Пакеты прикладных программ реализующие МКЭ

Министерство образования и науки российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Омский государственный технический университет

Нижневартовский филиал

Кафедра «ЭТ»

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

на тему:

«Пакеты прикладных программ реализующие МКЭ»

 

по дисциплине:

«компьютерное моделирование в задачах электротехнологических систем нефТЕГАЗОВОГО ПРОИЗВОДСТВА»

 

Специальность 131000.62 «Нефтегазовое дело»

профиль подготовки «Электротехнологические установки и системы (добычи нефти и газа)»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Проверил:  ассистент кафедры «ЭТ»

Казанцев Даниил Дмитриевич

 

 

 

 

 

Нижневартовск 2015г.

Содержание

 

1. Пакеты прикладных программ реализующие МКЭ ………………………………………3
2. Метод конечных элементов (МКЭ)…………………………………………………………15
3. Идея метода   …………………………………………………………………………………15
4. Преимущества и недостатки…………………………………………………………………17
5. Системы анализа, основанные на методе   …………………………………………………17
6. Список использованной литературы  ……………………………………………………….19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пакеты прикладных программ реализующие МКЭ

Характеристика пакетов прикладных программ (ППП) общего назначения 
Прикладные программы предназначены для того, чтобы обеспечить применение вычислительной техники в различных сферах деятельности человека. Помимо создания новых программных продуктов разработчики прикладных программ большие усилия тратят на совершенствование и модернизацию популярных систем, создание их новых версий. Новые версии, как правило, поддерживают старые, сохраняя преемственность, и включают в себя базовый минимум (стандарт) возможностей.

Пакеты прикладных программ являются наиболее динамично развивающейся частью программного обеспечения: круг решаемых с помощью ППП задач постоянно расширяется. Во многом внедрение компьютеров практически во все сферы деятельности стало возможным благодаря появлению новых и совершенствованию существующих ППП.

Достижения в области микроэлектроники, приводящие к появлению более мощных по своим функциональным возможностям компьютеров, также являются причиной создания новых ППП. В свою очередь, необходимость улучшения характеристик использования пакета при решении конкретных задач пользователя стимулирует совершенствование архитектуры и элементной базы компьютеров и периферийных устройств.

Структура и принципы построения ППП зависят от класса ЭВМ и операционной системы, в рамках которой этот пакет будет функционировать. Наибольшее количество разнообразных ППП создано для IBM PC-совместимых компьютеров с операционными системами MS DOS и Windows. 

Каждая группа пакетов имеет свои           проблемы организации, трудности разработки  и  создания. Каждый пакет реализуется на конкретном языке программирования в соответствии с требованиями, предъявленными к  пакету, и возможностям языка. 

Один из возможных вариантов классификации программных средств, составляющих прикладное программное обеспечение. Как и почти всякая классификация, приведенная на рисунке, не является единственно возможной.

Текстовые редакторы (процессоры) - специальные программы, предназначенные для работы с документами (текстами), позволяющие компоновать, форматировать, редактировать тексты при создании пользователем документа. Обычно они включают в себя дополнительные функции по работе с блоками текста и объектами.

Настольные издательские системы (desktop publishing)  - программы, предназначенные для профессиональной издательской деятельности и позволяющие осуществлять электронную верстку широкого спектра основных типов документов, типа информационного бюллетеня, краткой цветной брошюры и объемного  каталога или торговой заявки, справочника.

Предусмотренные в пакетах данного типа средства позволяют: 

• компоновать (верстать) текст;
• использовать всевозможные шрифты и осуществлять полиграфические изображения;
• осуществлять редактирование текста на уровне лучших текстовых процессоров;
• обрабатывать графические изображения;
• обеспечивать вывод документов полиграфического качества;
• работать в сетях и на разных платформах. 

 

Наилучшими пакетами в этой области для ЭВМ являются: Corel Venture, PageMaker, QuarkXPress, FrameMaker, Microsoft Publisher, Illustrator for Windows и др. 

Графические системы - пакеты, предназначенные для обработки графической информации. 

Компьютерная графика в настоящее время является одной из самых динамично развивающихся областей программного обеспечения. Она включает в себя ввод, обработку и вывод графической информации - чертежей, рисунков, картин и т.д. - средствами компьютерной техники. Различные типы графических систем позволяют быстро строить изображения, вводить иллюстрации с помощью сканера или видеокамеры, создавать анимационные ролики.

Графические редакторы позволяют пользоваться различным инструментарием художника, стандартными библиотеками изображений, наборами стандартных шрифтов, редактированием изображений, копированием и  перемещением фрагментов по страницам экрана и др. 

Графические пакеты делятся на пакеты обработки растровой графики и изображений, и пакеты векторной графики.

Графические пакеты растровой графики предназначены для работы с фотографиями и включают в себя набор средств по кодированию фотоизображений и цифровую форму. Признанный лидер среди пакетов данного класса - Adobe Photoshop. Известны также пакеты Aldus Photo Styler, Picture Publisher, Photo Works Plus.

Пакеты для работы с векторной графикой предназначены для профессиональной работы, связанной с художественной и технической иллюстрацией с последующей цветной печатью (на рабочем месте дизайнеров, например), занимают промежуточное положение между пакетами для систем автоматизированного проектирования (САПР) и настольными издательскими системами.

Пакеты данного класса  в настоящее время обладают достаточно широким набором функциональных средств для осуществления сложной точной обработки графических изображений и включает в себя:

• инструментарий для создания графических изображений;
• средства выравнивания (по базовой линии и странице, по сетке, пересечению, ближайшей точке и т.п.);
• средства манипулирования объектами;
• средства обработки текста в части оформления и модификации параграфов, работы с различными шрифтами;
• средства импорта (экспорта) графических объектов (файлов) различных форматов;
• средства вывода на печать с соответствующей настройкой экранного  образа на полиграфическое исполнение;
• средства настройки цвета.

Своеобразным стандартом в этом классе является пакет CorelDraw. Можно также отметить такие пакет, как Adobe Illustrator, Aldus Free Hand, Professional Draw. 
Пакеты демонстрационной графики являются конструкторами графических образов деловой информации, призванные в наглядной и динамической форме представлять результаты некоторого аналитического исследования.

Работа с пакетами этого типа строится по следующей схеме: разработка общего плана представления, выбор шаблона для оформления элементов, формирование и импорт элементов, таких, как текст, графики, таблицы, диаграммы, звуковые эффекты и видеоклипы. Программы просты в работе и снабжены интерфейсом, почти не требующим дополнительного изучения. К наиболее популярным пакетам данного типа относится PowerPoint, Harvard Graphics, WordPerfect Presentations, Freelance Graphics.

Системы управления базами данных - предназначены для автоматизации процедур создания, хранения и извлечения электронных данных. Многие существующие экономические, информационно-справочные, банковские, программные комплексы реализованы с использованием инструментальных средств СУБД. 
Для различных классов компьютеров и операционных средств разработано множество СУБД, отличающихся по способу организации данных, формату данных, языку формирования запросов. Наиболее распространенными пакетами для ЭВМ типа IBM PC являются dBase, Paradox, MS Access, Oracle.

Интегрированные системы - по количеству наименований продуктов немногочисленная, но в вычислительном плане довольно мощная и активно развивающаяся часть программного обеспечения. 

Внимание к проблеме создания интегрированных систем объясняется как расширением сферы применения вычислительной техники, так и стремлением фирм-разработчиков программного обеспечения не "потерять" своих клиентов с переходом на более совершенные системы обработки данных.

Традиционные (или полносвязанные) интегрированные комплексы представляют собой многофункциональный автономный пакет, в котором в одно целое соединены функции и возможности различных специализированных пакетов, родственных в смысле технологии обработки данных на отдельном рабочем месте. Типичными представителями таких программ являются пакеты MS Word, Lotus Works и др.

В этих программах происходит интеграция функций редактора текстов, системы управления базами данных и табличного процессора. В целом стоимость такого пакета гораздо ниже суммарной стоимости аналогичных специализированных пакетов.

В рамках интегрированного пакета обеспечивается связь между данными, однако при этом сужаются возможности каждой компоненты по сравнению с аналогичным специализированным пакетом. Интерфейс более ранних программ был перегружен различными средствами обмена данными и описаниями среды работы, что требовало от пользователя определенных навыков и знаний в части переключения режимов пакета, форматов данных, принципов хранения и манипулирования различными типами данных, что, в конечном счете, снижало привлекательность пакетов. В современных пакетах (например, MS Word) этот недостаток изжит: простота интерфейса позволяет легко овладеть основными принципами работы.

В настоящее время активно реализуется другой подход интеграции программных средств: объединение специализированных пакетов в рамках единой ресурсной базы, обеспечение взаимодействия приложений (программ пакета) на уровне объектов и единого упрощенного центра-переключения между приложениями. Интеграция в этом случае носит объектно-связанный характер.

Типичным и наиболее мощным пакетом данного класса является MS Office. В профессиональной редакции этого пакета присутствуют четыре  приложения: текстовый редактор, СУБД, табличный процессор, программы демонстрационной графики. Целесообразность создания таких пакетов, очевидно, связана с желанием получить дополнительный эффект от интеграции по   отношению к простой сумме составляющих его компонент. Этот эффект должен достигаться за счет согласованного взаимодействия компонент в процессе работы пользователя. При традиционном подходе к интеграции программ этот выигрыш может быть легко сведен на нет отсутствием нужной пользователю функции, присутствующей в специализированном пакете, и необходимостью в пусть небольшом, но дополнительном обучении.

Особенностью нового типа интеграции пакетов является использование общих ресурсов. Здесь можно выделить четыре основных вида совместного доступа к ресурсам:

• использование утилит, общих для всех программ комплекса. Так например, утилита проверки орфографии доступа из всех программ пакета;
• применение объектов, которые могут находиться в совместном использовании нескольких программ;
• реализация простого перехода (или запуска) из одного приложения к другому;
• реализация, построенных на единых принципах средств автоматизации работы с приложением (макроязыка),  позволяет организовать комплексную обработку информации при минимальных затратах на программирование и обучение программированию на языке макроопределений.

Совместное использование объектов с несколькими приложениями - краеугольный камень современной технологии интеграции программ и манипулирования данными. Разработаны два основных стандарта в этой области:

1. динамической компановки и встраивания объектов Object Linking and Embedding OLE фирмы Microsoft;
2. OpenDoc (открытый документ) фирм Apple, Borland, IBM, Novell.

Механизм динамической компоновки  объектов дает возможность пользователю помещать информацию, созданной одной прикладной программой, в другой формируемый документ. При этом пользователь может редактировать информацию в новом документе средствами того продукта, с помощью которого этот объект был создан (при редактировании автоматически запускается соответствующее приложение). Запущенное приложение и программа обработки документа-контейнера выводит на экран "согласованное" меню, часть пунктов которого принадлежит одной программе, а другая часть - другой программе. 
В этой технологии предусмотрена также возможность общего использования функциональных ресурсов программ: например, модуль построения графиков табличного процессора может быть использован в текстовом редакторе.

Недостатком данной технологии является ограничение на размер объекта размером одной страницы.

OpenDoc представляет собой объектно-ориентрованную систему, базирующуюся на отрытых стандартах фирм-участников разработки. В качестве модели объекта используется распределенная модель системных объектов (DSOM-Distributed System Object Model), разработанная формой IBM для OS/2. Предполагается совместимость между OLE и OpenDoc.

Авторские системы представляют интегрированную среду с заданной интерфейсной оболочкой, которую пользователь может наполнить информационным содержанием своей предметной области. Такие авторские инструментальные системы разработчики создают по целевому назначению для специалистов в некоторой предметной области.

Экспертная система - это программа, которая ведет себя подобно эксперту в некоторой узкой прикладной области. Экспертные системы призваны решать задачи с неопределенностью и неполными исходными данными, требующие для своего решения экспертных знаний. 

Кроме того, эти системы должны уметь объяснять свое поведение и свое решение. Принципиальным отличием экспертных систем от других программ является их адаптивность, т.е. изменчивость в процессе самообучения.

Принято выделять в экспертных системах три основных модуля:

• модуль базы знаний;
• модуль логического вывода;
• интерфейс с пользователем.

Экспертные системы, являющиеся основой искусственного интеллекта, получили широкое распространение в науке (классификация животных и растений по видам, химический анализ), в медицине (постановка диагноза, анализ электрокардиограмм, определение методов лечения), в технике (поиск неисправностей в технических устройствах, слежение за полетом космических кораблей и спутников), в политологии и социологии, криминалистике, лингвистике и т.д.

Гипертекстовые системы. В последнее время широкую популярность получили программы гипертекстовой информации. Гипертекст - это форма организации текстового материала не в линейной последовательности, а в форме указаний возможных переходов (ссылок), связей между отдельными его фрагментами. В обычном тексте используется обычный линейный принцип размещения информации и доступ к нему осуществляется последовательно. В гипертекстовых системах информация напоминает текст энциклопедии, и доступ к любому выделенному фрагменту текста осуществляется произвольно по ссылке. Организация информации в гипертекстовой форме используется при создании справочных пособий, словарей, контекстной помощи в прикладных программах.

Расширение концепции гипертекста на графическую и звуковую информацию приводит к понятию гипермедиа. Идеи гипермедиа получили распространение в сетевых технологиях, в частности в Интернет-технологиях. Технология WWW (Word Wide Web) позволила структурировать громадные мировые информационные ресурсы посредством гипертекстовых ссылок. Появились программные средства, позволяющие создавать подобные Web-страницы. Стали развиваться механизмы поиска нужной информации в лабиринте информационных потоков.

Мультимедиа - это взаимодействие визуальных и аудиоэффектов под управлением интерактивного программного обеспечения. Появление и широкое распространение компакт-дисков (CD-ROM) сделало эффективным использование мультимедиа в рекламной и информационной службе, сетевых телекоммуникационных технологиях, обучении. 
Помимо программных средств компьютер при этом должен быть оборудован дополнительными платами, позволяющими осуществлять ввод-вывод аналоговой информации, ее преобразование в цифровую форму.

Среди мультимедиа-программ можно выделить две небольшие группы. Первая включает пакеты для обучения и досуга. Поставляемые на CD-ROMах емкостью от 200 до 700 Мбайт каждый, они содержат аудиовизуальную информацию по определенной тематике. Разнообразие их огромно, и рынок этих программ постоянно расширяется при одновременном улучшении качества видеоматериалов. Так, созданы и продаются электронные энциклопедии по отраслям знаний; электронные учителя в области иностранных языков, бизнеса, политики; деловые и авантюрные игры. 

Вторая группа включает программы для подготовки видеоматериалов для создания мультимедиа представлений, демонстрационных дисков и стендовых материалов. 
Организаторы работ.  Организаторы работ - это пакеты программ, предназначенные для автоматизации процедур планирования использования различных ресурсов (времени, денег, материалов) как отдельного человека, так и всей фирмы или ее структурных подразделений. Целесообразно выделить две разновидности пакетов данного класса: управления проектами и организации деятельности отдельного человека.

Пакеты первого типа предназначены для сетевого планирования и управления пакетами. Достаточно простые  и удобные в использовании, эти программные средства позволяют быстро спланировать проект любой величины и сложности, эффективно распределить людские, финансовые и материальные ресурсы, составить оптимальный график работ и проконтролировать его исполнение.

К пакетам данного типа относятся: Time Line, MS Project, CA-Super Project. 
Пакеты второго типа представляют собой своего рода электронных помощников делового человека. Такие пакеты, как Lotus Organizer, ACTI, выполняют функции электронных секретарей и предназначены для эффективного управления деловыми контактами. 
Системы автоматизации рабочего места (АРМ). Системы автоматизации рабочего места - это специальные программно-технические комплексы  обеспечения рабочего места оператора, диспетчера, конструктора, технолога и др., оснащенное средствами вычислительной техники для автоматизации процессов переработки и отображения информации, необходимой для выполнения производственного задания.

Автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) - автоматизированная система научных исследований, каждая из которых "привязана" к определенной области науки, ориентируется на достаточно узкую предметную область, но проникает в нее достаточно глубоко. 

АСНИ представляют собой программно-аппаратные комплексы, обрабатывающие данные, поступающие от различного рода экспериментальных установок и измерительных приборов, и на основе их анализа облегчающие обнаружение новых эффектов  закономерностей.

Блок связи с измерительной аппаратурой преобразует к нужному виду информацию, поступающую от измерительной аппаратуры. В базе данных хранится информация, поступившая из блока связи с измерительной аппаратурой, а также заранее введенная с целью обеспечения работоспособности системы. Расчетный блок, выполняя программы из пакета прикладных программ, производит все математические расчеты, в которых может возникнуть потребность в ходе научных исследований. Расчеты могут выполняться по требованию самого исследователя, или блока имитационного моделирования. При этом на основе математических моделей воспроизводится процесс, происходящий во внешней среде. 
Экспертная система моделирует рассуждения специалистов данной предметной области. С ее помощью исследователь может классифицировать наблюдаемые явления, диагностировать течение исследуемых процессов.

АСНИ получили широкое распространение в молекулярной химии, минералогии, биохимии, физике элементарных частиц и  многих других науках. 
К числу такого класса программ относится пакет MathCad - физико-математический пакет с включенной в последнюю версию системой искусственного интеллекта SmartMath, которая позволяет выполнять математические вычисления не только в числовой, но и в аналитической (символьной) форме.

Системы автоматизированного проектирования (САПР). Другая разновидность пакетов программ, связанная с обработкой графических  изображений. Они предназначены для автоматизации проектно-конструкторских работ в машиностроении, автомобилестроении, промышленном строительстве и т. п. 

В настоящее время САПР обозначает аппаратно-программный комплекс, поддерживающий процесс проектирования  с использованием специальных средств машинной графики, поддерживаемых пакетами программного обеспечения, для решения задач, связанных с проектной деятельностью. В совокупности развитая САПР представляет собой специализированную информационную систему.

Полная система САПР состоит из компонентов аппаратного и программного обеспечения. Общими компонентами аппаратного обеспечения системы САПР являются ЦП (центральный процессор), несколько рабочих станций, разделяемая между станциями периферия. 
Состав типичной системы САПР:

• дисплей;
• процессор;
• клавиатура;
• устройство управления курсором;
• электронный командный планшет;
• принтер. 
  

База данных, блок имитационного моделирования, расчетный блок и экспертная система выполняют функции, аналогичные функциям соответствующих блоков АСНИ. Вместо блока связи с измерительной аппаратурой САПР имеет блок формирования знаний. Проектировщик вводит в блок техническое задание на проектирование, в котором указаны цели, которые необходимо достичь при проектировании, и все ограничения, которые нельзя нарушить. Блок подготовки технической документации облегчает создание технической  документации для последующего изготовления изделия.

Пакеты САПР обладают набором инструментальных средств, обеспечивающих реализацию следующих основных функций:

коллективная работа в сети пользователей с пакетом;

экспорт-импорт файлов всевозможных форматов;

масштабирование объектов;

управление объектами в части их группировки, передвижения с растяжкой, поворота, разрезания, изменение размеров, работа со слоями;

перерисовка (фоновая, ручная, прерываемая);

управление файлами в части библиотек и каталогов чертежей;

использование разнообразных чертежных инструментов, позволяющих рисовать кривые, эллипсы, произвольной формы кривые, многоугольники и т.п., использование библиотеки символов, выполнение надписей и т. д.;

работа с цветом;

автоматизация отдельных процедур с использованием встроенного макроязыка.

Ярким представителем САПР является программа AutoCad фирмы Autodesk. 
Автоматизированные системы управления (АСУ). АСУ - это комплекс технических и программных средств, совместно с организационными структурами (отдельными людьми или коллективом), обеспечивающий управление объектом (комплексом) в производственной, научной или общественной среде. 

Цель разработки и внедрения АСУ - улучшение качества управления системами различных видов, которое достигается: 
- своевременным предоставлением с помощью АСУ полной и достоверной информации управленческому персоналу для принятия решений; 
- применение математических методов и моделей для принятия оптимальных решений. 
Кроме того, внедрение АСУ обычно приводит к совершенствованию организационных структур и методов управления, более гибкой регламентации документооборота и процедур управления, упорядочению использования и создания нормативов, совершенствованию организации производства. АСУ различают по выполняемым функциям и возможностям информационного сервиса.

АСУ подразделяют по функциям:

• административно-организационные (например, системы управления предприятием - АСУП, отраслевые системы управления - ОАСУ);
• технологические (автоматизированные системы управления технологическими процессами - АСУТП, в свою очередь подразделяющиеся на гибкие производственные системы - ГПС, системы контроля качества продукции - АСК, системы управления станками и линиями с числовым программным управлением);
• интегрированные, объединяющие функции перечисленных АСУ в различных комбинациях.

По возможностям информационного сервиса различают информационные  АСУ, информационно-советующие, управляющие, самонастраивающиеся и самообучающиеся. 
С появлением персональных компьютеров (ПК) и локальных вычислительных сетей основой программно-аппаратного обеспечения АСУ стали распределенные информационные системы в сети ПК с архитектурой клиент-сервер. Такие системы позволяют вести учет событий и документальных форм по месту их возникновения, полностью автоматизировать передачу информации лицам, ответственным за принятие решение, создавая таким образом, предпосылки для перехода к безбумажным комплексным технологиям управления, охватывающим все участки и подразделения предприятий и учреждений, весь производственный цикл.

Управление производством - сложный процесс, требующий согласованной деятельности конструкторов, технологов, производственников, экономистов, специалистов по снабжению и сбыту.

В задачи управления входят:

• разработка новых изделий;
• определение технологий изготовления изделий, проектирование оснастки;
• расчет пропускной способности оборудования, потребностей во всех видах ресурсов и производственной программы (плана);
• учет процесса производства, контроль за расходом комплектующих, сырья, ресурсов;
• расчет издержек производства и основных технико-экономических показателей (прибыли, рентабельности, себестоимости др.).

Многие задачи, с которыми приходится сталкиваться АСУП, оказываются не поддающимися четкой формулировке, их решение основывается на неформальных факторах (например, социально-психологический климат, стиль руководства). 
Цель внедрения любой АСУ:

• повышение эффективности принимаемых решений, особенно в части наилучшего использования всех видов ресурсов и сокращения потерь, достигаемых за счет обеспечения процесса принятия решений современной, полной и точной информацией, а также применения математических методов оптимизации;
• повышение производительности труда инженерно-технического и управленческого персонала (и его сокращения) за счет выполнения основного объема учетных и расчетных задач на ЭВМ.