李海霞　杜新

摘 要：本文就電子計算機的科學計算功能在工程領域的優(yōu)越性進行了探討，并列舉了計算機科學計算功能在工程領域應用的實例。

關鍵詞：計算機；科學計算；工程；Matlab

中圖分類號：TP3

1 工程領域應用計算機計算的必要性

工程是含義很廣的詞匯，它是科學和數(shù)學的一種綜合應用，通過這種應用，可以把自然界的物質通過各種結構、機器、產品、系統(tǒng)等以最高的效率轉化成人類所需要的物品，如建筑工程把磚瓦轉化成各種房屋、道路橋梁等等，而機械工程把各種金屬和化合物轉化成為人們需要的各種機械。

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

隨著科學技術的發(fā)展以及人們對工程產品要求的提高，原始的工程技術已經很難滿足工程要求。例如在建筑工程中，普遍存在著高層化、規(guī)模化、大型化的趨勢；而在機械工程中，對產品的精度、強度、剛度等要求都在不斷提高。這些工程變化給工程計算帶來了巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的計算方式，已經無法滿足工程要求，因此，迫切需要一些新的計算工具。而電子計算機強大的計算功能，正是工程領域所需要的。

2 計算機的科學計算功能應用于工程領域的優(yōu)越性

2.1 計算的高效性。1946年的2月14日，在美國的賓夕法尼亞大學問世的第一臺電子計算機就以其超高的計算速度而震驚了世界。當時，這臺重達28t的龐大機器的加法計算速度達到了每秒5000次，在當時人們的眼中，這顯然已經是一個十分驚人的數(shù)字。而隨著計算機技術的飛速發(fā)展，電子計算機的計算速度已經可以達到每秒萬億次，就算普通微機的計算速度每秒都能達到上億次。這樣的計算效率，使得很多復雜的計算問題得到解決。用傳統(tǒng)計算方法幾年幾十年都無法完成的大型計算工程，應用計算機只需要幾個小時就可以計算完成?？梢姡娮佑嬎銠C超高的計算效率大大提高了現(xiàn)代工程的效率。

2.2 計算的精確性和準確性?，F(xiàn)代許多工程行業(yè)對工程精度的要求都非常高，有時候，看似十分微小的誤差都有可能導致極大的工程隱患。在傳統(tǒng)的計算方式中，依靠手動計算的精度很低，同時，由于現(xiàn)代工程龐大的計算量，很難保證工程計算時不會出現(xiàn)錯誤，這成為工程計算的一大問題。而現(xiàn)代計算機可以有幾十位的二進制有效數(shù)字，相應的計算精度能夠達到百萬分之一甚至更高，這給高精度計算提供了前提。而電子計算機的計算大部分是靠計算機自身以固定的程序完成的，因此，計算機的計算結果不必擔心其準確性。

2.3 計算的便捷性?，F(xiàn)代很多的計算機軟件都收錄了大量的函數(shù)。人們在使用大多數(shù)函數(shù)的時候只需要調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)據庫里不存在的少數(shù)函數(shù)或者方程，也只需要在計算時做一個編程就可以很方便地完成任務。而在很多的計算問題中，需要大量的方程、矩陣等等，用手寫十分麻煩，而且計算也十分費時費力。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果。而且輸入的數(shù)據一目了然，一旦出現(xiàn)了輸入錯誤，也很容易糾正。

3 計算機的科學計算功能在工程領域中的應用實例

計算機的科學計算功能在工程中的應用體現(xiàn)在兩個方面，一方面是純數(shù)學計算應用，另一種是建立在工程模型基礎上的應用。這兩方面的應用，無疑都為工程建設提供了巨大的幫助。

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

MATLAB在同等級的計算機語言中，操作更為便捷，變成更加容易，功能更加強大，且有更強的可開發(fā)性，因而在工程中的應用十分廣泛。首先，它能夠很便捷地計算函數(shù)的收斂性。在很多工程計算問題中，求解是非常復雜多變的，而衡量計算問題正確性的一大標準就是函數(shù)是否收斂。但在驗證函數(shù)收斂時，需要反復進行多次計算才能夠得到最終的收斂性結果，這給工程師帶來了極大的不便，而應用MATLAB只需要幾行編程，就能夠自動進行千萬次的收斂性試驗，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，會出現(xiàn)很多龐大的矩陣，人工想要計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)計算錯誤。而應用MATLAB，只需要在平臺上輸入矩陣的形式，按照一定的程序進行計算就可以了。在程序正確的前提下，驗證正確性只需要檢驗輸入數(shù)據是否正確即可，這給工程帶來了很大的方便。

3.2 計算機科學計算功能基于工程模型的應用?，F(xiàn)代工程已經告別了只依靠一張圖紙進行工程的時代。由于現(xiàn)代工程對精度要求極高，所以需要先建立虛擬模型并進行力學計算，才能確保工程的質量?，F(xiàn)代工程計算中常應用的是有限元法，這種方法是把一個模型通過網格劃分成為若干個小的單元，并對小單元逐個求解最終得到想要的結果，網格劃分地越密，計算精度就越高。

在計算機中應用有限元法的基本步驟是：按照預期設計在計算機中建立一個虛擬模型并給定相應的材料常數(shù)；對模型進行網格劃分，把模型劃分成許多的小單元；在模型上施加載荷和約束；進行求解；數(shù)據的后處理。經過這些步驟之后能夠直觀地得到所需要的結果。

在這一方面，ABAQUS的應用是十分廣泛的，相比于ANSYS等其他工程軟件，這款軟件具有很大的優(yōu)勢：ABAQUS具有很強的兼容性，它不光能夠依靠自身完成建模，同時也能夠導入用Auto 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)據處理上的優(yōu)勢是很明顯的，它能夠進行模型的靜態(tài)和動態(tài)分析，完成裝配接觸等操作，想比其他軟件在數(shù)據處理方面更為強大。另外，ABAQUS還有草圖功能，建模中出現(xiàn)的錯誤能夠在草圖中得到修正。而其強大的恢復功能保證了在突然斷電、故障之后可以緊急存儲，從而把損失降低到最小。

4 結語

電子計算機強大的科學計算功能在工程領域的應用已經相當廣泛，它已經在工程實際中證明了自己的價值。而在計算機發(fā)展腳步從沒有放緩的今天，計算機的科學計算功能必然會更加強大，給工程帶來的便利也會更多?，F(xiàn)代工程要重視起計算機的作用，緊跟計算機發(fā)展腳步對計算方法進行更新，這樣，才能保證工程的效率和質量。

參考文獻：

[1]孫萌.計算力學及其工程應用[J].科技創(chuàng)新導報，2010，30：85.

[2]趙梅，李棟梁.MATLAB在工程領域中的應用概論[J].科技信息，2012，14：243.

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)據通信；李海霞（1976.4-），女，大專，計算機工程師，藉貫：吉林長春，主研方向：計算機及應用管理。

作者單位：長春市產品質量監(jiān)督檢驗院，長春 130012；中國聯(lián)合網絡通信有限公司長春市分公司，長春 130000