Моделирование в научно-техническом исследовании

Компьютер, работающий по программе, способен моделировать самые различные процессы (например, колебания рыночных цен, рост народонаселения, взлет и выход на орбиту искусственного спутника Земли, химическую реакцию и т. д.). Исследование каждого такого процесса осуществляется посредством соответствующей компьютерной модели. Изучая на ЭВМ поведение модели, исследователь как бы испытывает саму природу (конструкцию, процесс), задавая ей вопросы и получая полные и достоверные ответы15 В процессе работы данные, полученные с помощью ЭВМ, подсказывают, какие эксперименты необходимо проводить и как именно следует видоизменять модель, чтобы она становилась более адекватной прототипу16.

При этом моделирование на современных мощных ЭВМ дает возможность учесть огромное количество взаимосвязанных переменных и позволяет объединять данные многих дисциплин. Этот метод позволяет не просто суммировать отдельные процессы, но и учитывать взаимодействие между ними. ЭВМ дает прогноз отдаленных последствий принятия различных альтернативных решений. Изучение поведения машинной модели помогает найти эффективные пути к достижению оптимального результата на оригинале.

В зависимости от математического аппарата, используемого при построении модели, и способа организации вычислительных экспериментов можно выделить три взаимосвязанных вида компьютерного моделирования: численное, статистическое и имитационное.

При численном моделировании для построения компьютерной модели используются методы вычислительной математики, а вычислительный эксперимент заключается в численном решении некоторых математических уравнений при заданных значениях параметров и начальных условий.

Статистическое моделирование – это вид компьютерного моделирования, позволяющий получать статистические данные о процессах в моделируемой системе17.

Имитационное моделирование – это вид компьютерного моделирования, для которого характерно воспроизведение на ЭВМ (имитация) процесса функционирования исследуемой сложной системы во времени. Большой интерес этот метод представляет для анализа и решения задач, не имеющих строгого аналитического описания. Он применяется, в первую очередь, при экспериментальном изучении динамических процессов и для учета случайных факторов. Подробнее на этом виде моделирования остановимся в главе 3 (п. 3.2) при рассмотрении его приложения к конкретной технической задаче.

Таким образом, обобщив все сведения о возможностях ЭВМ, можно сказать, что компьютерное моделирование позволяет достичь следующих целей18:

• гарантировать высокую эффективность применения вычислительной техники и основанных на ней средств информатики и автоматизации: САПР, АСУ и т. д.;
• исследовать такие системы, физическое моделирование которых экономически не оправдано или трудноосуществимо;
• исследовать перспективные системы (не существующие еще в реальности) на стадии их проектирования;
• исследовать труднодоступные объекты – удаленные в пространстве и во времени (например, моделирование атмосферы планет, моделирование процесса зарождения Вселенной);
• исследовать ненаблюдаемые объекты вследствие их размера и длительности существования (например, модели макро- и микромира);
• исследовать различного рода системы.

Благодаря высокому уровню развития ЭВМ компьютерное моделирование сегодня широко применяется в различных научно-технических исследованиях и составляет конкуренцию физическому моделированию.

 

2.4. Моделирование в технике.

“Виртуальная” реальность

 

Область применения моделей все время расширяется: в экономике, биологии, медицине, исторических и других общественных науках, т. е. в самых разнообразных процессах. Оказалось, что как правило, описание такого рода процессов  н е з а м к н у т о, в моделях присутствуют “свободные параметры” или функции, которые не определены. Другими словами, такие процессы должны управляться человеком и возникает проблема моделирования комплекса “человек-машина” с отражением в нем “модели человеческих функций”. Таким образом, сложность и комплексность объектов, которые могут изучаться методами моделирования в технике, практически не ограничены.

В последние десятилетия все крупные сооружения исследовались на моделях. Например, гидроэнергетические объекты (плотины, каналы, гидротурбины для таких станций как Волжская, Волгоградская, Братская, Красноярская ГЭС) исследовались на физических моделях, изображающих в уменьшенном масштабе эти грандиозные сооружения. Большое значение для сооружения электрических систем и дальних электропередач имели исследования их режимов на физических моделях, создаваемых в стадии проектирования и позволяющих проверить теоретические положения, лежащие в основе расчетов, и действие различных регулирующих устройств, аппаратуры, релейной защиты и т. д. При создании и совершенствовании межконтинентальных и космических ракет на физических моделях успешно проводились исследования аэродинамических свойств ракет, влияние ионизации воздуха впереди головной части ракеты и т. д.

Широко распространенные специальные модели, обычно выполняемые в виде сочетания физической и математической модели с натурными приборами, стали применяться для наладки приборов управления и тренировки персонала, управляющего различными сложными объектами. В первом случае эти модели стали называться - испытательными стендами, а во втором - тренажерами. Тренажеры применяются для обучения различного эксплуатационного персонала; особое значение они имеют при подготовке летчиков, космонавтов, подводников в экстремальных ситуациях и просто тренировке. В будущем тренажеры должны найти применение и при подготовке персонала для энергосистем.

            Обычно приборы и органы управления  в тренажерах сохраняются нормальными, применяемыми в практике. Например, тренажеры для летчиков воспроизводят у обучаемого все физические ощущения, связанные с полетом в любом направлении, подъемом, спуском.

Моделирование очень важно еще и для того, чтобы определить практику. Например, когда первая в мире электропередача 500 кВт только проектировалась - на модели уже была изучена ее работа, первый пассажирский сверхзвуковой самолет еще только создавался, а его будущие пилоты уже проводили тренировки по управлению машиной. “Водить” еще не построенный самолет учились на моделе-стенде. Он являлся копией кабины летчиков со всеми приборами, устройствами управления и связи. Имелся также пульт, с которого инструктор мог задавать условия “полета” и контролировать действия экипажа. Телевизионная аппаратура, магнитофоны, блоки имитации тряски предназначались для создания соответствующей “летной” обстановки. Мозгом модели-стенда являлась вычислительная машина, решавшая дифференциальные уравнения движения самолета.

Моделирование возможно и в военной сфере - это хорошо известные маневры, в которых моделируется применение оружия и взаимодействия с противником. Хотя, как указывается в19, окончательное принятие решения зависит от “гения” полководца.

В последнее время особое значение приобрело моделирование биологических и физиологических процессов. Так создаются протезы тех или иных органов человека, управляемые биотоками. Разрабатываются установки, моделирующие условия, необходимые для развития живых тканей и организмов.

Некоторые функции человеческого мозга и нервной системы моделируются с помощью специальных моделей (функциональных или, как их иначе называют, кибернетических). Не отражая внутренней структуры объекта, такие модели в определенных условиях воспроизводят его функции. Например, модели сердца и легких, выполняющие некоторые функции этих органов, применяются во время операций.

Большое развитие получает новая наука- бионика, в которой значительную роль играет кибернетическое - функциональное моделирование живых организмов, осуществляемое средствами современной электроники.

Использование компьютеров и соответствующих технологий обработки информации стало неотъемлемой и необходимой стороной работы физика, инженера, экономиста, эколога, проектировщика ЭВМ и т.д.

Изучение моделирования открывает широкие возможности для осознания связи информатики с другими науками.

Если виртуальную реальность использовать просто как средство коммуникации между участниками процесса проектирования, она позволит проектировщикам, специалистам по надежности систем, персоналу и другим специалистам обсуждать даже находясь в разных точках планеты, средствами Интернета, достоинства и недостатки проекта, используя виртуальную модель, как наглядное, трехмерное справочное пособие, которое можно как угодно перемещать в пространстве «гулять» по нему и т.д. Это неизбежно приведет к более ясному пониманию сути проблем и более скорой выработке решений по устранению потенциальных затруднений во время проектирования и производства любого изделия.20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.объект моделирования в моем исследовании

 

3.1. Выбор  метода исследования

 

Темой моей диссертационной работы является исследование совместной работы сборных и монолитных элементов каркаса. После выбора темы очень важным этапом в процессе научного исследования является выбор методов исследования, которые составляют инструментарий для получения фактического материала и выступают необходимым условием достижения поставленной цели.

При выборе методики исследований я руководствовалась особенностями современной науки, для которой характерно бурное появление новых отраслей знания, новых научных дисциплин, возникающих на стыках старых, рождение принципиально новых методов и принципов исследования.

Подробный и всесторонний анализ нынешнего этапа научно-технической революции, проведенный В.Н. Спицнаделем21, позволяет выделить такие особенности современного научного познания:

1. Дифференциация и интеграция в развитии науки, ее глубина и широта.
2. Приобретение современными науками все большей строгости и точности. Проникновение математики в различные области знаний.
3. Широкое использование вычислительной техники.
4. Чрезвычайное усложнение объектов и процессов.
5. Исследования объектов и явлений ведутся без предварительных их расчленений на обособленные части, а во взаимодействии всех их частей. Таким образом, объекты изучают как целое, лишь мысленно вычленяя те или иные его стороны. Изучение любых объектов современности предполагает системный подход к ним, в котором должны совместно участвовать представители различных наук.

На фоне перечисленных особенностей развития современной науки для исследования совместной работы различного вида конструкции в своей диссертационной работе я выбрала такие методы исследования как системный подход и компьютерное моделирование.

 

3.2. Объект  исследования – сложная конструктивная система. железобетонных элементов. Особенности моделирования.

 

В современной технике, природе и обществе мы, как правило, имеем дело с самыми различными системами. К их числу относится и рассматриваемая в диссертационной работе сложная конструктивная система22 «Сборно-монолитный каркас здания». Поэтому, согласно существующим нормам расчета и проектирования23, рекомендуется проводить расчет таких конструкций, учитывая взаимную работу всех элементов каркаса. С философской точки зрения здесь применим метод системного подхода. В последние три десятилетия такой подход к объектам исследования (в том числе к строительным конструкциям) становится очень актуальным, поскольку позволяет наиболее адекватно отразить действительность.

Исследование работы конструктивной системы «сборно-монолитного каркаса» будет проводиться путем проведения компьютерного моделирования на ЭВМ с использованием различных программных комплексов (ПК).

В настоящее время существует более сотни различных ПК, в той или иной степени ориентированных на расчет конструкций. Наиболее известны из них ПК Лира, ПК SCAD, Nastran, Ansys, Robot, Marc, Cosmos. Кроме этих существуют и специальные ПК, рассчитанные на решение именно строительных задач (например, МОНОМАХ).

Современные информационные технологии расчета и проектирования строительных объектов, основанные на быстро развивающихся технических платформах и операционных средах компьютеров, позволяют интенсивно совершенствовать расчетные схемы, повышая уровень их адекватности и степень корректности создаваемой модели. В настоящее время процедура моделирования строительных систем, как правило, реализуется на основе метода конечных элементов (МКЭ), позволяющего отразить и учесть при проектировании такие специфические моменты как24:

1. особенности совместного деформирования элементов сложных комбинированных систем, состоящих из стержней, пластин, оболочек, массивных тел и так далее;
2. особенности поведения под нагрузкой конструкций со сложной структурой (изменчивость механико-геометрических характеристик в пределах элемента, наличие ребер жесткости, опор и т. д.);
3. особенности, связанные с конструкцией узлов системы, как правило, характеризуемых различной податливостью при различных видах воздействий;
4. особенности, связанные с видом нагружений системы: статическое, динамическое, температурное и т. д.;
5. особенности, связанные с учетом процесса возведения, когда на отдельных этапах строительства может существенно меняться конструктивная схема сооружения (системы);
6. особенности, связанные с реологическими свойствами строительных материалов – пластичность, ползучесть, релаксация, усадка, а также трещинообразование, обуславливающие «приспособляемость» конструкций;
7. особенности учета, при необходимости, регулирования напряженно-деформируемого состояния отдельных конструктивов и системы в целом;
8. особенности эксплуатации алгоритмов оптимизации системы.

Современные программные комплексы позволяют выполнять также имитационное моделирование систем (см. п. 2.3). При этом имитируются элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением их логической структуры, последовательности протекания во времени, что позволяет получить информацию о состоянии системы в заданные моменты времени. Это очень важно при исследовании таких опасных процессов деформации зданий, поскольку это связано с жизнями людей и огромным материальным ущербом. По мнению Р. Шеннона «имитационное моделирование – один из самых мощных инструментов анализа, которыми располагают люди, ответственные за разработку и функционирование сложных процессов и систем… Оно дает возможность пользователю экспериментировать с системами (существующими или предлагаемыми) в тех случаях, когда делать это на реальном объекте практически невозможно или нецелесообразно»25. Имитационное моделирование позволит учесть случайные факторы. Кроме этого оно даст возможность как анализа, так и оптимизации и синтеза систем. Под имитационной моделью понимается система, имитирующая изучаемую ситуацию в искусственных условиях, анализируемую в натуральном или ускоренном масштабе времени. Таким образом, имитационное моделирование дает возможность предвидеть возможные реакции объекта на возмущения в различных ситуациях26.