Чи може людина обійтися без розрахунків? У наші дні таке складно собі уявити. Тим більш, коли мова йде про життя в цивілізації.

Цифри оточують нас від самого народження. Вміння рахувати — мабуть, одна з найбільш важливих навичок, що забезпечує нам комфортне перебування в сучасному середовищі. Але в інженерному світі розрахунки відіграють особливу роль. Витримає деталь навантаження чи зруйнується? Встоїть конструкція під дією вітру, чи перекинеться? Чи прогнеться плита перекриття в будинку (якщо так, то наскільки)? Ці та інші питання інженери всього світу ставлять собі щодня.

Як автоматизувати розрахунки?

Завдання автоматизації математичних розрахунків і обчислень походить з витоків людської цивілізації, до появи перших рахункових пристроїв — абака, соробану та інших елементарних пристосувань. Проривним моментом в цьому процесі можна вважати появу електронних обчислювальних машин (ЕОМ) і калькуляторів, що працюють на напівпровідниках.

В наші дні практично всі інженерні розрахунки проводяться із застосуванням комп'ютерної техніки. При цьому, сфера розробки інженерного програмного забезпечення відокремилася в окрему індустрію, яка працює на стику різних науково-технічних знань і дисциплін — математики, фізики, електроніки, програмування. Цей міждисциплінарний підхід в повній мірі поєднує в собі ідеї STEM (science, technology, engineering, mathematics).

Програми для інженерних розрахунків

Наступна діаграма не претендує на вичерпне пояснення, але дає загальне уявлення про розмаїття розрахункових програм.

Як бачимо, вибір того чи іншого розрахункового ПЗ визначається, в першу чергу, завданнями, які стоять перед інженером.

Системи автоматизованого проектування

Системи автоматизованого проектування прийнято ділити на три основні типи: CAD, CAE, CAM.

Безпосередньо розрахунковим програмним забезпеченням вважаються CAE-пакети, хоча розрахункові модулі нерідко інтегруються і в CAD, і в CAM-програми (наприклад, AutoCAD вміє обчислювати масові і геометричні характеристики тіл і пласких фігур).

Розрахункові САПР засновані переважно на методі кінцевих елементів. Вони застосовуються для вирішення наступних завдань:

• статичний розрахунок (визначення параметрів напружено-деформованого стану конструкцій)
• динамічний розрахунок (модальний аналіз, гармонійний аналіз, розрахунок системи в тимчасовій області, аналіз стійкості, розрахунок на ударні впливи)
• розрахунок на прогресуюче обвалення, сейсміку, особливі умови
• моделювання взаємодії системи з рідинами, газами (завдання гідрогазодинаміки, аеропружності та ін.)
• моделювання електромагнітних та інших фізичних явищ і процесів

Типовими представниками САПР класу CAE є Ansys, Nastran, Autodesk Robot Structural Analysis Professional, Midas Civil, Scad Office, Lira, SOFiSTiK, STAAD.Pro, SAP2000, RFEM, Comsol та ін.

Електронні таблиці та програми для аналізу даних

Табличний формат використовується всюди, де є необхідність зібрати і проаналізувати дані одного або декількох подібних типів. Це можуть бути результати натурних випробувань (наприклад, отримані з датчиків або реєстраторів), розрахункова інформація з САПР, вихідні дані для матричних обчислень тощо.

В інженерній сфері для подібних розрахунків зручно застосовувати електронні таблиці — спеціалізоване програмне забезпечення у вигляді табличного поля, забезпеченого розрахунковим функціоналом. Завдяки інтуїтивно зрозумілій структурі, електронні таблиці нерідко використовують для підготовки технічних звітів і пояснювальних записок в різних технічних галузях. Ось приклад проекту, реалізованого в Google Spreadsheet:

Таблиці Google безкоштовні для власників Гугл-аккаунта, що робить цей продукт, безсумнівно, привабливим рішенням. Іншим популярним програмним забезпеченням в світі електронних таблиць є Excel з пакету Microsoft Office або Office 365 (програма платна).

Крім того, існує цілий ряд програм, націлених на аналіз даних і статистичні розрахунки, як-от Origin. Ці програми нерідко мають унікальні функції, яких немає у "класичних" електронних таблиць (наприклад, бібліотеки з функціями трендів, прогнозування, усереднення даних, розширеним функціоналом щодо згладжування графіків тощо).

Та не дивлячись на очевидну зручніть електронних таблиць, затосовувати їх для інженерних розрахунків потрібно з обережністю, адже такий підхід містить в собі приховані проблеми.

Математичні пакети для інженерних розрахунків

Це окрема категорія програмного забезпечення, яке застосовується вченими та інженерами для виконання різних математичних розрахунків.

Такі програми здаті до певної міри наблизити користувача до "паперових" обчислень. Інтерфейс цих програм часто нагадує нам звичний аркуш паперу, на якому ми пишемо формули, а самі обчислення програма виконує автоматично. Так працює широко відомий Mathcad:

До цієї ж категорії можна віднести пакети так званої "комп'ютерної алгебри". Крім звичних обчислень, їх використовують, щоб:

• отримати рішення в аналітичному вигляді (наприклад, у вигляді формули)
• спростити або якимось чином перетворити обчислення (найпростіший приклад: sinαcosβ ± cosαsinβ = sin (α ± β))

Комп'ютерна алгебра реалізується в онлайн-сервісах WolframAlpha, десктопній програмі Maple та ін.

Варто зазначити, що математичні програми останніх поколінь багато в чому є універсальним, багатофункціональним програмним забезпеченням, оскільки дозволяють вирішувати інженерні завдання з різноманітних галузей і сфер людської діяльності. Можливості таких програм виходять далеко за рамки "просто обчислень", надаючи інженеру потужні інструменти для розв'язання задач математичної статистики, теорії ймовірності, диференціального й інтегрального числення, теорії графів і автоматів, матричної алгебри, роботи з графіками і багато іншого. Це мультизадачні пакети, в буквальному сенсі "на всі випадки життя".

З огляду на це варто відзначити MATLAB від компанії MathWorks — не просто програму для інженерних розрахунків, а справжній "комбайн" для моделювання, симуляції, аналізу даних. Dystlab також мають власну розробку в цій області — програмне забезпечення TechEditor, за допомогою якого можна оформляти технічну документацію, виконувати інженерні розрахунки і навіть розробляти власні міні-програми:

Автоматизація інженерних розрахунків. Скрипти та API

Та незважаючи на очевидні плюси (наприклад, щодо обчислювального потенціалу), подібні програми можуть і відлякати непідготовленого інженера.

Справа в тому, що розрахунки в професійному математичному софті організовуються за принципом скрипта або коду, тобто програмуються. Мови математичного моделювання багато в чому схожі на традиційні мови програмування, проте в кожній конкретній програмі присутні свої особливості. Чи є це суттєвою проблемою? На мій погляд — зовсім ні, бо сучасний інженер вже неминуче стикається з автоматизацією в тому чи іншому вигляді.

Саме тому розробники інженерного ПО намагаються забезпечити свою продукцію мовами програмування і засобами скриптизаціі. Наприклад, Автокад (повна його версія) підтримує діалект мови програмування LISP під назвою AutoLISP, а Tekla Structures — Tekla Open API, що суттєво розширює можливості "ручного" діалогового режиму взаємодії програми з користувачем. У зв'язку з активним розвитком BIM-технологій, набирає популярність графічне програмування (тут варто згадати Dynamo, Grasshopper), в основі яких лежить скриптизація із застосуванням мов програмування C++, Visual Basic, Python. Згаданий вище TechEditor підтримує мови програмування Pascal і Basic, а також формульну розмітку LaTeX.

Отже, за допомогою скриптів інженер може:

• автоматизувати рутинні, повторювані операції;
• визначити, яким чином додатку слід реагувати на зміну параметрів;
• запускати ланцюжки повторюваних процесів (наприклад, в задачах оптимізації) тощо.

Онлайн чи десктоп? За та проти

Визначимо основні переваги та недоліки десктопних і онлайн-версій інженерного програмного забезпечення.

"Коробкова" версія програми для інженерних розрахунків

Основною перевагою такої версії є те, що програму можна використовувати без підключення до Інтернету. Установка відбувається як завжди, за допомогою програми-інсталятора.

Розробники нерідко випускають переносні (portable) версії своїх продуктів. Це дозволяє запускати їх без інсталятора, безпосередньо з носія даних (жорсткого диска або навіть флешки). Наприклад, TechEditor має і окремий інсталятор, і портативний варіант запуску.

Варто визнати, що в кількісному відношенні софт для інженерів представлений сьогодні переважно в десктопних версіях. Це пояснюється просто: Інтернет і мобільні технології істотно молодше персональних комп'ютерів і практично всі технологічні рішення спочатку створювалися для персональних ЕОМ. Тому для багатьох інженерних програм на сьогоднішній день найбільш функціональними є саме десктопні версії. Як буде завтра — покаже час.

Онлайн-калькулятори та сервіси для розрахунку онлайн

Ця категорія програмного забезпечення останнім часом стрімко набирає популярність.

Головною перевагою інженерних онлайн-калькуляторів є те, що вони доступні з браузера — а тому, фахівець не потребує жодного додаткового софта. Якщо Ваш пристрій підключено до Інтернету, то скористатися онлайн-калькулятором, в принципі, не важко; як і більшість інших онлайн-сервісів, вони досить невибагливі до ресурсів і нормально працюють практично на всіх пристроях, включно з мобільними (смартфони, планшети).

Часто інженери запитують: в яких випадках краще застосовувати програмний розрахунок, а коли достатньо скористатися онлайн-калькулятором? Для відповіді на це питання, Вам доведеться проаналізувати такі фактори:

1. Чи здатний онлайн-калькулятор вирішити Вашу задачу (врахувати всі основні вимоги до проекту)?
2. Якщо функціоналу калькулятора виявиться недостатньо, як Ви будете діяти?
3. Яка математична модель закладена до калькулятору? Наскільки детально вона задокументована?
4. Чи залежить швидкість, точність роботи онлайн-калькулятора від параметрів мережі, сервера, браузера та ін.?
5. Чи довіряєте Ви розробникам онлайн-калькулятора?

Якщо онлайн-сервіс, який Ви плануєте використовувати для своїх інженерних розрахунків, відповідає зазначеним критеріям — ймовірно, він стане Вам у нагоді.

Беззаперечною перевагою онлайн-версії програмного забезпечення є швидкість внесення змін (випуск оновлень). Тож проблема оновлення ПЗ тут вже неактуальна — коли Ви звертаєтесь до сторінки браузера, Ви гарантовано працюєте з останньою версією калькулятора.

Однак, слід зазначити, що такі ресурси часто обмежують розраховувача і стають для нього "чорним ящиком", якому він змушений довіряти, покладаючись виключно на компетентність розробників. І справа тут не тільки в обмеженнях веб-інтерфейсу; з точки зору розширюваності, в подібні системи досить складно внести зміни. Зазвичай онлайн-калькулятор — це все ж рішення конкретного, точкового завдання. У цьому сенсі, програма з підтримкою навіть елементарного скрипта є більш масштабованим і прогнозованим (а тому контрольованим) продуктом для інженера.

Інтернет-магазини інженерних рішень

За даними дослідження We Are Social, до кінця 2018 року мають доступ і активно користуються Інтернетом близько 53% населення Землі. Багато це чи мало — питання риторичне... Найбільш поширені інтернет-технології в США, Канаді та країнах Європи, а також в Південній Америці, СНД, Австралії.

При цьому, користувачами мобільного зв'язку є вже 68% населення земної кулі, і ця цифра з кожним роком зростає. Дотримуючись цього загальносвітового тренда, технологічний сектор щодня розробляє десятки додатків самого різного призначення, в тому числі — мобільні рішення для інженерів. Цей процес "підігрівається" активним розвитком нейромереж і штучного інтелекту, а також технологій на основі віртуальної і доповненої реальності.

Логічно, що вендори не хочуть бути осторонь цього процесу. Ми все частіше бачимо гібридні кросплатформені рішення, що поєднують в собі класичний додаток для операційної системи (під Windows, Mac OS або Android), а також інтернет-сервіси, які обслуговують дане рішення, або дублюють його в онлайні. Відбувається зміщення акцентів, з офлайнових рішень — на онлайн (наприклад, перехід на онлайн-підписку замість традиційного продажу софта).

Подібні глобальні трансформації стимулюють розвиток не тільки софтверного, але і хардверного сектора. З'являються сервіси, що надають розробникам програмного забезпечення готові рішення для створення різних маркетплейсів, інтернет-магазинів, майданчиків для онлайн-торгівлі і обміну інформацією. Також бурхливо розвивається окрема технологічна ніша, що пов'язана з електронною комерцією — криптовалюта.

Компанії, які націлені на інженерну аудиторію, теж беруть участь в цьому процесі. Наприклад, у компанії Autodesk є свій інтернет-магазин Autodesk App Store, в якому представлені різні додатки і надбудови (модулі, плагіни, розширення) для програм, що випускаються Autodesk. Деякі з цих додатків — безкоштовні, інші поширюються на платній основі. У найбільших світових онлайн-маркетах (Google Play, Apple Store) Ви також знайдете сотні інженерних програм, адаптованих під різні види пристроїв.

Інженерам, які шукають надійні і перевірені рішення для своєї роботи, рекомендую наш спеціалізований ресурс Dystlab Store. Це профільний маркет з шаблонами технічних звітів, прикладами проектів та іншими матеріалами для повсякденного застосування. Всі запропоновані тут цифрові рішення функціонують в безкоштовному середовищі TechEditor і доступні для вас щодня.

Віталій Артьомов

Керівник і співзасновник Dystlab, екс-доцент кафедри мостів ДНУЗТ, розробник TechEditor, к.т.н.

Спеціалізуюся на інженерних розрахунках, статичному і динамічному аналізі будівель і споруд, автоматизації обчислень, розробці проектної документації. Консультую дизайнерів, інженерів, архітекторів та проектні компанії України, Азії, Європи, Канади, США, Австралії, тощо. Знаюся на нормах проектування України (ДБН, ДСТУ), Європи (Eurocode), Канади (OBC, CSA).

Готовий проконсультувати і допомогти вам у роботі або бізнесі:

• +380504576819 (WhatsApp)
• Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам необхідно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.