store

Друге життя методу сил або чому не варто нехтувати застарілими методами розрахунку

Рейтинг користувача: 5 / 5

Активна зіркаАктивна зіркаАктивна зіркаАктивна зіркаАктивна зірка
 

У сучасному кінематографі дуже популярні мотиви, коли технології майбутнього поєднуються з таємними знаннями минулого. Глядача інтригує і захоплює сюжет, в якому героям, незважаючи на фантастичну технологічність майбутнього, вдається вирішити проблему лише за допомогою стародавніх, давно забутих, іноді навіть напівмістичнх методів.

Фантастика — фантастикою, але в реальному житті повернення в минуле також іноді призводить до несподіваного і доволі ефективного вирішення проблем. Навіть в такій консервативній сфері, як інженерія.

Будущее и прошлое | Магазин для инженеров Dystlab Store

Єгипетські мотиви в к/ф "П'ятий елемент"

Незвичайний клієнт

Нещодавно до нас в Дистлаб надійшов незвичайний запит. Клієнт з Європи попросив розробити математичні моделі для розрахунку конструкцій, які можна було б запрограмувати у вигляді онлайн-калькулятора. Користувачами інтернет-ресурсу, який розвивав наш клієнт, були переважно будівельники (не інженери), тому мова йшла про максимально прості схеми — щоб все було зрозуміло людині без технічної освіти.

У будь-якого супергероя є слабкі місця

В сучасній інженерії для розрахунку практично всіх видів конструкцій (від космічних апаратів — до стадіонів) застосовують програмне забезпечення на основі МСЕ. Це глобальний тренд, який сповна виправдовує себе: використовуючи в роботі CAE, інженери отримують не тільки стабільно надійні результати, але і демонструють високі, передбачувані показники своєї праці.

Метод скінченних елементів — потужний, універсальний, ефективний метод будівельної механіки, якому під силу, мабуть, навіть найскладніші завдання математичної фізики. Це знає будь-який розраховувач. Однак не варто вважати, що сьогодні інженери зовсім не рахують "вручну". Аналітичні методи розв'язання досі застосовуються проектувальниками і конструкторами, хоча і значно рідше.

Але у МСЕ є серйозне обмеження. Цей метод має гостру потребу в матричній реалізації, а за великих обсягів обчислень — вимагає відповідних обчислювальних потужностей. Це дозволяє використовувати його практично на будь-якому сучасному комп'ютері, проте для онлайн-калькулятора (та через деякі інші фактори, пов'язані з веб-дизайном) його реалізація викликає цілу низку проблем.

Сильные и слабые стороны | Магазин для инженеров Dystlab Store

Не все йде за планом (кадр з к/ф "Перший месник: Громадянська війна")

Все нове — добре забуте старе

Завдання, яке поставив нам клієнт, зводилось до складання різних розрахункових схем з незначним числом змінних параметрів. Наприклад, один з таких наборів складався з нерозрізних балок: через інтерфейс на сайті користувач може вибирати кількість прогонів, "гратися" їх довжиною, ставити відповідні навантаження.

Вдалим рішенням такого завдання стало застосування одного з, здавалося б, застарілих методів будівельної механіки — методу сил, а також пов'язаного з ним рівняння трьох моментів. Допитливому читачеві нагадаю, що суть даного підходу полягає в перетворенні багатопрогонової балки в серію однопрогонових розрізних балок, тобто переходу від статично невизначеної системи до статично визначеної. Далі, для нової (віртуальної) конструкції складається відповідна система лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР), що виражає зв'язок кутів повороту і згинальних моментів на проміжних опорах. Проектувальнику залишається вирішити отриману систему рівнянь та знайти моменти у вихідній (нерозрізний) балці, а потім — інші фактори напружено-деформованого стану конструкції.

Інженерна робота "на стику" технологій

Звичайно, повністю без технологій автоматизації ми не обійшлися. Оскільки метод сил реалізується у вигляді СЛАР, тут логічно було використати матричний аналіз. Однак, технічне завдання чітко регламентоване — рішення має бути у вигляді простих математичних виразів.

Вихід нам "підказали" сучасні пакети комп'ютерної алгебри (Mathcad, Maple), які дозволяють отримати рішення системи рівнянь в замкнутому аналітичному вигляді, що і було застосовано в даному кейсі. На виході було отримано алгебраїчні вирази (формули) для всіх шуканих параметрів конструкції, які програмісти згодом без проблем перенесли в програмний код.

Таким чином, підхід, який фактично зник із сучасної розрахункової інженерної практики, виявився ефективним і чи не єдиним вирішенням означеного замовником завдання.

Аналітика в Mathcad | Dystlab Store

Як це було (скріншот з Маткаду)

Технічна освіта: ще одне поле битви

Під час читання цієї статті у Вас ймовірно виникло питання: чи часто виникають подібні завдання і чи потрібно заради них "з головою" занурюватися, наприклад, у вивчення будівельної механіки в студентські роки?

На обидва питання у мене є однозначна відповідь — ні, і я намагатимусь пояснити свою точку зору.

Коли на першому ж занятті ловиш себе на думці, що не туди потрапив(ла)...

Підготовка інженерів у сучасних будівельних вишах містить об'ємний блок фундаментальних дисциплін. Вища математика, теоретична механіка, опір матеріалів, будівельна механіка...

Ці дисципліни можуть тривати два-три роки — не менше половини терміну навчання студента в технічному вузі. На них спирається базова підготовка бакалавра (спеціаліста), але нерідко і магістранти також проходять спецкурси, пов'язані з математичною фізикою (наприклад, вивчають теорію коливань або методи оптимізації).

Програми фундаментальних дисциплін досить статичні і на деяких кафедрах можуть не змінюватися десятиліттями. Нерідко це породжує дискусії, в центрі яких — просте запитання: чи потрібне майбутньому інженеру вивчати складні теоретичні основи, виведення формул, докази теорем в такому обсязі, як це було 10, 20, 50 років тому? Чи є необхідність кожному сучасному студенту повторювати шлях вчених-першопрохідців, а також багатьох поколінь своїх попередників?

Техническое обучение | Магазин для инженеров Dystlab Store

Рейден нагадує героям, навіщо вони тут (кадр з к/ф "Смертельна битва")

Якщо навчальні дисципліни перевантажені науковими викладками і математичними розрахунками, вони можуть сильно демотивувати учнів — повідомляється у звіті ЮНЕСКО “Engineering: issues, challenges and opportunities for development“, який було опубліковано в 2010 р. як глобальне дослідження інженерної сфери в світовому масштабі.

Це — тонка і важлива межа: не перевантажити студента важкою для сприйняття інформацією, разом з тим — викласти матеріал в обсязі, якого буде достатньо для розуміння логіки розрахунку. З власного досвіду скажу, що це дуже непросто, і втратити мотивацію учня можна на будь-якому "крутому повороті" — при першому ж незрозумілому рівнянні.

Ми чуємо про проблему вже не перший рік, але реакція системи освіти не співвідноситься з частотою її обговорення в інженерному кластері. Все це має безпосереднє відношення до будівельної механіки. Очевидно, що увага, яку приділяють на пострадянському просторі вивченню "класичних" методів розрахунку (методу сил, методу переміщень, змішаного і комбінованого методів) не є відповідною до їхньої значимості у повсякденній роботі інженера — практики вже давно використовують у своїй роботі інші методи розрахунку (той же МСЕ).

Безумовно, вуз, окрема кафедра і, врешті-решт, кожен конкретний викладач визначають необхідний і достатній, на їхній погляд, обсяг знань для майбутнього інженера. Однак, в цьому процесі вкрай важливо орієнтуватися не на славетні традиції вузу (якими б славетними вони не були в дійсності) і не особисті уподобання викладача, а на поточний стан справ в інженерії і реальні потреби технічної галузі.

Наука (не)проти практики

Кожному методу розрахунку судилася своя унікальна роль в науково-технічному прогресі, і герой цієї статті — метод сил — був в лідерах доволі довго. Так, сьогодні він навіть не на "лаві запасних", а, скоріш, в статусі мудрого старійшини, до якого можна звернутися за порадою в скрутну хвилину. Це вельми почесний статус, і якщо на заняттях з будівельної механіки згадати про метод сил з цієї позиції — цього, мені здається, буде цілком достатньо.

Володіння ж цим та іншими базовими методами розрахунку на рівні їх практичного застосування не має носити масовий характер, як би того не хотіли викладачі технічних дисциплін. Малоймовірно, щоб інженер-проектувальник ЗБК або фахівець з оцінки міцності машинобудівної сфери почали застосовувати в своїй роботі метод сил — в тому числі через вимоги точності, ризик помилок, обмежений час (в світовій практиці час на розрахунок конструкції часто лімітується навіть не днями, а годинами) та ін. В абсолютній більшості випадків, практик просто не може дозволити собі таку "розкіш", як ручний метод розрахунку.

У зв'язку з цим, особисто мені здається цілком логічним переведення цих методів в розділ "історії будівельної механіки", в якому можна було б оглядово знайомити студентів з цією (надзвичайно важливою!) роботою, яку виконали вчені кількох попередніх епох, щоб дозволити сучасним інженерам малювати розрахункову схему прямо на екрані монітора. А вже більш серйозний аналіз залишити на розгляд магістрантам, аспірантам, докторантам — людям, які свідомо вирішили заглибитися у вивчення і розвиток науки.

Крім того, володіння такими методами в наші дні цілком може бути частиною експертизи невеликої категорії фахівців — високопрофесійних проектантів, інженерів-консультантів, інженерів-дослідників. До їхніх послуг вдаються в ситуаціях, які вимагають складного аналізу і нетривіальних (наукових) рішень.

У будь-якому випадку, вибір — за нами.


Віталій Артьомов, CEO Dystlab

Dystlab Store - магазин для инженеров

Онлайн-магазин для інженерів Dystlab Store. Купити готовий проект, скачати креслення, шаблон розрахунку. Професійний технічний контент для інженерів. Замовити розробку звіту, статті, науково-технічної документації.

Dystlab™ — торговельна марка, зареєстрована в Державному реєстрі свідоцтв України на знаки для товарів і послуг 26.02.2018, свідоцтво № 238304. Власник: фізична особа-підприємець Артьомов В. Є., ЄДРПОУ/ІНН: 3003314690

Viber / WhatsApp / Phone #1:
+38 095 812 2046

Telegram:
t.me/dystlab_store

innot needed textfoanother not needed text@dystlabdummy text.store

Запропонувати товар в магазин

Visa MasterCard | DS.Store

Visa MasterCard | DS.Store

© Copyright 2019 Dystlab™. Все права защищены

Search

Хочете дізнатися, як прискорити підготовку документації?