計(jì)算機(jī)的科學(xué)計(jì)算功能在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

李海霞　杜新

摘 要：本文就電子計(jì)算機(jī)的科學(xué)計(jì)算功能在工程領(lǐng)域的優(yōu)越性進(jìn)行了探討，并列舉了計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算功能在工程領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)例。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；科學(xué)計(jì)算；工程；Matlab

中圖分類號(hào)：TP3

1 工程領(lǐng)域應(yīng)用計(jì)算機(jī)計(jì)算的必要性

工程是含義很廣的詞匯，它是科學(xué)和數(shù)學(xué)的一種綜合應(yīng)用，通過這種應(yīng)用，可以把自然界的物質(zhì)通過各種結(jié)構(gòu)、機(jī)器、產(chǎn)品、系統(tǒng)等以最高的效率轉(zhuǎn)化成人類所需要的物品，如建筑工程把磚瓦轉(zhuǎn)化成各種房屋、道路橋梁等等，而機(jī)械工程把各種金屬和化合物轉(zhuǎn)化成為人們需要的各種機(jī)械。

工程的一大特點(diǎn)就在于高效。它需要用最短的時(shí)間最少的人力，以最高效率把自然界的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為對(duì)人類有用的產(chǎn)品。另一特點(diǎn)就在于其可靠性，工程所產(chǎn)生的產(chǎn)品只有可靠、安全，才能夠成為人們生產(chǎn)生活中的得力助手；反之，存在安全隱患的產(chǎn)品，不但不能對(duì)人類有所幫助，還有可能對(duì)人類的生命安全造成威脅。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)工程產(chǎn)品要求的提高，原始的工程技術(shù)已經(jīng)很難滿足工程要求。例如在建筑工程中，普遍存在著高層化、規(guī)?；?、大型化的趨勢(shì)；而在機(jī)械工程中，對(duì)產(chǎn)品的精度、強(qiáng)度、剛度等要求都在不斷提高。這些工程變化給工程計(jì)算帶來了巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的計(jì)算方式，已經(jīng)無法滿足工程要求，因此，迫切需要一些新的計(jì)算工具。而電子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，正是工程領(lǐng)域所需要的。

2 計(jì)算機(jī)的科學(xué)計(jì)算功能應(yīng)用于工程領(lǐng)域的優(yōu)越性

2.1 計(jì)算的高效性。1946年的2月14日，在美國的賓夕法尼亞大學(xué)問世的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)就以其超高的計(jì)算速度而震驚了世界。當(dāng)時(shí)，這臺(tái)重達(dá)28t的龐大機(jī)器的加法計(jì)算速度達(dá)到了每秒5000次，在當(dāng)時(shí)人們的眼中，這顯然已經(jīng)是一個(gè)十分驚人的數(shù)字。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度已經(jīng)可以達(dá)到每秒萬億次，就算普通微機(jī)的計(jì)算速度每秒都能達(dá)到上億次。這樣的計(jì)算效率，使得很多復(fù)雜的計(jì)算問題得到解決。用傳統(tǒng)計(jì)算方法幾年幾十年都無法完成的大型計(jì)算工程，應(yīng)用計(jì)算機(jī)只需要幾個(gè)小時(shí)就可以計(jì)算完成?？梢?，電子計(jì)算機(jī)超高的計(jì)算效率大大提高了現(xiàn)代工程的效率。

2.2 計(jì)算的精確性和準(zhǔn)確性?，F(xiàn)代許多工程行業(yè)對(duì)工程精度的要求都非常高，有時(shí)候，看似十分微小的誤差都有可能導(dǎo)致極大的工程隱患。在傳統(tǒng)的計(jì)算方式中，依靠手動(dòng)計(jì)算的精度很低，同時(shí)，由于現(xiàn)代工程龐大的計(jì)算量，很難保證工程計(jì)算時(shí)不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，這成為工程計(jì)算的一大問題。而現(xiàn)代計(jì)算機(jī)可以有幾十位的二進(jìn)制有效數(shù)字，相應(yīng)的計(jì)算精度能夠達(dá)到百萬分之一甚至更高，這給高精度計(jì)算提供了前提。而電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算大部分是靠計(jì)算機(jī)自身以固定的程序完成的，因此，計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果不必?fù)?dān)心其準(zhǔn)確性。

2.3 計(jì)算的便捷性。現(xiàn)代很多的計(jì)算機(jī)軟件都收錄了大量的函數(shù)。人們?cè)谑褂么蠖鄶?shù)函數(shù)的時(shí)候只需要調(diào)用一下就能夠使用已有的函數(shù)，非常方便。就算是有些數(shù)據(jù)庫里不存在的少數(shù)函數(shù)或者方程，也只需要在計(jì)算時(shí)做一個(gè)編程就可以很方便地完成任務(wù)。而在很多的計(jì)算問題中，需要大量的方程、矩陣等等，用手寫十分麻煩，而且計(jì)算也十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力。但是使用一些合適的軟件，就能夠在輸入方程、矩陣的形式后直接得到所要求的結(jié)果。而且輸入的數(shù)據(jù)一目了然，一旦出現(xiàn)了輸入錯(cuò)誤，也很容易糾正。

3 計(jì)算機(jī)的科學(xué)計(jì)算功能在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例

計(jì)算機(jī)的科學(xué)計(jì)算功能在工程中的應(yīng)用體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是純數(shù)學(xué)計(jì)算應(yīng)用，另一種是建立在工程模型基礎(chǔ)上的應(yīng)用。這兩方面的應(yīng)用，無疑都為工程建設(shè)提供了巨大的幫助。

3.1 純科學(xué)計(jì)算在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。（1）Microsoft EXCEL—很實(shí)用的數(shù)據(jù)處理軟件。這款軟件相信人們都不陌生，它是微軟公司Microsoft Office辦公軟件中的標(biāo)志性軟件之一，基本功能是進(jìn)行網(wǎng)格數(shù)據(jù)的采集和處理。但是，在這款軟件內(nèi)有很龐大的函數(shù)數(shù)據(jù)庫，正常的函數(shù)計(jì)算都可以通過EXCEL來解決。這款軟件掌握簡單，操作便捷，在工程中進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入、存儲(chǔ)和處理都十分方便。因此，一些簡單的數(shù)據(jù)處理都可以應(yīng)用EXCEL，是一款非常使用的軟件。（2）MATLAB—強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算平臺(tái)。MATLAB是由美國的MATH WORKS公司在1984年發(fā)布的一款強(qiáng)大的高級(jí)計(jì)算機(jī)語言，其全稱是MATrix LABoratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室），顧名思義，這款軟件在矩陣計(jì)算方面具有十分強(qiáng)大的功能，而這款軟件研發(fā)的初衷也是為了方便矩陣的運(yùn)算，但是隨著其發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)將這款軟件應(yīng)用于工程計(jì)算可以取得非常好的效果。

MATLAB在同等級(jí)的計(jì)算機(jī)語言中，操作更為便捷，變成更加容易，功能更加強(qiáng)大，且有更強(qiáng)的可開發(fā)性，因而在工程中的應(yīng)用十分廣泛。首先，它能夠很便捷地計(jì)算函數(shù)的收斂性。在很多工程計(jì)算問題中，求解是非常復(fù)雜多變的，而衡量計(jì)算問題正確性的一大標(biāo)準(zhǔn)就是函數(shù)是否收斂。但在驗(yàn)證函數(shù)收斂時(shí)，需要反復(fù)進(jìn)行多次計(jì)算才能夠得到最終的收斂性結(jié)果，這給工程師帶來了極大的不便，而應(yīng)用MATLAB只需要幾行編程，就能夠自動(dòng)進(jìn)行千萬次的收斂性試驗(yàn)，很容易地解決了收斂的問題。另外，在需要處理大量矩陣問題的工程中，MATLAB同樣起著十分重要的作用。在求解最優(yōu)解的問題中，會(huì)出現(xiàn)很多龐大的矩陣，人工想要計(jì)算這些矩陣非常麻煩，而且由于其繁瑣的形式，很容易出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤。而應(yīng)用MATLAB，只需要在平臺(tái)上輸入矩陣的形式，按照一定的程序進(jìn)行計(jì)算就可以了。在程序正確的前提下，驗(yàn)證正確性只需要檢驗(yàn)輸入數(shù)據(jù)是否正確即可，這給工程帶來了很大的方便。

3.2 計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算功能基于工程模型的應(yīng)用。現(xiàn)代工程已經(jīng)告別了只依靠一張圖紙進(jìn)行工程的時(shí)代。由于現(xiàn)代工程對(duì)精度要求極高，所以需要先建立虛擬模型并進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，才能確保工程的質(zhì)量?，F(xiàn)代工程計(jì)算中常應(yīng)用的是有限元法，這種方法是把一個(gè)模型通過網(wǎng)格劃分成為若干個(gè)小的單元，并對(duì)小單元逐個(gè)求解最終得到想要的結(jié)果，網(wǎng)格劃分地越密，計(jì)算精度就越高。

在計(jì)算機(jī)中應(yīng)用有限元法的基本步驟是：按照預(yù)期設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)虛擬模型并給定相應(yīng)的材料常數(shù)；對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，把模型劃分成許多的小單元；在模型上施加載荷和約束；進(jìn)行求解；數(shù)據(jù)的后處理。經(jīng)過這些步驟之后能夠直觀地得到所需要的結(jié)果。

在這一方面，ABAQUS的應(yīng)用是十分廣泛的，相比于ANSYS等其他工程軟件，這款軟件具有很大的優(yōu)勢(shì)：ABAQUS具有很強(qiáng)的兼容性，它不光能夠依靠自身完成建模，同時(shí)也能夠?qū)胗肁uto CAD、ANSYS等其他軟件所建成的模型；ANSYS就建模來說并不是最優(yōu)秀的一款軟件，但是其在數(shù)據(jù)處理上的優(yōu)勢(shì)是很明顯的，它能夠進(jìn)行模型的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，完成裝配接觸等操作，想比其他軟件在數(shù)據(jù)處理方面更為強(qiáng)大。另外，ABAQUS還有草圖功能，建模中出現(xiàn)的錯(cuò)誤能夠在草圖中得到修正。而其強(qiáng)大的恢復(fù)功能保證了在突然斷電、故障之后可以緊急存儲(chǔ)，從而把損失降低到最小。

4 結(jié)語

電子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能在工程領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，它已經(jīng)在工程實(shí)際中證明了自己的價(jià)值。而在計(jì)算機(jī)發(fā)展腳步從沒有放緩的今天，計(jì)算機(jī)的科學(xué)計(jì)算功能必然會(huì)更加強(qiáng)大，給工程帶來的便利也會(huì)更多?，F(xiàn)代工程要重視起計(jì)算機(jī)的作用，緊跟計(jì)算機(jī)發(fā)展腳步對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行更新，這樣，才能保證工程的效率和質(zhì)量。

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作者簡介：杜新（1975.11-），男，本科，通信工程師，藉貫：吉林長春，主研方向：數(shù)據(jù)通信；李海霞（1976.4-），女，大專，計(jì)算機(jī)工程師，藉貫：吉林長春，主研方向：計(jì)算機(jī)及應(yīng)用管理。

作者單位：長春市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，長春 130012；中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司長春市分公司，長春 130000