计算机的科学计算功能在工程领域中的应用

摘 要：本文就电子计算机的科学计算功能在工程领域的优越性进行了探讨,并列举了计算机科学计算功能在工程领域应用的实例.

关 键 词：计算机；科学计算；工程；Matlab

中图分类号：TP3

1工程领域应用计算机计算的必要性

工程是含义很广的词汇,它是科学和数学的一种综合应用,通过这种应用,可以把自然界的物质通过各种结构、机器、产品、系统等以最高的效率转化成人类所需要的物品,如建筑工程把砖瓦转化成各种房屋、道路桥梁等等,而机械工程把各种金属和化合物转化成为人们需要的各种机械.

工程的一大特点就在于高效.它需要用最短的时间最少的人力,以最高效率把自然界的物质转化为对人类有用的产品.另一特点就在于其可靠性,工程所产生的产品只有可靠、安全,才能够成为人们生产生活中的得力助手；反之,存在安全隐患的产品,不但不能对人类有所帮助,还有可能对人类的生命安全造成威胁.

随着科学技术的发展以及人们对工程产品要求的提高,原始的工程技术已经很难满足工程要求.例如在建筑工程中,普遍存在着高层化、规模化、大型化的趋势；而在机械工程中,对产品的精度、强度、刚度等要求都在不断提高.这些工程变化给工程计算带来了巨大的挑战,传统的计算方式,已经无法满足工程要求,因此,迫切需要一些新的计算工具.而电子计算机强大的计算功能,正是工程领域所需要的.

2计算机的科学计算功能应用于工程领域的优越性

2.1计算的高效性.1946年的2月14日,在美国的宾夕法尼亚大学问世的第一台电子计算机就以其超高的计算速度而震惊了世界.当时,这台重达28t的庞大机器的加法计算速度达到了每秒5000次,在当时人们的眼中,这显然已经是一个十分惊人的数字.而随着计算机技术的飞速发展,电子计算机的计算速度已经可以达到每秒万亿次,就算普通微机的计算速度每秒都能达到上亿次.这样的计算效率,使得很多复杂的计算问题得到解决.用传统计算方法几年几十年都无法完成的大型计算工程,应用计算机只需要几个小时就可以计算完成.可见,电子计算机超高的计算效率大大提高了现代工程的效率.

2.2计算的精确性和准确性.现代许多工程行业对工程精度的要求都非常高,有时候,看似十分微小的误差都有可能导致极大的工程隐患.在传统的计算方式中,依靠手动计算的精度很低,同时,由于现代工程庞大的计算量,很难保证工程计算时不会出现错误,这成为工程计算的一大问题.而现代计算机可以有几十位的二进制有效数字,相应的计算精度能够达到百万分之一甚至更高,这给高精度计算提供了前提.而电子计算机的计算大部分是靠计算机自身以固定的程序完成的,因此,计算机的计算结果不必担心其准确性.

2.3计算的便捷性.现代很多的计算机软件都收录了大量的函数.人们在使用大多数函数的时候只需要调用一下就能够使用已有的函数,非常方便.就算是有些数据库里不存在的少数函数或者方程,也只需要在计算时做一个编程就可以很方便地完成任务.而在很多的计算问题中,需要大量的方程、矩阵等等,用手写十分麻烦,而且计算也十分费时费力.但是使用一些合适的软件,就能够在输入方程、矩阵的形式后直接得到所要求的结果.而且输入的数据一目了然,一旦出现了输入错误,也很容易纠正.

3计算机的科学计算功能在工程领域中的应用实例

计算机的科学计算功能在工程中的应用体现在两个方面,一方面是纯数学计算应用,另一种是建立在工程模型基础上的应用.这两方面的应用,无疑都为工程建设提供了巨大的帮助.

3.1纯科学计算在工程领域中的应用.（1）MicrosoftEXCEL—很实用的数据处理软件.这款软件相信人们都不陌生,它是微软公司MicrosoftOffice办公软件中的标志性软件之一,基本功能是进行网格数据的采集和处理.但是,在这款软件内有很庞大的函数数据库,正常的函数计算都可以通过EXCEL来解决.这款软件掌握简单,操作便捷,在工程中进行数据的录入、存储和处理都十分方便.因此,一些简单的数据处理都可以应用EXCEL,是一款非常使用的软件.（2）MATLAB—强大的数学计算平台.MATLAB是由美国的MATHWORKS公司在1984年发布的一款强大的高级计算机语言,其全称是MATrixLABoratory（矩阵实验室）,顾名思义,这款软件在矩阵计算方面具有十分强大的功能,而这款软件研发的初衷也是为了方便矩阵的运算,但是随着其发展,人们发现将这款软件应用于工程计算可以取得非常好的效果.

MATLAB在同等级的计算机语言中,操作更为便捷,变成更加容易,功能更加强大,且有更强的可开发性,因而在工程中的应用十分广泛.首先,它能够很便捷地计算函数的收敛性.在很多工程计算问题中,求解是非常复杂多变的,而衡量计算问题正确性的一大标准就是函数是否收敛.但在验证函数收敛时,需要反复进行多次计算才能够得到最终的收敛性结果,这给工程师带来了极大的不便,而应用MATLAB只需要几行编程,就能够自动进行千万次的收敛性试验,很容易地解决了收敛的问题.另外,在需要处理大量矩阵问题的工程中,MATLAB同样起着十分重要的作用.在求解最优解的问题中,会出现很多庞大的矩阵,人工想要计算这些矩阵非常麻烦,而且由于其繁琐的形式,很容易出现计算错误.而应用MATLAB,只需要在平台上输入矩阵的形式,按照一定的程序进行计算就可以了.在程序正确的前提下,验证正确性只需要检验输入数据是否正确即可,这给工程带来了很大的方便.

3.2计算机科学计算功能基于工程模型的应用.现代工程已经告别了只依靠一张图纸进行工程的时代.由于现代工程对精度要求极高,所以需要先建立虚拟模型并进行力学计算,才能确保工程的质量.现代工程计算中常应用的是有限元法,这种方法是把一个模型通过网格划分成为若干个小的单元,并对小单元逐个求解最终得到想要的结果,网格划分地越密,计算精度就越高.

在计算机中应用有限元法的基本步骤是：按照预期设计在计算机中建立一个虚拟模型并给定相应的材料常数；对模型进行网格划分,把模型划分成许多的小单元；在模型上施加载荷和约束；进行求解；数据的后处理.经过这些步骤之后能够直观地得到所需要的结果.

在这一方面,ABAQUS的应用是十分广泛的,相比于ANSYS等其他工程软件,这款软件具有很大的优势：ABAQUS具有很强的兼容性,它不光能够依靠自身完成建模,同时也能够导入用AutoCAD、ANSYS等其他软件所建成的模型；ANSYS就建模来说并不是最优秀的一款软件,但是其在数据处理上的优势是很明显的,它能够进行模型的静态和动态分析,完成装配接触等操作,想比其他软件在数据处理方面更为强大.另外,ABAQUS还有草图功能,建模中出现的错误能够在草图中得到修正.而其强大的恢复功能保证了在突然断电、故障之后可以紧急存储,从而把损失降低到最小.

4结语

电子计算机强大的科学计算功能在工程领域的应用已经相当广泛,它已经在工程实际中证明了自己的价值.而在计算机发展脚步从没有放缓的今天,计算机的科学计算功能必然会更加强大,给工程带来的便利也会更多.现代工程要重视起计算机的作用,紧跟计算机发展脚步对计算方法进行更新,这样,才能保证工程的效率和质量.