Инженерные расчеты в Mathcad
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Тематика:
Математическое программное обеспечение
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Макаров Евгений Георгиевич
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 408
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-9729-1974-1
Артикул: 843357.01.99
Содержатся сведения, необходимые для начала работы в Mathcad и решения большинства практических задач. Рассматриваются все вычислительные возможности Mathcad, использование встроенных функций, способы вычислений. Описаны средства подготовки документов в Mathcad. Содержит перечень примеров решения задач в Mathcad. Основное внимание в книге уделено главным понятиям о методе конечных элементов, алгоритму выполняемых операций и практическим действиям по применению МКЭ к решению прочностных задач. Для всех пользователей Mathcad, как начинающих, так и опытных, и будет полезна студентам, инженерам и научным работникам.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 519: Комбинатор. анализ. Теория графов. Теория вер. и мат. стат. Вычисл. мат., числ. анализ. Мат. кибер..
- 681: Точная механика. Автоматика. Приборостроение
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 00.03.32: Инженерная и компьютерная графика
- 08.03.01: Строительство
- 09.03.04: Программная инженерия
- ВО - Магистратура
- 08.04.01: Строительство
- 09.04.04: Программная инженерия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Е. Г. Макаров ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ в Mathcad Учебное пособие Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2024
УДК 681.3:519.6 ББК 32.81 М15 Р е ц е н з е н т : кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Механика деформирования твердого тела» БГТУ-Военмех (г. Санкт-Петербург) Красильников А. З. Макаров, Е. Г. М15 Инженерные расчеты в Mathcad : учебное пособие / Е. Г. Макаров. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 408 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1974-1 Содержатся сведения, необходимые для начала работы в Mathcad и решения большинства практических задач. Рассматриваются все вычислительные возможности Mathcad, использование встроенных функций, способы вычислений. Описаны средства подготовки документов в Мathcad. Содержит перечень примеров решения задач в Mathcad. Основное внимание в книге уделено главным понятиям о методе конечных элементов, алгоритму выполняемых операций и практическим действиям по применению МКЭ к решению прочностных задач. Для всех пользователей Mathcad, как начинающих, так и опытных, и будет полезна студентам, инженерам и научным работникам. УДК 681.3:519.6 ББК 32.81 ISBN 978-5-9729-1974-1 © Макаров Е. Г., 2024 Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 2
Оглавление Предисловие ....................................................................................................................................... 9 Mathcad и его возможности............................................................................................................... 9 Новое в Mathcad 15 .......................................................................................................................... 11 Рекомендации по работе с книгой .................................................................................................. 14 Электронная книга «Расчёты в Mathcad» ...................................................................................... 15 Сведения об электронной книге ..................................................................................................... 16 Назначение электронной книги ...................................................................................................... 19 ЧАСТЬ I. Начало работы с Mathcad .......................................................................................... 21 1. Построение выражений и графиков в Mathcad ......................................................................... 21 1.1. Интерфейс Mathcad................................................................................................................ 21 1.1.1. Рабочее окно Mathcad ..................................................................................................... 21 1.1.2. Главное меню ................................................................................................................... 23 1.1.3. Панели инструментов ..................................................................................................... 24 1.2. Построение выражений и их вычисление ........................................................................... 27 1.3. «Цепкие» операторы.............................................................................................................. 29 1.4. Редактирование объектов Mathcad....................................................................................... 30 1.5. Стандартные функции ........................................................................................................... 31 1.6. Числовые константы. Ввод греческих букв ........................................................................ 32 1.7. Ввод текста ............................................................................................................................. 33 1.8. Функции пользователя .......................................................................................................... 34 1.9. Дискретные переменные. Построение таблиц .................................................................... 35 1.10. Форматирование чисел........................................................................................................ 37 1.11. Построение плоского графика функции ............................................................................ 38 1.12. Построение трехмерных графиков .................................................................................... 43 2. Некоторые возможности Mathcad .............................................................................................. 46 2.1. Ступенчатые и разрывные функции и выражения. Условие в Mathcad ........................... 46 2.2. Глобальное присвоение значений ........................................................................................ 48 2.3. Символьные вычисления ...................................................................................................... 49 2.4. Решение уравнений ............................................................................................................... 51 2.4.1. Символьное решение ...................................................................................................... 51 2.4.2. Численное решение (функция root) ............................................................................... 52 2.5. Решение систем уравнений (функция find) ......................................................................... 53 2.6. Приближенное решение систем уравнений (функция minerr) .......................................... 55 2.7. Исследование функции на экстремум ................................................................................. 56 2.8. Работа с матрицами ............................................................................................................... 57 2.8.1. Создание матриц.............................................................................................................. 58 2.8.2. Основные действия с матрицами ................................................................................... 58 2.8.3. Решение матричных уравнений ..................................................................................... 60 2.9. Оператор векторизации ......................................................................................................... 61 2.10. Решение дифференциальных уравнений ........................................................................... 62 2.11. Анализ экспериментальных данных .................................................................................. 66 2.11.1. Интерполяция ................................................................................................................ 66 2.11.2. Регрессия ........................................................................................................................ 68 2.12. Элементы математической статистики ............................................................................. 72 3
2.13. Обмен данными с другими программами ......................................................................... 72 2.14. Учет размерностей в Mathcad ............................................................................................. 74 2.15. Преобразование функции в матрицу и матрицы в функцию .......................................... 78 2.16. Строковые функции............................................................................................................. 79 2.17. Программирование .............................................................................................................. 79 2.18. Анимация .............................................................................................................................. 80 2.19. Отладка Mathcad-документов ............................................................................................. 80 2.20. Горячие клавиши ................................................................................................................. 81 ЧАСТЬ II. Вычисления в Mathcad ............................................................................................. 84 3. Решение уравнений ...................................................................................................................... 84 3.1. Функция root........................................................................................................................... 84 3.2. Решение уравнения с переменными параметрами ............................................................. 88 3.3. Нахождение корней полинома – функция polyroots .......................................................... 89 3.4. Решение систем уравнений ................................................................................................... 91 3.5. Трудности при решении уравнений ..................................................................................... 96 3.6. Приближенное решение уравнений и систем уравнений .................................................. 96 3.7. Исследование функции на экстремум ................................................................................. 98 3.8. Рекурсивные вычисления .................................................................................................... 100 4. Работа с векторами и матрицами .............................................................................................. 102 4.1. Создание матрицы ............................................................................................................... 102 4.2. Нумерация элементов матрицы .......................................................................................... 104 4.3. Встроенная переменная ORIGIN ........................................................................................ 105 4.4. Определение параметров матрицы .................................................................................... 106 4.5. Образование новых матриц из уже существующих ......................................................... 106 4.6. Ввод больших массивов ...................................................................................................... 108 4.7. Сортировка векторов и матриц .......................................................................................... 108 4.8. Матричные операторы ........................................................................................................ 109 4.8.1. Транспонирование матрицы и вычисление ее определителя ................................... 109 4.8.2. Вычисление определителя матрицы. Определитель или абсолютная величина .... 110 4.8.3. Нахождение матрицы обратной заданной .................................................................. 111 4.8.4. Сложение, вычитание и умножение матриц ............................................................... 111 4.8.5. Оператор векторизации ................................................................................................ 113 4.8.6. Последовательное и параллельное вычисление элементов массива ........................ 114 4.9. Собственные числа и собственные векторы матриц ........................................................ 115 4.10. Норма квадратной матрицы .............................................................................................. 117 4.11. Число обусловленности квадратной матрицы ................................................................ 118 4.12. Матричные разложения .................................................................................................... 119 4.12.1. Разложение Холесского .............................................................................................. 119 4.12.2. QR-разложение ............................................................................................................ 119 4.12.3. LU-разложение ............................................................................................................ 120 4.12.4. Сингулярное разложение ............................................................................................ 121 4.13. Вывод векторов и матриц ................................................................................................. 122 4.14. Составные массивы ........................................................................................................... 124 4.15. Работа с комплексными числами ..................................................................................... 124 5. Символьные вычисления ........................................................................................................... 126 5.1. Оптимизация численных вычислений ............................................................................... 127 5.2. Использование меню символьных вычислений Symbolics ............................................. 128 5.2.1. Символьная оценка выражения ................................................................................... 129 5.2.2. Упрощение выражений ................................................................................................. 130 5.2.3. Раскрытие выражений ................................................................................................... 130 5.2.4. Разложение на множители ............................................................................................ 131 4
5.2.5. Приведение подобных слагаемых ............................................................................... 132 5.2.6. Коэффициенты полинома ............................................................................................. 132 5.2.7. Вычисление пределов ................................................................................................... 133 5.2.8. Замена переменной ........................................................................................................ 134 5.2.9. Вычисление производной или интеграла.................................................................... 135 5.2.10. Символьное решение уравнений и неравенств ........................................................ 135 5.2.11. Разложение в ряд Тейлора .......................................................................................... 137 5.2.12. Разложение на простейшие дроби ............................................................................. 138 5.2.13. Символьные операции с матрицами .......................................................................... 138 5.2.14. Вычисление интегральных преобразований ............................................................. 139 5.3. Использование символьной панели инструментов .......................................................... 141 5.3.1. Символьные операции без использования ключевых слов ....................................... 143 5.3.2. Символьные операции с использованием ключевых слов ........................................ 144 5.3.3. Символьное решение уравнений ................................................................................. 147 5.3.4. Использование нескольких команд одновременно .................................................... 148 5.3.5. Символьные операции с матрицами ............................................................................ 149 5.4. Новые возможности символьных вычислений в Mathcad 13–15 .................................... 150 5.4.1. Новые ключевые слова ................................................................................................. 150 5.4.2. Новые слова-модификаторы ........................................................................................ 153 5.4.3. Символьная векторизация выражений ........................................................................ 154 5.4.4. Новые функции символьных вычислений .................................................................. 155 5.5. Встроенные функции и переменные .................................................................................. 156 5.6. Особенности символьной обработки ................................................................................. 156 6. Решение дифференциальных уравнений ................................................................................. 158 6.1. Вычислительный блок given–Odesolve .............................................................................. 159 6.1.1. Решение ОДУ с начальными и граничными условиями ........................................... 159 6.1.2. Объединение ОДУ с помощью операторов условия ................................................. 161 6.1.3. Решение ОДУ, заданных неявно .................................................................................. 161 6.1.4. Решение систем ОДУ .................................................................................................... 162 6.1.5. Работа блока Given-Odesolve ....................................................................................... 163 6.1.6. Новые функции решения ОДУ в Mathcad 14 .............................................................. 165 6.1.7. Решение ОДУ с переменными параметрами .............................................................. 167 6.2. Использование функций rkfixed, Rkadapt, Bulstoer .......................................................... 168 6.2.1. Решение дифференциального уравнения первого порядка ...................................... 169 6.2.2. Дифференциальные уравнения более высокого порядка .......................................... 170 6.2.3. Системы дифференциальных уравнений .................................................................... 171 6.3. Жесткие системы дифференциальных уравнений ........................................................... 174 6.3.1. Функция Radau в Mathcad 14........................................................................................ 177 6.4. Нахождение решения только в конечной точке ............................................................... 178 6.5. Двухточечные краевые задачи ........................................................................................... 180 6.6. Решение дифференциальных уравнений в частных производных ................................. 184 6.6.1. Функции решения параболических и гиперболических уравнений ........................ 185 6.6.2. Решение эллиптических уравнений (Лапласа и Пуассона) ....................................... 189 7. Обработка экспериментальных данных ................................................................................... 192 7.1. Интерполяция ....................................................................................................................... 192 7.1.1. Линейная интерполяция ............................................................................................... 192 7.1.2. Кубическая сплайн-интерполяция ............................................................................... 193 7.1.3. В-сплайн-интерполяция ................................................................................................ 194 7.1.4. Линейное предсказание ................................................................................................ 196 7.1.5. Интерполяция функции двух переменных ................................................................. 197 7.2. Функции регрессии .............................................................................................................. 201 7.2.1. Одномерная регрессия .................................................................................................. 201 5
7.2.2. Двухмерная регрессия ................................................................................................... 202 7.2.3. Обобщенная регрессия.................................................................................................. 204 7.3. Функции сглаживания ......................................................................................................... 209 7.4. Дискретные преобразования............................................................................................... 211 7.4.1. Преобразование Фурье ................................................................................................. 211 7.4.2. Двухмерное преобразование Фурье ............................................................................ 214 7.4.3. Волновое преобразование............................................................................................. 216 8. Математическая статистика ...................................................................................................... 217 8.1. Характеристики выборки данных и связи двух массивов ............................................... 217 8.2. Функции распределения вероятностей .............................................................................. 220 8.3. Генераторы случайных чисел ............................................................................................. 221 8.4. Построение гистограмм ...................................................................................................... 223 8.5. Расчет доверительного интервала ...................................................................................... 225 ЧАСТЬ III. Дополнительные возможности Mathcad ............................................................ 226 9. Программирование .................................................................................................................... 226 9.1. Создание программ .............................................................................................................. 226 9.1.1. Ввод строк в программу ............................................................................................... 227 9.1.2. Локальное присвоение значений ................................................................................. 228 9.2. Условный оператор if .......................................................................................................... 229 9.3. Операторы цикла ................................................................................................................. 231 9.3.1. Оператор while ............................................................................................................... 232 9.3.2. Оператор for ................................................................................................................... 233 9.3.3. Операторы break, continue, return ................................................................................. 235 9.4. Вывод результатов расчета из программы ........................................................................ 236 9.5. Подпрограммы-функции ..................................................................................................... 238 9.6. Интегрирование функции методом трапеций ................................................................... 239 9.7. Решение уравнений и систем уравнений в программе .................................................... 240 9.8. Нахождение экстремума функции в программе ............................................................... 241 9.9. Учет размерностей в программе ........................................................................................ 244 9.10. Решение дифференциальных уравнений внутри программы ....................................... 245 9.11. Отладка программ.............................................................................................................. 249 9.12. Возможности ускорения работы Mathcad ....................................................................... 253 10. Анимация .................................................................................................................................. 255 10.1 Создание анимации ............................................................................................................ 255 10.2. Галерея анимационных клипов ........................................................................................ 259 11. Учет размерностей ................................................................................................................... 262 11.1. Выбор системы единиц измерения .................................................................................. 262 11.2. Ввод пользовательских единиц измерения ..................................................................... 264 11.3. Изменение масштаба результатов расчета ...................................................................... 265 11.4. Учет внесистемных размерностей ................................................................................... 268 11.5. Размерность элементов массива ....................................................................................... 269 11.6. Учет размерностей в цикле ............................................................................................... 270 11.7. Построение графиков с учетом размерностей ................................................................ 270 11.8. Учет размерностей в программе ...................................................................................... 271 11.9. Ограничения на проведение расчетов с учетом размерностей ..................................... 272 11.10. Статическая проверка размерностей ............................................................................. 273 11.11. Квазиразмерности ............................................................................................................ 274 12. Дополнительные встроенные функции Mathcad................................................................... 276 12.1. Функции для работы с комплексными числами ............................................................. 276 12.2. Тип выражения ................................................................................................................... 278 12.3. Доступ к файлам ................................................................................................................ 278 6
12.4. Функции поиска значений матрицы ................................................................................ 282 12.5. Преобразование функций и матриц ................................................................................. 284 12.5.1. Преобразование функции в матрицу ......................................................................... 284 12.5.2. Преобразование матрицы в функцию ....................................................................... 285 12.6. Функции преобразования координат ............................................................................... 288 12.7. Функции условия ............................................................................................................... 293 12.8. Функции округления чисел .............................................................................................. 297 12.9. Функции комбинаторики и теории чисел........................................................................ 297 12.10. Функции тригонометрические, гиперболические, логарифмические и экспоненциальные ................................................................................................................... 298 12.11. Специальные функции .................................................................................................... 298 12.11.1. Функции Бесселя ....................................................................................................... 298 12.11.2. Другие специальные функции ................................................................................. 300 12.11.3. Дополнительные неактивные функции ................................................................... 300 12.12. Строковые функции......................................................................................................... 301 13. Работа с Mathcad-документами .............................................................................................. 302 13.1. Построение математических выражений ........................................................................ 303 13.1.1. Стили записи выражений ........................................................................................... 304 13.2. Аннотация файлов и областей файлов ............................................................................ 308 13.3. Защита информации в Mathcad ........................................................................................ 309 13.4. Закрытые зоны в Mathcad ................................................................................................. 312 13.5. Создание вычислительных комплексов .......................................................................... 314 13.5.1. Использование ссылок на другие файлы .................................................................. 314 13.5.2. Использование гиперссылок ...................................................................................... 315 13.6. Новые служебные функции Mathcad 13 .......................................................................... 317 13.6.1. Уменьшение размера файлов ..................................................................................... 317 13.6.2. Переключатель версий Mathcad ................................................................................. 317 13.6.3. Автосохранение ........................................................................................................... 318 14. Работа с текстом ....................................................................................................................... 319 14.1. Изменение стиля текстовых областей ............................................................................. 319 14.1.1. Установка свойств абзаца ........................................................................................... 319 14.1.2. Изменение стиля отдельной текстовой области ....................................................... 321 14.1.3. Списки и таблицы в тексте ......................................................................................... 322 14.2. Использование гиперссылок............................................................................................. 323 14.2.1. Переход на метку ......................................................................................................... 323 14.2.2. Всплывающий документ............................................................................................. 323 15. Работа с графиками .................................................................................................................. 325 15.1. Построение двухмерного плоского графика ................................................................... 325 15.2. Построение полярных графиков ...................................................................................... 329 15.3. Построение трехмерных графиков .................................................................................. 330 15.3.1. Построение графика по массиву значений функции ............................................... 330 15.3.2. Быстрое построение графика ..................................................................................... 331 15.3.3. Создание массива значений функции ....................................................................... 334 15.3.4. Поверхности тел вращения ........................................................................................ 337 15.3.5. Построение сложных фигур ....................................................................................... 339 15.3.6. Пересекающиеся фигуры ............................................................................................ 339 15.3.7. Построение многогранников ...................................................................................... 341 15.3.8. Быстрое изменение типа графика .............................................................................. 342 15.3.9. График векторного поля ............................................................................................. 343 15.4. Особенности форматирования графиков в новых версиях Mathcad ............................ 344 15.4.1. Редактирование двухмерных графиков ..................................................................... 344 15.4.2. Форматирование двухмерных графиков ................................................................... 346 7
15.4.3. Функции logspace и logpts .......................................................................................... 348 16. Справочная информация в Mathcad ....................................................................................... 349 16.1. Меню Help (Помощь) ........................................................................................................ 349 16.2. Перевод справочной системы Mathcad ............................................................................ 352 16.3. Электронная книга qscheet ................................................................................................ 353 16.3.1. Обзор и учебник .......................................................................................................... 354 16.3.2. Примеры и справочные таблицы ............................................................................... 356 16.4. Mathcad и Интернет ........................................................................................................... 356 16.4.1. Техническая поддержка Mathcad ............................................................................... 358 17. Создание электронных книг ................................................................................................... 359 17.1. Создание Mathcad-файлов для электронной книги ........................................................ 360 17.2. Подготовка содержания электронной книги .................................................................. 361 17.3. Создание системы ссылок между файлами .................................................................... 362 17.4. Создание НВК-файла ........................................................................................................ 363 17.5. Вложенные папки .............................................................................................................. 365 17.6. Проверка электронной книги ........................................................................................... 365 17.7. Создание поисковых индексов ......................................................................................... 367 18. Работа с электронной книгой .................................................................................................. 370 18.1. Обработка экспериментальных данных .......................................................................... 370 18.2. Обработка цифрового сигнала ......................................................................................... 373 18.3. Оптимизация нагрузки на балку ...................................................................................... 374 ЧАСТЬ IV. Примеры инженерных расчетов в Mathcad ...................................................... 378 Список использованной литературы ............................................................................................ 405 Приложения к книге доступны для скачивания на сайте издательства «Инфра-Инженерия» www.infra-e.ru Пароль к файлам архива: 978-5-9729-1974-1 8
Предисловие Основное назначение этой книги помочь пользователям быстро создавать свои расчетные программы любой сложности. С этой целью книга разбита на 4 части. Часть I предназначена для тех, кто впервые сталкивается с Mathcad. Здесь содержатся основные сведения, необходимые и достаточные для решения большинства задач. В части II содержатся подробные сведения обо всех возможностях Mathcad, на конкретных примерах рассматриваются особенности использования встроенных функций, основные приемы и способы вычислений. В части III рассматриваются возможности подготовки документов Mathcad. Часть IV книги содержит 56 примеров решения инженерных задач в Mathcad. ВНИМАНИЕ Важнейшей частью книги является электронная книга, встраиваемая в оболочку Mathcad. Она содержит Mathcad-программы использования всех встроенных функций и всех описанных в книге примеров. Скачать её нужно с сайта издательства www.infra-e.ru. При написании книги я отошел от традиционного описания меню и панелей. Интерфейс Mathcad – обычный, традиционный для Windows-приложений. Знакомство с меню происходит во время работы с приложением. Пояснения к отдельным пунктам меню даются по мере необходимости их использования. Mathcad и его возможности Mathcad создан разработчиками как инструмент работы расчетчиков и конструкторов. Он не предназначен для профессиональных математиков – для них есть другие системы, действующие в областях символьной математики и математической статистики. Время от времени выходят новые версии Mathcad, но они почти не добавляют новых функций, новых расчетных возможностей. Зато добавляют новые ограничения, новые сложности в использовании Mathcad. На мой взгляд лучшей из всех версий был Mathcad 11, последующие версии в связи с переходом на Net-технологии стали гораздо более медленными в работе. В них появилась масса новых ограничений. Последние версии Mathcad 14 и Mathcad 15 по своим вычислительным возможностям абсолютно одинаковы. Приятно, что они «русифицированы». Пункты меню в них записаны на русском языке. В Mathcad 15 включено руководство пользователя на русском языке. Но 9
все статьи в разделе Help (Помощь) написаны по-прежнему на английском языке. Mathcad в современном виде не предназначен и для программирования сложных задач – для этого есть система Mathlab, языки программирования Fortran и C++. Он создавался как мощный микрокалькулятор, позволяющий легко решать рутинные задачи инженерной практики, ежедневно встречающиеся в работе решение уравнений алгебраических или дифференциальных с постоянными и переменными параметрами анализ функций, поиск их экстремумов численное и аналитическое дифференцирование и интегрирование вывод таблиц и графиков при анализе найденных решений. Главными достоинствами Mathcad и его колоссальным преимуществом перед другими расчетными средствами являются легкость и наглядность программирования задачи, отображение сложных математических выражений в том виде, в каком они обычно записываются на листе бумаги, то есть отсутствие специального языка программирования, простота использования, возможность создания средствами Mathcad высококачественных технических отчетов с таблицами, графиками и текстом. Mathcad завоевал популярность во всем мире. Уже в первых версиях Mathcad появилась дискретная переменная, позволяющая одновременно находить значения функций для целого ряда значений переменной и на основе полученных результатов строить таблицы и графики без применения операторов программирования. При построении графиков поверхностей можно создавать почти произведения искусства. Доведена до логического завершения великолепная функция решения дифференциальных уравнений Odesolve. На этом фоне в полном забвении находится раздел программирования в Mathcad. По-видимому, этот раздел изначально был задуман для создания несложных программных модулей, необходимых для многократного вычисления небольших расчетных блоков из нескольких операторов. На основании личной практики я хочу в этой книге показать, что даже в таком в общем-то зачаточном состоянии программирования Mathcad в состоянии запрограммировать и решить задачи абсолютно любой сложности. Кроме мелких недоработок в Mathcad есть два существенных недостатка, ограничивающих его применение в качестве средства программирования Отсутствие встроенных средств отладки программ, которые есть в других языках программирования, Недостаточная скорость расчетов. ПРИМЕЧАНИЕ В Mathcad 13 появились средства отладки программ: панель Debug и функции trace и pause, – но реальной помощи в отладке программ они не оказывают. 10