Модели жизненного цикла ИС: каскадная и спиральная
Каскадная модель
Каскадная модель жизненного цикла («модель водопада», англ. waterfall model) была предложена в 1970 г. Уинстоном Ройсом. Она предусматривает последовательное выполнение всех этапов проекта в строго фиксированном порядке. Переход на следующий этап означает полное завершение работ на предыдущем этапе. Требования, определенные на стадии формирования требований, строго документируются в виде технического задания и фиксируются на все время разработки проекта. Каждая стадия завершается выпуском полного комплекта документации, достаточной для того, чтобы разработка могла быть продолжена другой командой разработчиков.
Этапы проекта в соответствии с каскадной моделью:
Формирование требований
Проектирование
Реализация
Тестирование
Ввод в действие
Эксплуатация и сопровождение
Спиральная модель
Спиральная модель (англ. spiral model) была разработана в середине 1980-х годов Барри Боэмом. Она основана на классическом цикле Деминга PDCA (plan-do-check-act). При использовании этой модели ИС создается в несколько итераций (витков спирали) методом прототипирования.
Прототип — действующий компонент ИС, реализующий отдельные функции и внешние интерфейсы. Каждая итерация соответствует созданию фрагмента или версии ИС, на ней уточняются цели и характеристики проекта, оценивается качество полученных результатов и планируются работы следующей итерации.
На каждой итерации оцениваются:
Риск превышения сроков и стоимости проекта
Необходимость выполнения еще одной итерации
Степень полноты и точности понимания требований к системе
Целесообразность прекращения проекта.
Один из примеров реализации спиральной модели — RAD (англ. Rapid Application Development, метод быстрой разработки приложений).
Понятие жизненного цикла ИС. Структура жизненного цикла
Жизненный цикл информационной системы — это процесс ее построения и развития.
Жизненный цикл информационной системы — период времени, который начинается с момента принятия решения о необходимости создания информационной системы и заканчивается в момент ее полного изъятия из эксплуатации.
Модель жизненного цикла ИС — структура, определяющая последовательность выполнения и взаимосвязи процессов, действий и задач на протяжении жизненного цикла. Модель жизненного цикла зависит от специфики, масштаба и сложности проекта и специфики условий, в которых система создается и функционирует.
Стандарт ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-99 не предлагает конкретную модель жизненного цикла. Его положения являются общими для любых моделей жизненного цикла, методов и технологий создания ИС. Он описывает структуру процессов жизненного цикла, не конкретизируя, как реализовать или выполнить действия и задачи, включенные в эти процессы.
Модель ЖЦ ИС включает в себя:
Стадии
Результаты выполнения работ на каждой стадии
Ключевые события — точки завершения работ и принятия решений.
Стадия — часть процесса создания ИС, ограниченная определенными временными рамками и заканчивающаяся выпуском конкретного продукта (моделей, программных компонентов, документации), определяемого заданными для данной стадии требованиями.
На каждой стадии могут выполняться несколько процессов, определенных в стандарте ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-99, и наоборот, один и тот же процесс может выполняться на различных стадиях. Соотношение между процессами и стадиями также определяется используемой моделью жизненного цикла ИС.
Информационные системы. Классификация
Информационная система (ИС) — это система, предназначенная для ведения информационной модели, чаще всего — какой-либо области человеческой деятельности. Эта система должна обеспечивать средства для протекания информационных процессов:
хранение
передача
преобразование информации.
Информационной системой называют совокупность взаимосвязанных средств, которые осуществляют хранение и обработку информации, также называют информационно-вычислительными системами. В информационную систему данные поступают от источника информации. Эти данные отправляются на хранение либо претерпевают в системе некоторую обработку и затем передаются потребителю.
Между потребителем и собственно информационной системой может быть установлена обратная связь. В этом случае информационная система называется замкнутой. Канал обратной связи необходим, когда нужно учесть реакцию потребителя на полученную информацию.
Информационная система состоит из источника информации, аппаратной части ИС, программной части ИС, потребителя информации.[1]
По мнению одних авторов, ИС включает в себя персонал, её эксплуатирующий, по мнению других — нет.
Различают 3 класса информационных систем по степени их автоматизации:
Ручные информационные системы — характеризуются отсутствием современных технических средств переработки информации и выполнением всех операций человеком. Например, о деятельности менеджера в фирме, где отсутствуют компьютеры, можно говорить, что он работает с ручной ИС.
Автоматизированные информационные системы (АИС) — наиболее популярный класс ИС. Предполагают участие в процессе обработки информации и человека, и технических средств, причем главная роль отводится компьютеру.
Автоматические информационные системы — выполняют все операции по переработке информации без участия человека, различные роботы. Примером автоматических информационных систем являются некоторые поисковые машины Интернет, например Google, где сбор информации о сайтах осуществляется автоматически поисковым роботом и человеческий фактор не влияет на ранжирование результатов поиска.
Обычно термином ИС в наше время называют автоматизированные информационные системы.
Состав информационных систем
Данные
Информация
Знания
Понятие открытой системы. Модель OSI
По определению принятому Комитетом IEEE POSIX 1003.0 Открытой информационной системой называется “система, которая реализует открытые спецификации на интерфейсы, сервисы (услуги среды) и поддерживаемые форматы данных, достаточные для того, чтобы дать возможность должным образом разработанному прикладному программному обеспечению быть переносимым в широком диапазоне систем с минимальными изменениями, взаимодействовать с другими приложениями на локальных и удаленных системах, и взаимодействовать с пользователями в стиле, который облегчает переход пользователей от системы к системе”.
Под Открытой спецификацией в определении POSIX понимается общедоступная спецификация, которая поддерживается открытым, гласным согласительным процессом, направленным на приспособление новой технологии к ее применению, и которая согласуется со стандартами.
Основные свойства открытых систем:
Расширяемость
Масштабируемость
Переносимость приложений, данных и персонала.
Интероперабельность приложений и систем
Способность к интеграции
Высокая готовность
В 1982 году Международная организация по стандартизации (ISO) в сотрудничестве с ITU-T начала новый проект в области сетевых технологий, названный взаимодействием открытых систем, Open Systems Interconnection или OSI.
До OSI сетевые технологии были полностью проприетарными, основанными на таких корпоративных стандартах как SNA, Decnet и XNS. OSI стала новой попыткой создания сетевых стандартов для обеспечения совместимости решений разных поставщиков. В то время многие большие сети были вынуждены поддерживать несколько протоколов взаимодействия и включали большое количество устройств, не имеющих возможность общаться с другими устройствами из-за отсутствия общих протоколов.
Эталонная модель OSI была большим шагом при создании концепций современных сетей. Она популяризовала идею общей модели протоколов, расположенных на различных уровнях и определяющих взаимодействие между сетевыми устройствами и программным обеспечением.
Тем не менее, реальный стек протоколов OSI, разработанный как часть проекта, был воспринят многими как слишком сложный и фактически нереализуемый. Он предполагал упразднение всех существующих протоколов и их замену новыми на всех уровнях стека. Это сильно затруднило реализацию стека и послужило причиной для отказа от него многих поставщиков и пользователей, сделавших значительные инвестиции в другие сетевые технологии. В дополнение, протоколы OSI разрабатывались комитетами, предлагавшими различные и иногда противоречивые характеристики, что привело к объявлению многих параметров и особенностей необязательными. Поскольку слишком многое было необязательно или предоставлено на выбор разработчика, реализации различных поставщиков просто не могли взаимодействовать, отвергая тем самым саму идею проекта OSI.
В результате попытка OSI договориться об общих стандартах сетевого взаимодействия была вытеснена стеком протоколов TCP/IP, используемым в Интернете, и его более простым, прагматичным подходом к компьютерным сетям. Подход Интернета состоял в создании простых протоколов с двумя независимыми реализациями, требующимися для того, чтобы протокол мог считаться стандартом. Это подтверждало практическую реализуемость стандарта. Например, определения стандартов электронной почты X.400 состоят из нескольких больших томов, а определение электронной почты Интернета (SMTP) — всего несколько десятков страниц в RFC 821. Всё же стоит заметить, что существуют многочисленные RFC, определяющие расширения SMTP. Поэтому на данный момент (2005) полная документация по SMTP и расширениям также занимает несколько больших книг.
Большинство протоколов и спецификаций стека OSI уже не используются, такие как электронная почта X.400. Лишь немногие выжили, часто в значительно упрощённом виде. Структура каталогов X.500 до сих пор используется, в основном, благодаря упрощению первоначального громоздкого протокола DAP, получившему название LDAP и статус стандарта Интернета.
Свёртывание проекта OSI в 1996 году нанесло серьёзный удар по репутации и легитимности участвовавших в нём организаций, особенно ISO. Наиболее крупным упущением создателей OSI был отказ увидеть и признать превосходство стека протоколов TCP/IP.
Технические средства компьютерных сетей.
Сетевое оборудование — устройства, необходимые для работы компьютерной сети, например: маршрутизатор, коммутатор, концентратор, патч-панель. Обычно выделяют активное и пассивное сетевое оборудование.
Активное сетевое оборудование
Под этим названием подразумевается оборудование, за которым следует некоторая «интеллектуальная» особенность. То есть Маршрутизатор, коммутатор (свитч) и т.д. являются активным сетевым оборудованием. Напротив — повторитель (репитер) и концентратор (хаб) не являются АСО, так как просто повторяют электрический сигнал для увеличения расстояния соединения или топологического разветвления и ничего «интеллектуального» собой не представляют.
Пассивное сетевое оборудование
Под пассивным сетевым оборудованием подразумевается оборудование, не наделенное «интеллектуальными» особенностями. Например, кабель (коаксиальный и витая пара (UTP/STP)), вилка/розетка (RG58, RJ45, RJ11, GG45), повторитель (репитер), концентратор (хаб), балун (balun) для коаксиальных кабелей (RG-58) и т.д.
Маршрутиза́тор или ро́утер (от англ. router /ˈɹu:tə(ɹ)/ или /ˈɹaʊtɚ/, /ˈɹaʊtəɹ/ )[1], — сетевое устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил, принимающее решения о пересылке пакетов сетевого уровня (уровень 3 модели OSI) между различными сегментами сети.
Работает на более высоком уровне, нежели коммутатор и сетевой мост.
Принцип работы
Обычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетах данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.
Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в заголовках пакетов сетевого уровня. Нередко маршрутизаторы могут осуществлять трансляцию адресов отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определённых правил с целью ограничения доступа, шифрование/дешифрование передаваемых данных и т.д.
Сетевой концентратор или Хаб (жарг. от англ. hub — центр деятельности) — сетевое устройство, для объединения нескольких устройств Ethernet в общий сегмент. Устройства подключаются при помощи витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна.
В настоящее время почти не выпускаются — им на смену пришли сетевые коммутаторы (свитчи), выделяющие каждое подключенное устройство в отдельный сегмент. Сетевые коммутаторы ошибочно называют «интеллектуальными концентраторами».
Принцип работы
Концентратор работает на физическом уровне сетевой модели OSI, повторяет приходящий на один порт сигнал на все активные порты. В случае поступления сигнала на два и более порта одновременно возникает коллизия, и передаваемые кадры данных теряются. Таким образом, все подключенные к концентратору устройства находятся в одном домене коллизий. Концентраторы всегда работают в режиме полудуплекса, все подключенные устройства Ethernet разделяют между собой предоставляемую полосу доступа.
Многие модели концентраторов имеют простейшую защиту от излишнего количества коллизий, возникающих по причине одного из подключенных устройств. В этом случае они могут изолировать порт от общей среды передачи. По этой причине, сетевые сегменты, основанные на витой паре гораздо стабильнее в работе сегментов на коаксиальном кабеле, поскольку в первом случае каждое устройство может быть изолировано концентратором от общей среды, а во втором случае несколько устройств подключаются при помощи одного сегмента кабеля, и, в случае большого количества коллизий, концентратор может изолировать лишь весь сегмент.
В последнее время концентраторы используются достаточно редко, вместо них получили распространение коммутаторы — устройства, работающие на канальном уровне модели OSI и повышающие производительность сети путём логического выделения каждого подключенного устройства в отдельный сегмент, домен коллизии.
Понятие компьютерной сети. Виды сетей. Сетевые службы
Компьютерная сеть (вычислительная сеть, сеть передачи данных) — система связи между двумя или более компьютерами. Для передачи информации могут быть использованы различные физические явления, как правило — различные виды электрических сигналов или электромагнитного излучения.
По размеру, охваченной территории
Персональная сеть (PAN, Personal Area Network)
Локальная сеть (LAN, Local Area Network)
HomePNA
Городская сеть (MAN, Metropolitan Area Network)
Национальная сеть
Глобальная вычислительная сеть (WAN, Wide Area Network)
Сравнительная характеристика сетей (особенности локальных, глобальных и городских сетей)
По типу функционального взаимодействия
Клиент-сервер
Многослойная архитектура
Точка-точка
Одноранговая (P2P)
По типу сетевой топологии
Шина
Звезда
Кольцо
Решётка
Смешанная топология
Полносвязная топология
По функциональному назначению
Сети хранения данных
Серверные фермы
Сети управления процессом
Сети SOHO
По сетевым ОС
На основе Windows
На основе UNIX
На основе NetWare
Смешанные
По необходимости поддержания постоянного соединения
Пакетная сеть, например Фидонет и UUCP
Онлайновая сеть, например Интернет и GSM
Некоторые сетевые протоколы
Физический уровень
ISDN
RS-232
Канальный уровень
Ethernet
Token ring
FDDI
HDLC
GVRP
PPP, PPTP, L2TP
ATM
xDSL
Сетевой уровень
ICMP
IPv4, IPv6
IPX
Транспортный уровень
SPX
TCP
UDP (Unreliable/User Datagram Protocol)
RDP (Reliable Data Protocol)
RUDP (Reliable User Datagram Protocol)
RTCP
Сеансовый уровень
SSL
Уровень представления данных
ASN.1
XML-RPC
TDI
XDR
SNMP
FTP
Telnet
SMTP
NCP
Прикладной уровень
binkp
DHCP (в модели OSI располагают на транспортном уровне)
DNS
Finger
FTP
Gnutella
Gopher
HTTP
HTTPS
IMAP
IRC
XMPP
LDAP
NTP
NNTP
POP3
RDP (Remote Desktop Protocol)
SSH
SMTP
Telnet
SNMP
Реляционная алгебра: специальные реляционные
Операция ограничения
Операция ограничения требует наличия двух операндов: ограничиваемого отношения и простого условия ограничения. Простое условие ограничения может иметь либо вид (a comp-op b), где а и b - имена атрибутов ограничиваемого отношения, для которых осмысленна операция сравнения comp-op, либо вид (a comp-op const), где a - имя атрибута ограничиваемого отношения, а const - литерально заданная константа.
В результате выполнения операции ограничения производится отношение, заголовок которого совпадает с заголовком отношения-операнда, а в тело входят те кортежи отношения-операнда, для которых значением условия ограничения является true.
Пусть UNION обозначает операцию объединения, INTERSECT - операцию пересечения, а MINUS - операцию взятия разности. Для обозначения операции ограничения будем использовать конструкцию A WHERE comp, где A - ограничиваемое отношение, а comp - простое условие сравнения. Пусть comp1 и comp2 - два простых условия ограничения. Тогда по определению:
A WHERE comp1 AND comp2 обозначает то же самое, что и (A WHERE comp1) INTERSECT (A WHERE comp2)
A WHERE comp1 OR comp2 обозначает то же самое, что и (A WHERE comp1) UNION (A WHERE comp2)
A WHERE NOT comp1 обозначает то же самое, что и A MINUS (A WHERE comp1)
С использованием этих определений можно использовать операции ограничения, в которых условием ограничения является произвольное булевское выражение, составленное из простых условий с использованием логических связок AND, OR, NOT и скобок.
На интуитивном уровне операцию ограничения лучше всего представлять как взятие некоторой "горизонтальной" вырезки из отношения-операнда.
Операция взятия проекции
Операция взятия проекции также требует наличия двух операндов - проецируемого отношения A и списка имен атрибутов, входящих в заголовок отношения A.
Результатом проекции отношения A по списку атрибутов a1, a2, ..., an является отношение, с заголовком, определяемым множеством атрибутов a1, a2, ..., an, и с телом, состоящим из кортежей вида <a1:v1, a2:v2, ..., an:vn> таких, что в отношении A имеется кортеж, атрибут a1 которого имеет значение v1, атрибут a2 имеет значение v2, ..., атрибут an имеет значение vn. Тем самым, при выполнении операции проекции выделяется "вертикальная" вырезка отношения-операнда с естественным уничтожением потенциально возникающих кортежей-дубликатов.
Операция соединения отношений
Общая операция соединения (называемая также соединением по условию) требует наличия двух операндов - соединяемых отношений и третьего операнда - простого условия. Пусть соединяются отношения A и B. Как и в случае операции ограничения, условие соединения comp имеет вид либо (a comp-op b), либо (a comp-op const), где a и b - имена атрибутов отношений A и B, const - литерально заданная константа, а comp-op - допустимая в данном контексте операция сравнения.
Тогда по определению результатом операции сравнения является отношение, получаемое путем выполнения операции ограничения по условию comp прямого произведения отношений A и B.
Если внимательно осмыслить это определение, то станет ясно, что в общем случае применение условия соединения существенно уменьшит мощность результата промежуточного прямого произведения отношений-операндов только в том случае, когда условие соединения имеет вид (a comp-op b), где a и b - имена атрибутов разных отношений-операндов. Поэтому на практике обычно считают реальными операциями соединения именно те операции, которые основываются на условии соединения приведенного вида.
Хотя операция соединение в нашей интерпретации не является примитивной (поскольку она определяется с использованием прямого произведения и проекции), в силу особой практической важности она включается в базовый набор операций реляционной алгебры. Заметим также, что в практических реализациях соединение обычно не выполняется именно как ограничение прямого произведения. Имеются более эффективные алгоритмы, гарантирующие получение такого же результата.
Имеется важный частный случай соединения - эквисоединение и простое, но важное расширение операции эквисоединения - естественное соединение. Операция соединения называется операцией эквисоединения, если условие соединения имеет вид (a = b), где a и b - атрибуты разных операндов соединения. Этот случай важен потому, что (a) он часто встречается на практике, и (b) для него существуют эффективные алгоритмы реализации.
Операция естественного соединения применяется к паре отношений A и B, обладающих (возможно составным) общим атрибутом c (т.е. атрибутом с одним и тем же именем и определенным на одном и том же домене). Пусть ab обозначает объединение заголовков отношений A и B. Тогда естественное соединение A и B - это спроектированный на ab результат эквисоединения A и B по A/c и BBC. Если вспомнить введенное нами в конце предыдущей главы определение внешнего ключа отношения, то должно стать понятно, что основной смысл операции естественного соединения - возможность восстановления сложной сущности, декомпозированной по причине требования первой нормальной формы. Операция естественного соединения не включается прямо в состав набора операций реляционной алгебры, но она имеет очень важное практическое значение.
Операция деления отношений
Эта операция наименее очевидна из всех операций реляционной алгебры и поэтому нуждается в более подробном объяснении. Пусть заданы два отношения - A с заголовком {a1, a2, ..., an, b1, b2, ..., bm} и B с заголовком {b1, b2, ..., bm}. Будем считать, что атрибут bi отношения A и атрибут bi отношения B не только обладают одним и тем же именем, но и определены на одном и том же домене. Назовем множество атрибутов {aj} составным атрибутом a, а множество атрибутов {bj} - составным атрибутом b. После этого будем говорить о реляционном делении бинарного отношения A(a,b) на унарное отношение B(b).
Результатом деления A на B является унарное отношение C(a), состоящее из кортежей v таких, что в отношении A имеются кортежи <v, w> такие, что множество значений {w} включает множество значений атрибута b в отношении B.
Предположим, что в базе данных сотрудников поддерживаются два отношения: СОТРУДНИКИ ( ИМЯ, ОТД_НОМЕР ) и ИМЕНА ( ИМЯ ), причем унарное отношение ИМЕНА содержит все фамилии, которыми обладают сотрудники организации. Тогда после выполнения операции реляционного деления отношения СОТРУДНИКИ на отношение ИМЕНА будет получено унарное отношение, содержащее номера отделов, сотрудники которых обладают всеми возможными в этой организации именами.
Реляционная алгебра: теоретико-множественные
Особенности теоретико-множественных операций реляционной алгебры
Хотя в основе теоретико-множественной части реляционной алгебры лежит классическая теория множеств, соответствующие операции реляционной алгебры обладают некоторыми особенностями.
Начнем с операции объединения (все, что будет говориться по поводу объединения, переносится на операции пересечения и взятия разности). Смысл операции объединения в реляционной алгебре в целом остается теоретико-множественным. Но если в теории множеств операция объединения осмысленна для любых двух множеств-операндов, то в случае реляционной алгебры результатом операции объединения должно являться отношение. Если допустить в реляционной алгебре возможность теоретико-множественного объединения произвольных двух отношений (с разными схемами), то, конечно, результатом операции будет множество, но множество разнотипных кортежей, т.е. не отношение. Если исходить из требования замкнутости реляционной алгебры относительно понятия отношения, то такая операция объединения является бессмысленной.
Все эти соображения приводят к появлению понятия совместимости отношений по объединению: два отношения совместимы по объединению в том и только в том случае, когда обладают одинаковыми заголовками. Более точно, это означает, что в заголовках обоих отношений содержится один и тот же набор имен атрибутов, и одноименные атрибуты определены на одном и том же домене.
Если два отношения совместимы по объединению, то при обычном выполнении над ними операций объединения, пересечения и взятия разности результатом операции является отношение с корректно определенным заголовком, совпадающим с заголовком каждого из отношений-операндов. Напомним, что если два отношения "почти" совместимы по объединению, т.е. совместимы во всем, кроме имен атрибутов, то до выполнения операции типа соединения эти отношения можно сделать полностью совместимыми по объединению путем применения операции переименования.
Заметим, что включение в состав операций реляционной алгебры трех операций объединения, пересечения и взятия разности является очевидно избыточным, поскольку известно, что любая из этих операций выражается через две других. Тем не менее, Кодд в свое время решил включить все три операции, исходя из интуитивных потребностей потенциального пользователя системы реляционных БД, далекого от математики.
Другие проблемы связаны с операцией взятия прямого произведения двух отношений. В теории множеств прямое произведение может быть получено для любых двух множеств, и элементами результирующего множества являются пары, составленные из элементов первого и второго множеств. Поскольку отношения являются множествами, то и для любых двух отношений возможно получение прямого произведения. Но результат не будет отношением! Элементами результата будут являться не кортежи, а пары кортежей.
Поэтому в реляционной алгебре используется специализированная форма операции взятия прямого произведения - расширенное прямое произведение отношений. При взятии расширенного прямого произведения двух отношений элементом результирующего отношения является кортеж, являющийся конкатенацией (или слиянием) одного кортежа первого отношения и одного кортежа второго отношения.
Но теперь возникает второй вопрос - как получить корректно сформированный заголовок отношения-результата? Очевидно, что проблемой может быть именование атрибутов результирующего отношения, если отношения-операнды обладают одноименными атрибутами.
Эти соображения приводят к появлению понятия совместимости по взятию расширенного прямого произведения. Два отношения совместимы по взятию прямого произведения в том и только в том случае, если множества имен атрибутов этих отношений не пересекаются. Любые два отношения могут быть сделаны совместимыми по взятию прямого произведения путем применения операции переименования к одному из этих отношений.
Следует заметить, что операция взятия прямого произведения не является слишком осмысленной на практике. Во-первых, мощность ее результата очень велика даже при допустимых мощностях операндов, а во-вторых, результат операции не более информативен, чем взятые в совокупности операнды. Как мы увидим немного ниже, основной смысл включения операции расширенного прямого произведения в состав реляционной алгебры состоит в том, что на ее основе определяется действительно полезная операция соединения.
По поводу теоретико-множественных операций реляционной алгебры следует еще заметить, что все четыре операции являются ассоциативными. Т. е., если обозначить через OP любую из четырех операций, то (A OP B) OP C = A (B OP C), и следовательно, без введения двусмысленности можно писать A OP B OP C (A, B и C - отношения, обладающие свойствами, требуемыми для корректного выполнения соответствующей операции). Все операции, кроме взятия разности, являются коммутативными, т.е. A OP B = B OP A.
Проектирование реляционных баз данных с использованием нормализации
Реляционная база данных — база данных, основанная на реляционной модели. Слово «реляционный» происходит от английского «relation» (отношение[1]). Для работы с реляционными БД применяют Реляционные СУБД.
Теория реляционных баз данных была разработана доктором Коддом из компании IBM в 1970 году. В реляционных базах данных все данные представлены в виде простых таблиц, разбитых на строки и столбцы, на пересечении которых расположены данные. Запросы к таким таблицам возвращают таблицы, которые сами могут становиться предметом дальнейших запросов. Каждая база данных может включать несколько таблиц. Кратко особенности реляционной базы данных можно сформулировать следующим образом:
Данные хранятся в таблицах, состоящих из столбцов ("атрибутов") и строк ("записей", "кортежей" );
На пересечении каждого столбца и строчки стоит в точности одно значение;
У каждого столбца есть своё имя, которое служит его названием, и все значения в одном столбце имеют один тип.
Запросы к базе данных возвращают результат в виде таблиц, которые тоже могут выступать как объект запросов.
Строки в реляционной базе данных неупорядочены - упорядочивание производится в момент формирования ответа на запрос.
Общепринятым стандартом языка работы с реляционными базами данных является язык SQL.
Нормализация
Целью нормализации является устранение недостатков структуры базы данных, приводящих к вредной избыточности в данных, которая в свою очередь потенциально приводит к различным аномалиям и нарушениям целостности данных.
Теоретики реляционных баз данных в процессе развития теории выявили и описали типичные примеры избыточности и способы их устранения. Нормальная форма -- формальное свойство отношения, которое характеризует степень избыточности хранимых данных и возможные проблемы. Наиболее известные и важные нормальные формы:
Первая нормальная форма (1НФ, 1NF)
Вторая нормальная форма (2НФ, 2NF)
Третья нормальная форма (3НФ, 3NF)
Третья усиленная нормальная форма, или нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК, BCNF)
Четвёртая нормальная форма (4НФ, 4NF)
Пятая нормальная форма (5НФ, 5NF)
Доменно-ключевая нормальная форма (ДКНФ, DKNF).
Каждая следующая нормальная форма в этом списке (кроме ДКНФ) в некотором смысле является более совершенной, чем предыдущая, с точки зрения устранения избыточности.
Разрывное распределение памяти
Методы распределения памяти, при которых задаче уже не предоставляется сплошная (непрерывная) область памяти, называются разрывными. Для реализации этого метода нужно иметь соответствующую аппаратную поддержку – относительную адресацию: если указать адрес начала текущего фрагмента программы и величину смещения относительно этого начального адреса, то можно указать необходимую переменную или команду. Виртуальный адрес можно представить состоящим из двух полей:
- указатель на часть программы (с которой идет работы) для определения местоположения этой части;
- относительный адрес нужной ячейки памяти (по отношению к найденному адресу).
Программист может самостоятельно разбивать программу на фрагменты или возложить эту задачу на систему программирования.
Непрерывное распределение памяти
Простое непрерывное распределение – это самая простая схема, согласно которой вся память условно может быть разделена на три части:
- область, занимаемая операционной системой;
- область, в которой размещается исполняемая задача;
- незанятая ничем (свободная) область памяти.
Эта схема предполагает, что ОС не поддерживает мультипрограммирования, поэтому не возникает проблемы распределения памяти между несколькими задачами. Чтобы предоставить задачам максимальный объем памяти, ОС строится таким образом, чтобы постоянно в памяти располагалась только самая нужная ее часть – ядро ОС, остальные модули загружаются при необходимости.
Эта схема влечет два вида потерь:
- потери процессорного времени из-за простоя в связи с вводом/выводом;
- потери самой оперативной памяти, так как она не всегда используется полностью.
Если программа должна будет использовать логическое (и виртуальное) адресное пространство, которое превышает свободную область памяти, или больше всей памяти компьютера, то используется распределение с перекрытием, оверлейная структура. Этот метод предполагает, что вся программа может быть разбита на части – сегменты. Каждая оверлейная программа имеет одну главную часть (main) и несколько сегментов (segment), причем, в памяти одновременно могут находиться только главная часть и один или несколько сегментов.
Понятие планирования вычислительных процессов. Стратегии планирования.
Понятие процесса. Процесс и программа. Состояния процесса. Управляющий блок процесса и его контекст. Операции над процессами. Переключение контекста. Уровни планирования процессов. Критерии планирования и требования к алгоритмам планирования. Параметры планирования. Вытесняющее и невытесняющее планирование. Алгоритмы планирования: FCFS, RR, SJF, гарантированное планирование, приоритетное планирование, многоуровневые очереди, многоуровневые очереди с обратной связью.
Понятие процесса в UNIX, его контекст. Идентификация процесса. Краткая диаграмма состояний процессов в UNIX. Иерархия процессов. Системные вызовы getpid () и getppid (). Создание процесса в UNIX. Системный вызов fork (). Завершение процесса. Функция exit (). Параметры функции main () в языке С. Переменные среды и аргументы командной строки. Изменение пользовательского контекста процесса. Семейство функций для системного вызова exec ().
Стратегия планирования
Стратегия планирования (краткосрочное планирование, диспетчеризация) определяет, какие процессы планируются на выполнение для того, чтобы достигнуть поставленной цели. Стратегий планирования много, но основные из них следующие:
- по возможности заканчивать вычисления в том же порядке, в котором он были начаты;
- отдавать предпочтение более коротким задачам;
- предоставлять всем пользователям одинаковые услуги, в том числе и одинаковое время ожидания.
Стратегия планирования связана с понятием процесс, а не задача, так как процесс может состоять из нескольких задач (потоков).
Дисциплины диспетчеризации
Диспетчеризация связана с понятием задачи (потока). Если ОС не поддерживает механизма потоков, то понятие задачи можно заменить на понятие процесса.
Диспетчеризация с динамическими приоритетами требует дополнительных расходов на вычисление значений приоритетов, поэтому многие ОС реального времени используют методы диспетчеризации на основе статических (постоянных) приоритетов.
Самой простой в реализации является дисциплина FCFS (first come – first served), задачи обслуживаются в порядке очереди, т.е. в порядке их появления. Задачи, приостановленные для ожидания какого-либо ресурса, после перехода в состояние готовности становятся в эту очередь перед задачами, которые еще не выполнялись.
Образуются две очереди:
- новые задачи;
- ранее выполнявшиеся, но попавшие в состояние ожидания.
Дисциплина FCFS реализует стратегию обслуживания «по возможности заканчивать вычисления в порядке их появления». Эта дисциплина не требует внешнего вмешательства в ход вычислений и перераспределения процессорного времени. По классу диспетчеризации (вытесняющие и не вытесняющие) дисциплина FCFS относится к не вытесняющим.
Достоинства дисциплины FCFS:
- простота реализации;
- малые расходы системных ресурсов на формирование очереди задач.
Основной недостаток – при увеличении загрузки вычислительной системы растет среднее время ожидания обслуживания, короткие задачи ожидают столько же времени, как и трудоемкие.
Дисциплина обслуживания SJN (shortest job next) требует, чтобы для каждого задания была известна оценка в потребностях процессорного времени. Пользователи должны были указывать предположительное время выполнения. Диспетчер задач сравнивал указанное время с реальным временем выполнения и, если время выполнения превышало указанное, то помещал это задание в конец очереди.
Дисциплина обслуживания SJN предполагает, что имеется только одна очередь заданий, готовых к выполнению. Если задание было временно заблокировано из-за занятости какого-либо ресурса, то оно помещается в конец очереди готовых к выполнению заданий наравне с вновь поступившими. Задания, которым требуется совсем немного времени для завершения, попадают в конец очереди.
Для устранения этого недостатка была предложена дисциплина SRT (shortest remaining time, следующее задание требует меньше всего времени для своего завершения).
Перечисленные три дисциплины обслуживания могут использоваться для пакетных режимов работы, когда не важно время отклика.
Для интерактивной работы надо обеспечить приемлемое время реакции системы и равенство в обслуживании, если система мультитерминальная. Интерактивные задания должны иметь преимущество перед фоновыми. Эти условия решены в дисциплине RR (round robin – круговая, карусельная).
Дисциплина обслуживания RR предполагает, что каждая задача получает процессорное время порциями (квантами). После окончания выделенного кванта времени задача снимается с исполнения и на выполнение выбирается следующая задача. Снятая задача помещается в конец очереди готовых к выполнению задач.
Величина кванта времени выбирается как компромисс между приемлемым временем реакции системы на запросы пользователей и накладными расходами на частоту смены контекста задач.
Понятия вычислительного процесса, треда, ресурса. Прерывания.
Объяснить понятия task, process, thread
Понятие вычислительного процесса и ресурса является основными при
рассмотрении ОС. Последовательный процесс (задача) – выполнение отдельной
программы. Процессор, являющийся носителем данных выполняет операции
связанные с их обработкой. примеры процессов задач (прикладные программы
пользователей, утилиты). Процессом может быть редактирование текста,
трансляция исходной программы, её компоновка, исполнение.
Thread (поток, тред) 0 легковесный процесс.
У каждого процесса имеется свое адресное пространство и выделенные
ресурсы. Такая обособленность нужна для того, чтобы защитить один процесс
от другого. поскольку они совместно используют все ресурсы вычислительной
системы, конкурируют друг с другом. В общем случае процессы никак не
связаны между собой и могут принадлежать даже различным пользователям. ОС
считает процессы несвязанными и независимыми при этом ОС берет на себя
роль арбитра в конкуренции по поводу ресурсов.
Треды или потоки легковесными эти задачи называют потому, что ОС не
должна для них организовывать полноценную виртуальную машину. Эти задачи не
имеют собственных ресурсов. Они развиваются в том же виртуальном адресном
пространстве, могут пользоваться теми же файлами, виртуальными устройствами
и иными ресурсами, что и данный процесс. Единственное, что необходимо треду
– процессорный ресурс. В однопроцессорной системе треды разделяют между
собой процессорное время также, как это делают обычные процессы. В
мультипроцессорной системе треды могут выполняться одновременно если не
встречают конкуренции из-за обращения к другим ресурсам.
Прерывания представляют собой механизм позволяющий координировать
параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и
реагировать на особые состояния возникающие при работе процессора.
Прерывания – это принудительная передача управления от выполняющейся
программы к системе, а через неё к соответствующей программе обработки
прерываний, происходящая при определенном событии. Основная цель введения
прерываний – реализация асинхронного режима работы и распараллеливания
работы отдельных устройств вычислительного комплекса. Механизм прерываний
реализуется аппаратно-программными средствами.
Структуры систем прерываний могут быть самыми различными, но все они
имеют общую особенность – прерывание непременно ведет за собой изменение
порядка выполнения команд процессором. Механизм обработки прерываний
включает в себя следующие элементы:
1. Установление факта прерывания (прием и идентификация сигнала на
прерывание).
2. Запоминание состояния прерванного процесса (состояние процесса
определяется значением счетчика команд, содержимым регистра
процессора, спецификацией режима: пользовательский или
привилегированный)
3. Управление аппаратно передается программе обработки прерывания. В этом
случае, в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы
обработки прерывания, а в соответствующие регистры из слова
состояния.???
4. Сохранение информации прерванной программе, которую не удалось спасти
с помощью действий аппаратуры.
5. Обработка прерывания. Работа может быть выполнена той же
подпрограммой, которой было передано управление на 3-ем шаге, но в ОС
чаще всего эта обработка реализуется путем вызова соотв. подпрограммы.
6. восстановление информации относящейся к прерванному процессу.
7. Возврат в прерванную программу.
Первые 3 шага реализуются аппаратными средствами, а остальные –
программно.
Главные функции механизма прерывания:
1. Распознавание или классификация прерывания.
2. Передача управления обработчику прерывания.
3. Корректное возвращение к прерванной программе
Прерывания возникающие при работе выч. системы можно разделить на
внешние и внутренние. Внешние прерывания вызываются асинхронными событиями,
которые происходят вне прерываемого процесса. Пример – прерывание от
таймера, прерывание от внешних устройств, прерывание по вводу/выводу,
прерывание по нарушению питания, прерывание с пульта оператора, прерывание
от другого процессора или другой ОС.
Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой
процессора и являются синхронными с его операциями. Например: при нарушении
адресации (когда указан запрещенный или несуществующий адрес) либо
обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации
виртуальной памяти; при наличии в поле кода операции незадействованной
2ичной комбинации; при делении на 0; при переполнении или исчезновения
порядка; при обнаружении ошибок четности, ошибок в работе различных
устройств аппаратуры средствами контроля.
Программные прерывания. Эти прерывания происходят по соответствующей
команде прерывания т. е. по этой команде процессор осуществляет те же
действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Данный механизм был
специально введен для того, чтобы переключение на системные программные
модули происходило не просто как переход на подпрограмму, а точно таким же
образом как и в обычных прерываниях. Этим обеспечивается автоматическое
переключения процессора в привилегированный режим с возможностью
исполнения любых команд. Сигналы, вызывающие прерывания, формируются вне
процессора или в самом процессоре, при этом возникать они могут
одновременно. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе
приоритета, приписанных к каждому типу прерывания. Учет приоритета
прерывания может быть встроен в технические средства, а также определяться
ОС.
Понятие операционной системы (ОС) и ее основные функции.
Операционные системы. Общие характеристики.
ОС - Служат для управления ресурсами компьютера и обеспечения взаимодействия всех устройств на компьютере с человеком посредством программ. Компоненты ОС делятся на системные и прикладные.
Делятся на однопользовательские и многопользовательские, однозадачные и многозадачные, с текстовым или графическим интерфейсом.
ОС – совокупность программных средств, обеспечивающих управление процессов обработки информации, запуск прикладных программ, их взаимодействие с аппаратными средствами. MSDOM, MSWindows, WindowsNT, Unix. Сетевые ОС предназначены для обеспечения доступа пользователя по всем ресурсам вычислительной сети. WindowsNT, Unix, Novell NetWare, IBM LAN. ОС бывают однозадачные, однопользовательские, многозадачные, многопользовательские, сетевые.
Пользовательский интерфейс делится на командный и объективно-ориентированный. Командный предполагает ввод команд с клавиатуры для управления ресурсами компьютера. Объективно-ориентированный интефейс – управление ресурсами вычислительной системы посредством осуществления опреций над объектами. ОС делятся: 1) по типу доступа пользователя: пакеты обработки, 2) на однопользовательские и многопользовательские, 3) по типу задач: однозадачные, многозадачные, 4) по количеству процессов: однопроцесные, многопроцессные, 5) по типы интерфейса. Программный интерфейс см. предыдущий билет – описания программ.
Стратегии создания и распространения ПО
Состоит из операционной системы (ОС) и программ пользователя. ОС состоит из утилит, библиотеки подпрограмм, языковых трансляторов, программы - компоновщика, редактора, монитора, загрузчика.
Написание программы начинается с постановки задачи и с создания математической модели. Затем пишется алгоритм, который представляет собой пошаговую процедуру решения задачи. Программа пишется на языке высокого уровня. Языки высокого уровня не связаны с архитектурой данной машины.
Программа, написанная на языке высокого уровня называется исходным модулем. Программа - транслятор преобразует исходный модуль программу на языке машинных кодов называется объектным модулем. Машинный код для каждой машины свой. Программа - редактор используется для ввода текста программы в ЭВМ и ее последующего редактирования. Программа - компоновщик связывает объектные модули, являющиеся результатом трансляции программ и подпрограмм считанных из библиотеки подпрограмм. Программа -отладчик позволяет выполнять программу по одной или нескольким командам за один шаг, что позволяет программисту проверять результат выполнения отдельных частей программы.
Для ввода программы с клавиатуры или ВЗУ, используется программа, называемая загрузчиком. В ее функции входит операция чтения или записи по заданному адресу памяти, а так же выполнение работ по отладке и обслуживанию программ. В последнем случае программа - загрузчик называется монитором. Она может быть записана в память машины, тогда она называется резидентной. Выполнение загрузки программы в память начинается с передачи управления по первому адресу программы.
Структура системного программного обеспечения.
На рис. 8.10 представлена структура системного программного обеспечения — базового пр ограммного обеспечения, которое, как правило, поставляется вместе с компью¬тером, и сервисного программного обеспечения, которое может быть приоб¬ретено дополнительно.
Базовое программное обеспечение (base software) — минимальный набор программных средств, обеспечивающих работу компьютера. Сервисное программное обеспечение — программы и программные ком¬плексы, которые расширяют возможности базового программного обеспе¬чения и организуют более удобную среду работы пользователя.
Рис. 8.10. Классификация-системного программного обеспечения компьютера
Базовое программное обеспечение
В базовое программное обеспечение входят:
операционная система;
операционные оболочки (текстовые и графические);
сетевая операционная система.
Сервисное программное обеспечение
Расширением базового программного обеспечения компьютера является набор сервис¬ных, дополнительно устанавливаемых программ, которые можно классифицировать по функциональному признаку следующим образом:
программы диагностики работоспособности компьютера;
антивирусные программы, обеспечивающие защиту компьютера, обнаружение и вос¬становление зараженных файлов;
программы обслуживания дисков, обеспечивающие проверку качества поверхности магнитного диска, контроль сохранности файловой системы на логическом и физичес¬ком уровнях, сжатие дисков, создание страховых копий дисков, резервирование дан¬ных на внешних носителях и др.;
программы архивирования данных, которые обеспечивают процесс сжатия информа¬ции в файлах с целью уменьшения объема памяти для ее хранения;
программы обслуживания сети.
Эти программы часто называются утилитами.
Утилиты — программы, служащие для выполнения вспомогательных опе¬раций обработки данных или обслуживания компьютеров (диагностики, тестирования аппаратных и программных средств, оптимизации использо¬вания дискового пространства, восстановления разрушенной на магнитном диске информации и т.п.)
Типы и назначения ЭВМ. Принципы построения ЭВМ.
Создано 4 поколения ЭВМ:
1. 1946 г. создание машины ЭНИАК на электронных лампах. Запоминающие устройства (ЗУ) были построены на электронных. лампах, электронно - лучевых трубках (ЭЛТ) и линиях задержки.
2. 60-е годы. ЭВМ построены на транзисторах, ЗУ на транзисторах, линиях задержки и ферритовых сердечниках.
3. 70-е годы. ЭВМ построены на интегральных микросхемах (ИМС). ЗУ на ИМС.
4. Начало создаваться с 1971 г. с изобретением микропроцессора (МП). Построены на основе больших интегральных схем (БИС) и сверх БИС (СБИС).
Пятое поколение ЭВМ строится по принципу человеческого мозга, управляется голосом, используется новая технология на основе арсенида галлия.
ЭВМ предназначены для обработки информации и отображения результатов обработки. Для решения задачи должна быть написана программа.
Во время решения задачи программа и операнды (числа, над которыми производится операции) находятся в оперативной памяти (ОЗУ). Быстродействие ОЗУ соизмеримо с быстродействием АЛУ. В процессе решения задачи АЛУ постоянно взаимодействует с ОЗУ, передавая в ОЗУ промежуточные и конечные результаты и получая из ОЗУ операнды действия всех частей ЭВМ при решении задачи осуществляется под воздействием управляющих сигналов, вырабатываемых устройством управления в соответствии с программой, записанной в ОЗУ.
ПЗУ предназначено для хранения стандартных программ, таких как sin и cos, констант , е.
Существует еще сверх ОЗУ (СОЗУ), которое обладает малым объемом и высоким быстродействием. СОЗУ применяется для кратковременного хранения операндов и промежуточных результатов.
Качество ЭВМ определяется: объемом ОЗУ (т.е. количеством одновременно хранимых в ОЗУ двоичных слов); быстродействием, определяемым количеством операций в сек. После выполнения задачи, программа и результаты через устройство вывода записываются во внешнее ЗУ. В качестве внешних ЗУ используются магнитная лента, гибкий магнитный диск, магнитный барабан, перфолента, перфокарты. Программа вводится в ОЗУ с внешних ЗУ или с клавиатуры через устройство ввода.
Кодирование числовой, текстовой, графической, звуковой информации
Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам, очень важно унифицировать их форму представления — для этого обычно используется прием кодирования, то есть выражение данных одного типа через данные другого типа. Естественные человеческие языки — это не что иное, как системы кодирования понятий для выражения мыслей посредством речи. К языкам близко примыкают азбуки (системы кодирования компонентов языка с помощью графических символов). Своя система существует и в вычислительной технике — она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух знаков: 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами, по-английски — binary digit или сокращенно bit (бит). Одним битом могут быть выражены два понятия: 0 или 1 (да или нет, черное или белое, истина или ложь и т. п.). Если количество битов увеличить до двух, то уже можно выразить четыре различных понятия:
00 01 10 11
Тремя битами можно закодировать восемь различных значений:
000 001 010 011 100 101 110 111
Увеличивая на единицу количество разрядов в системе двоичного кодирования, мы увеличиваем в два раза количество значений, которое может быть выражено в данной системе, то есть общая формула имеет вид:
N=2m,
где N— количество независимых кодируемых значений;
т — разрядность двоичного кодирования, принятая в данной системе.
Системы счисления: формула числа, перевод чисел
Позиционные системы счисления
В привычной для нас десятичной системе счисления используют 10
цифр: 0,1,2,…,9 и каждое число представлено как :
m −1
N = ∑ ai10i
i =− s
где i – номер разряда,
a – одна из цифр от 0 до 9,
s – количество разрядов в дробной части числа,
m - количество разрядов в целой части числа.
Например, 405.35=4*102+0*101+5*100+3*10-1+5*10-2
Но десятичная система счисления далеко не единственно возможная.
В общем случае число N в некоторой позиционной системе счисления с
основанием P записывается как
m −1
N = ∑ ai P i ,
i =− s
где a –цифра от 0 до P-1,
P – основание системы счисления.
Позиционными системами счисление называются такие, у которых
вес каждой цифры a зависит от позиции в изображении числа. Так римская
система счисления непозиционная.
Максимальное целое число, которое может быть представлено в m
разрядах:
N max = P m − 1.
Минимальное значащее (не равное 0) число, которое можно записать
в s разрядах дробной части:
N min = P − s .
Любое число в двоичной системе представляет несколькими
двоичными разрядами, каждый разряд несет информацию равную 1 биту.
Поэтому каждый разряд и называют просто битом. Пример двоичного
числа с дробной частью:
1010.0012=1*23+0*22+1*21+0*20+0*2-1+0*2-2+1*2-3=10.12510.
Недостаток двоичной системы – слишком громоздкая запись.
Например,
17310=10101101.
Итак, выше приведены примеры перевода чисел из двоичной,
восьмеричной и шестнадцатеричной систем счисления в десятичную.
Алгоритм обратного перевода заключается в следующем. Число в
десятичной системе счисления последовательно делится на основание
системы счисления, в которую надо переводить. В качестве цифр нового
представления берутся остатки от деления в обратном порядке, начиная с
младшего остатка.
Для перевода дробных частей десятичных чисел используют
следующий алгоритм. Число в десятичной системе счисления необходимо
последовательно умножать на основание системы счисления, в которую
надо переводить. Причем умножать надо только очередную дробную
часть, игнорируя возникающие целые части. В качестве цифр берутся
целые части результатов умножения. Так происходит до тех пор, пока
дробная часть не станет равной нулю или не достигается заданная
точность.
На рис.4 приведен пример перевода 0.62510 в двоичную систему
счисления.
0.625
* 2
1.250
* 2
0.500
* 2
1.000
Рис.4
Таким образом, 0.62510=0.1012.
Для перевода из двоичной в восьмеричную систему счисления
число в двоичной системе необходимо разбить по три цифры (на триады)
справа налево, и вместо каждой триады записать восьмеричную цифру
соответствующую двоичному коду триады. Например, необходимо
перевести 11011110112 в восьмеричную систему счисления, тогда
001 101 111 011
1 5 7 3
Таким образом, 11011110112=15738.
Аналогично, при переводе в шестнадцатеричную систему счисления
двоичное число разбивается по четыре цифры (на тетрады). Например,
переведем 11011110112 в шестнадцатеричную систему счисления.
0011 0111 1011
3 7 11
Таким образом, 11011110112=37В16 .
Обратный перевод из восьмеричной или шестнадцатеричной
системы счисления в двоичную очень прост, каждая цифра записывается в
двоичном коде по триадам или тетрадам.
27
1238 = 1 010 0112
А1716 = 1010 0001 01112 .
Для изображения двоичных чисел часто используют двоично-
десятичную систему счисления. В этой системе для изображения каждой
десятичной цифры отводится тетрада. Например, десятичное число 925 в
двоично-десятичной системе запишется в виде 1001 0010 0101. Следует
обратить внимание, что эта запись отличается от двоичного изображения
данного числа. Например, приведенный выше код в двоичной системе
изображает число 234110.
Разрушающие программные воздействия. Защита от программных "вирусов"
По среде обитания вирусы деляться на сетевые, файловые, загрузочные и файлово-загрузочные. По способу размещения в памяти – резидентные и нерезидентные. Вирусы неопасные и опасные. Делятся по особенностям алгоритма: - вирусы ***, - паразитические вирусы, - рефлекоры (черви), - невидимки (стелс), мутанты (полиморфные вирусы), - макровирусы, - троянские программы.
По целостности делятся на монолитные и распределенные. Сетевые вирусы распространяются по компьютерным сетям. Загрузочный вирус внедряется в загрузочный сектор диска – boot сектор, Master Boot сектор. Файловые вирусы инфицируют исполняемые файлы .exe, .com. Макровирусы написаны с помощью встроенных языков, MS Word, MS Excel. Загрузочно-файловые вирусы способны заражать как загрузочно-файловые диски, так и исполняемые файлы системы. Компаньоны вируса – вирусы, которые не изменяют память, они создают для exe-файлов новые файловые спутники (дубликаты), имеющие расширение .com. Паразитические вирусы – изменяют содержимое дисковых секторов и файлов. Вирусы (черви) – распространяются в компьютерных сетях, они проникают в память, вычисляют сетевые адреса и распространяют по ним свои копии. Они уменьшают пропускную способность сети. Вирусы (невидимки) – используют набор средств для маскировки своего пребывания в ЭВМ. Они перехватывают обращение операционной системы к поврежденным файлам или секторам диска и подставляют в незараженные участки. Полиморфные вирусы копируют собственное тело различными способами в процессе распространения каждая различная копия не содержит одинакового кода. Пример: One Half. Макровирусы используют макроязыки, электронные таблицы, текстовые редакторы. Троянская программа маскируется под полезную интересную программу, выполняет во время своего функционирования разрушительную работу или сбор информации, не подлежащей разглашению. Для борьбы с вирусами есть антивирусные программы. Они могут выявлять, диагностированить, лечить (уничтожать) вирусы, делают прививку здоровой программе. Виды антивирусных программ: - детекторы (сканеры), - доктора (дизинфекторы), - ревизоры, - фильтры (сторожа, мониторы). 1) программы-детекторы рассчитаны на обнаружение конкретных видов и основаны на сравнении характеристической последовательности байтов, содержащихся в теле вирусов с байтами проверенных программ. Для устранения недостатка программы-детекторы стали снабжаться блоками эвристического анализа программ, способные обнаружить новые неизвестные вирусы но характ. для всех вирусов кодовым последовательностям (Doctor Web). 2) Программы-доктора находят файлы, зараженные вирусом, и лечат их, удаляя тело вируса из файлов (AVP Antiviral Toolkit Pro). 3) программы-ревизоры анализуруют текущее состояние файлов и системных областей диска и сравнивают его с информацией, сохраненной ранее в одном из файлов ревизора, при этом проверяется состояние boot сектора, bat таблицы, Winamp файлов, их время создания, атрибуты и контр. сумма, которая получается путем суммирования по модулю 2 всех файлов. V изменение программ файла автоматич. приводит к изменению контр. Ревизоры контролируют диск, читая его по секторам, через BIOS и не испр-ют системное прерывание DOS, которое может перехватить вирус. Ревизоры имеют очень высокую скорость работы и спосбны противостоять вирусам, находящемся в памяти. Они не используют *** изв. вирусов и особенно эффективны при обнаружении новых вирусов, противоядие к которым еще не придумано. 4) Это ресурс. программы, которые оповещают пользователя обо всем, попытках какой-либо программы выполнить следующие действия: форматиорование диска, резедентное размещение программ в ОЗУ, обновление программных файлов и системной области диска (AVP монитор, Norton Antivirus 4.0). Меры защиты ЭВМ от вирусов: необходимо оснащать ЭВМ современными антивирусными программами. При работе в глобальных сетях нужен фильтр. Проверять дискеты, архивы после разархивации, защищать дискеты от записи на чужих компьютерах, не следует оставлять дискеты в дисководе при включении или перезагрузки ЭВМ, т.к. это может привести к заражению загрузочными вирусами
Классификация возможных каналов утечки информации
Информационная система [пользователи, сердства хранения и обработки информации, телефон/радио, информационные ресурсы (документы – библиотеки, архивы БД, БЗ), средства передачи информации (проводника радио оптическая), носитель информации (бумага, звук, фото, видео, магнитн. носит., спец. носитель информации)]. Сбор сведений, направленный на овладение чужими секретами называется сбором конфедициальной информации, при этом конкуренты получают более достоверную информацию. Источники информации – материальные объекты, обладающие определенными сведениями, представл. конкретный интерес для конкурентов. 1) люди – яв-ся облад-ми и распростран-лями в рамках своих функц-ых заданий. Они способны анализировать, обобщать, делать выводы, скрывать, воровать и продавать информацию. 2) документы. Судебные дела – особая опасность. 3) публикации (книги, статьи, доклады). 4) технические носители информации и документов: информация может быть фиксированной и нефиксированной (магнитная запись) – знание которой обладают ученые и специалисты. 5) технические средства обработки информации (телефон, связь, телеграф и факс, сист. радио и спутник связи). Все они могут являться дист. преобр. одного вида энергии в другой и спос. обр-ть магн. каналы утечки сведений. 6) выпускаемая продукция. промышленные и производственные отходы.
С точки зрения степени участия предприятий и субъектов (конкурента) в информационном процессе с противоположными интересами различ. след. действий: 1) разглашение информации ее владельц. (рестораны, бары, сауны). 2) утечка информации. 3) несанкционированный доступ.
Разглашение информации возможно через откр. или закр. печать. Обычно утечка информации возникает из-за сотрудников.
Существует 4 вида каналов утечки информации: акустич., эл. магн., материально-веществ. несанкц. доступ – способ получения охранных сведений незаконным путем. Способы несанкц. доступа: инициат. сотрудн. вербовка, пытка, подслушивание, хищение, копирование, подделка, уничтож. незакон. подключ. к линиям связи, перехват, фотографирование, сбор и обр-ка аналитич. информации. Use в своих интересах те или иные физич. поля через которые созд. сист. перед. инф-ции друг друга (также сист. наз-ся сист. связи). V сист. связи сост. из источн. информации, передатчика, канала передачи информации, приемника и получателя сведений. Наряду с сист. связи всегда существует и канал утечки информации.
. ОГРАНИЧЕНИЕ ДОСТУПА К ИНФОРМАЦИИ, ХРАНЯЩЕЙСЯ НА КОМПЬЮТЕРЕ.
Под этим понимается исключение несанкционированного доступа к ней. Она она обеспечивается прораммными и аппаратными средствами с применением: 1) паролей, 2) шифрованием данных, 3) уничтожением файлов после их удаления, 4) иск-ние электр. ключей, 5) изготовление ЭВМ со спец. защищенным исполнением. Пароли применяются для идентификации пользователей и ограничение их прав в сети. Шифрование – это такое преобразование данных, в результате которого их можно прочесть только с помощью ключей. Криптография – наука, изучающая шифрование. Криптогр. незашифр. текста – открытый, зашифр. – секретный текст. Существует 2 способа: традиционная криптогр. и криптогр. открытым ключом. В традиц. криптогр. используются одни и те же ключи. В крипт. с открытым ключом исп. 2 ключа: открытый для шифрования и закрытый для дешифрования. Плгоритм шифр. открытым ключом – симметричный, двумя – ассиметричный. Последний способ позволяет передавать информацию по сетям. Для защиты компьютера от несанкционированного доступа применяются различ. программные средства – Diskmon, Diskreet (создает и обслуживает скрытые диски, шифрует файлы, исп. симметрич. алгоритм). Wipeinfo.exe – уничтожает файлы после их удаления. Электр. ключи относятся к аппаратным средствам защиты. Инф-ция – это сведения о лицах, предметах, событиях, явлениях, отображаемые на матерьяльных носителях и исп. в целях получения знаний и практических решений.
Понятия информатики, информационных технологий, информации, файла
Информатика (от французского information - информация и automatioque -автоматика) - область научно-технической деятельности, занимающаяся исследованием процессов получения, передачи, обработки, хранения, представления информации, решением проблем создания, внедрения и использования информационной техники и технологии во всех сферах общественной жизни; одно из главных направлений научно-технического прогресса.
В некоторых более кратких определениях информатика трактуется как особая наука о законах и методах получения и измерения, накопления и хранения, переработки и передачи информации с применением математических и технических средств. Однако все имеющиеся определения отражают наличие двух главных составляющих информатики - информации и соответствующих средств ее обработки. Бытует и такое, самое краткое определение: информатика - это информация плюс автоматика.
Понятие информации, её виды и свойства.
Информация в переводе с латинского языка означает: разъяснение, изложение чего-либо или сведения о чём-либо.
Виды информации:
- текстовая;
- числовая;
- графическая;
- звуковая;
- световая;
- электромагнитная (информация электромагнитных волн).
Свойства информации.
Информация выступает как свойство объектов и явлений (процессов) порождать многообразие состояний, которые посредством отражения передаются от одного объекта к другому и запечатляются в его структуре (возможно, в измененном виде).
Целевая функция информации характеризуется способностью влиять на процессы управления, на соответствующее целям управления поведением людей. В этом, по существу, и состоит полезность или ценность информации.
Информация охватывает все сферы, все отрасли общественной жизни, прочно входит в жизнь каждого человека, воздействует на его образ мышления и поведение. Она обслуживает общение людей, социальных групп, классов, наций и государств, помогает людям овладеть научным мировоззрением, разбираться в многообразных явлениях и процессах общественной жизни, повышать уровень своей культуры и образованности, усваивать и соблюдать законы и нравственные принципы. Огромную, ничем незаменимую роль выполнят информация в управленческой деятельности. По существу, без информации не может быть и речи о любом виде управления, о целенаправленной деятельности взаимосвязанных объектов и систем.
Меры информации: синтаксическая, семантическая, прагматическая.
Синтаксическая (техническая) - это точность, надежность, скорость передачи сигналов и т.д.; Семантическая - это передача смысла текста с помощью кодов;
Прагматическая - это насколько эффективно информация влияет на поведение объекта.
Основные показатели качества информации
Анализируя информацию, мы сталкиваемся с необходимостью оценки качества и определения количества получения информации. Определить качество . информации чрезвычайно сложно, а часто и вообще невозможно. Какие-либо сведения, например исторические, могут десятилетиями считаться ненужными и вдруг их ценность может резко возрасти. Вместе с этим определить количество информации не только нужно, но и можно. Это прежде всего необходимо для того, чтобы сравнить друг с другом массивы информации, определить, какие размеры должны иметь материальные объекты (бумага, магнитная лента и т.д.), хранящие эту информацию.
Итерация и рекурсия в программировании.
Итерация в программировании
Итерация - это организации обработки данных, при котором действия повторяются многократно, не приводя при этом к вызовам самих себя.
Когда какое-то действие необходимо повторить большое количество раз, в программировании используются циклы. Например, нужно вывести 100 раз на экран текст «Hello, World!». Вместо 100-кратного повторения одной и той же команды вывода текста часто создается цикл, который прокручивается 100 раз, и 100 раз выполняет то, что написано в теле цикла. Один шаг цикла и называется итерацией.
В программировании рекурсия — вызов функции (процедуры) из неё же самой, непосредственно (простая рекурсия) или через другие функции (сложная рекурсия), например, функция A вызывает функцию B, а функция B — функцию A. Количество вложенных вызовов функции или процедуры называется глубиной рекурсии.
Мощь рекурсивного определения объекта в том, что такое конечное определение способно описывать бесконечно большое число объектов. С помощью рекурсивной программы же возможно описать бесконечное вычисление, причём без явных повторений частей программы.
Имеется специальный тип рекурсии, называемый «хвостовой рекурсией». Интерпретаторы и компиляторы функциональных языков программирования, поддерживающие оптимизацию кода (исходного и/или исполняемого), выполняют хвостовую рекурсию в ограниченном объёме памяти при помощи итераций.
Следует избегать избыточной глубины рекурсии, так как это может вызвать переполнение стека вызовов.
Итеративная и рекурсивная схема организации
вычислительного процесса
Для того чтобы лучше понять особенности рекурсивных алгоритмов, полезно сопоставить итеративнную и рекурсивную огранизацию процесса вычислений в программе. Особенности итеративного и рекурсивного вычислительного процесса рассмотрим на примере вычисления значения факториала некоторого натурального числа N.
Итеративная схема организации вычислительного процесса
Итеративный процесс можно проиллюстрировать с помощью схемы, приведенной на рис. 55. Этот процесс состоит из четырех блоков: инициализации, принятия решения (о продолжении вычислений), вычисления и модификации.
В основе итеративного вычислительного процесса лежит итеративный цикл While, Repeat-Until, For. Наиболее общим является цикл While:
While < условие цикла > do < тело цикла >;
Итеративная схема вычисления факториала:
N! = 1 * 2 * 3 * … * N.
Процедура, реализующая итеративную схему вычисления факториала:
Procedure Iter_Fact ( n: word; var f: word );
Var i: word;
begin
i:=1; f:=1; { инициализация }
while i < = n do begin { решение о завершении }
f:= f * i; { вычисления }
inc( i ); { модификация }
end;
end;
Существует два важных положения, известных в математике и в программировании, определяющих соотношение между итерацией и рекурсией.
1. Любой итеративный цикл может быть заменен рекурсией.
2. Рекурсия не всегда может быть заменена итерацией.
Рекурсивная схема организации вычислительного процесса
Общая схема рекурсивного вычислительного процесса представлена на рис. 56
Так как обращаться к рекурсивной процедуре можно как из нее самой, так и извне, каждое обращение к рекурсивной процедуре вызывает ее независимую активацию. При каждой активации образуются копии всех локальных переменных и формальных параметров рекурсивной процедуры, в которых “оставляют следы” операторы текущей активации. Таким образом, для рекурсивной процедуры может одновременно существовать несколько активаций. Для обеспечения правильного функционирования рекурсивной процедуры необходимо сохранять адреса возврата в таком порядке, чтобы возврат после завершения каждой текущей активации выполнялся в точку, соответствующую оператору, непосредственно следующему за оператором рекурсивного вызова. Совокупность локальных переменных, формальных параметров рекурсивной процедуры и адреса возврата однозначно характеризует текущую активацию и образует фрейм активации. Фрейм активации необходимо сохранять при очередной активации и восстанавливать после завершения текущей активации.
В блоке принятия решения (о продолжении вычислений) производится проверка, являются ли значения входных параметров такими, для которых возможно вычисление значений выходных параметров в соответствии с базисной частью рекурсивного определения. На основании этой проверки принимается решение о выполнении промежуточных или окончательных вычислений. Блок промежуточных вычислений можно объединить с блоком обращения к процедуре, если промежуточные вычисления очень просты. В блоке окончательных вычислений производится явное определение параметров-переменных процедуры для конкретных значений входных параметров, соответствующих текущей активации процедуры.
В основе рекурсивного вычислительного процесса лежит рекурсивный цикл, который реализуется через вызов рекурсивной процедуры, причем каждая активация рекурсивной процедуры эквивалентна одному проходу итеративного цикла While.
Общая схема рекурсивного цикла:
Procedure Рекурсивный_Цикл (…);
begin
if < условие цикла > then
begin
< тело рекурсивного цикла; >
Рекурсивный_Цикл (…);
end;
end;
В теле рекурсивного цикла (в блоке промежуточных вычислений) обязательно должны содержаться операторы, изменяющие значения переменных, от которых зависит условие завершения рекурсивного цикла. Напомним, что выполнение условия завершения рекурсивного цикла соответствует достижению базиса рекурсивного определения. Если значения этих переменных не успевают измениться до очередной активации рекурсивной процедуры, возникает бесконечный рекурсивный цикл.
Общая схема бесконечного рекурсивного цикла:
Procedure Бесконечный_Рекурсивный_Цикл (…);
begin
if < условие цикла > then
begin
Бесконечный_Рекурсивный_Цикл (…);
< тело рекурсивного цикла; >
end;
end;
Динамические структуры данных. Метод вычисляемого и хранимого адреса.
Динамические структуры данных: стеки
Стек — динамическая структура данных, представляющая из себя упорядоченный набор элементов, в которой добавление новых элементов и удаление существующих производится с одного конца, называемого вершиной стека.
По определению, элементы извлекаются из стека в порядке, обратном их добавлению в эту структуру, т.е. действует принцип "последний пришёл — первый ушёл".
Наиболее наглядным примером организации стека служит детская пирамидка, где добавление и снятие колец осуществляется как раз согласно определению стека.
Стек можно организовать на базе любой структуры данных, где возможно хранение нескольких однотипных элементов и где можно реализовать определение стека: линейный массив, типизированный файл, однонаправленный или двунаправленный список. В нашем случае наиболее подходящим для реализации стека является однонаправленный список, причём в качестве вершины стека выберем начало этого списка.
Выделим типовые операции над стеком и его элементами:
добавление элемента в стек;
удаление элемента из стека;
проверка, пуст ли стек;
просмотр элемента в вершине стека без удаления;
очистка стека.
Списки
Обсудим вопрос о том, как в динамической памяти можно создать структуру данных переменного размера.
Разберем следующий пример. В процессе физического эксперимента многократно снимаются показания прибора (допустим, термометра) и записываются в компьютерную память для дальнейшей обработки. Заранее неизвестно, сколько будет произведено измерений.
Если для обработки таких данных не использовать внешнюю память (файлы), то разумно расположить их в динамической памяти. Во-первых, динамическая память позволяет хранить больший объем информации, чем статическая. А во-вторых, в динамической памяти эти числа можно организовать в связанный список, который не требует предварительного указания количества чисел, подобно массиву. Что же такое "связанный список"? Схематически он выглядит так:
Здесь Inf — информационная часть звена списка (величина любого простого или структурированного типа, кроме файлового), Next — указатель на следующее звено списка; First — указатель на заглавное звено списка.
Согласно определению, список располагается в динамически распределяемой памяти, в статической памяти хранится лишь указатель на заглавное звено. Структура, в отличие от массива, является действительно динамической: звенья создаются и удаляются по мере необходимости, в процессе выполнения программы.
Для объявления списка сделано исключение: указатель на звено списка объявляется раньше, чем само звено. В общем виде объявление выглядит так.
Type U = ^Zveno;
Zveno = Record Inf : BT; Next: U End;
Здесь BT — некоторый базовый тип элементов списка.
Если указатель ссылается только на следующее звено списка (как показано на рисунке и в объявленной выше структуре), то такой список называют однонаправленным, если на следующее и предыдущее звенья — двунаправленным списком. Если указатель в последнем звене установлен не в Nil, а ссылается на заглавное звено списка, то такой список называется кольцевым. Кольцевыми могут быть и однонаправленные, и двунаправленные списки.
Более подробно рассмотрим работу со связанными списками на примере однонаправленного некольцевого списка.
Выделим типовые операции над списками:
• добавление звена в начало списка;
• удаление звена из начала списка;
• добавление звена в произвольное место списка, отличное от начала (например, после звена, указатель на которое задан);
• удаление звена из произвольного места списка, отличного от начала (например, после звена, указатель на которое задан);
• проверка, пуст ли список;
• очистка списка;
• печать списка.
Идентификация объектов: именование и указание. Время жизни объекта.
Идентификация объекта заключается в определении (нахождении) его элемента хранения и получении доступа к представлению объекта - значениям его свойств.
Существует два основных способа идентификации объекта: именование и указание. Именование заключается в назначении объекту определенного имени. Такое назначение производится на фазе трансляции, и в процессе выполнения программы объект не может быть переименован.
Указание - второй основной способ идентификации - связано с использованием особых объектов, в представлении которых хранится как бы "стрелка", указывающая на идентифицируемый объект. Такой особый объект называется указателем или ссылкой. Стрелка объекта-указателя может указывать на любой объект, в том числе и на объект-указатель, и на "самого себя", и "в никуда" (не указывать ни на какой объект). Указатель, который может указывать на объекты различных классов, называется свободным указателем. Указатель, который может указывать только на объекты определенного класса, называется ограниченным указателем.
Время жизни - это интервал времени выполнения программы, в течение которого программный объект (переменная или функция) существует. Время жизни переменной может быть локальным или глобальным. Переменная с глобальным временем жизни имеет распределенную для нее память и определенное значение на протяжении всего времени выполнения программы, начиная с момента выполнения объявления этой переменной. Переменная с локальным временем жизни имеет распределенную для него память и определенное значение только во время выполнения блока, в котором эта переменная определена или объявлена. При каждом входе в блок для локальной переменной распределяется новая память, которая освобождается при выходе из блока.
Все функции в СИ имеют глобальное время жизни и существуют в течение всего времени выполнения программы.
Следующая таблица иллюстрирует иерархию классов памяти.
Динамический класс памяти Статический класс памяти
Автоматический Регистровый Локальный Глобальный
auto register static Extern
Спецификаторы позволяют определить класс памяти определяемого объекта:
auto. Этот спецификатор автоматического класса памяти указывает на то, что объект располагается в локальной (или автоматически распределяемой) памяти. Он используется в операторах объявления в теле функций, а также внутри блоков операторов. Объекты, имена которых объявляются со спецификатором auto, размещаются в локальной памяти непосредственно перед началом выполнения функции или блока операторов. При выходе из блока или при возвращении из функции (о механизмах вызова функций и возвращения из них речь ещё впереди), соответствующая область локальной памяти освобождается и все ранее размещённые в ней объекты уничтожаются. Таким образом спецификатор влияет на время жизни объекта (это время локально). Спецификатор auto используется редко, поскольку все объекты, определяемые непосредственно в теле функции или в блоке операторов и так по умолчанию располагаются в локальной памяти. Вне блоков и функций этот спецификатор не используется.
register. Ещё один спецификатор автоматического класса памяти. Применяется к объектам, по умолчанию располагаемым в локальной памяти. Представляет из себя "ненавязчивую просьбу" к транслятору (если это возможно) о размещении значений объектов, объявленных со спецификатором register в одном из доступных регистров, а не в локальной памяти. Если по какой-либо причине в момент начала выполнения кода в данном блоке операторов регистры оказываются занятыми, транслятор обеспечивает с этими объектами обращение, как с объектами класса auto. Очевидно, что в этом случае объект располагается в локальной области памяти.
static. Спецификатор внутреннего статического класса памяти. Применяется только(!) к именам объектов и функций. В C++ этот спецификатор имеет два значения. Первое означает, что определяемый объект располагается по фиксированному адресу. Тем самым обеспечивается существование объекта с момента его определения до конца выполнения программы. Второе значение означает локальность. Объявленный со спецификатором static локален в одном программном модуле (то есть, недоступен из других модулей многомодульной программы) или в классе (о классах - позже). Может использоваться в объявлениях вне блоков и функций. Также используется в объявлениях, расположенных в теле функций и в блоках операторов.
extern. Спецификатор внешнего статического класса памяти. Обеспечивает существование объекта с момента его определения до конца выполнения программы. Объект, объявленный со спецификатором extern доступен во всех модулях программы, то есть глобален.
Записи: объявление, выделение памяти, доступ к элементам записи, передача
Запись объединяет в единое целое произвольное число элементов любых типов. Как правило, каждая запись объединяет в себе параметры, описывающие какой-то реальный объект
Массивы: объявление, размещение массивов в памяти, доступ к элементам массива
Массив — это объект данных, в котором хранится несколько единиц данных, идентифицируемых с помощью одного или нескольких индексов. В простейшем случае массив имеет постоянную длину и хранит единицы данных одного и того же типа.
Объявление типа «массив» в Паскале -
type
TArrayType = array[0..9] of Integer; (* Объявления типа "массив" *)
var
arr1, arr2, arr3: TArrayType; (* Объявление трёх переменных-массивов одного типа *)
Доступ к элементам массива:
Для доступа к элементам массива существует два различных способа. Первый способ связан с использованием обычных индексных выражений в квадратных скобках, например, array[16]=3 или array[i+2]=7. При таком способе доступа записываются два выражения, причем второе выражение заключается в квадратные скобки. Одно из этих выражений должно быть указателем, а второе - выражением целого типа. Последовательность записи этих выражений может быть любой, но в квадратных скобках записывается выражение следующее вторым. Поэтому записи array[16] и 16[array] будут эквивалентными и обозначают элемент массива с номером шестнадцать. Указатель используемый в индексном выражении не обязательно должен быть константой, указывающей на какой-либо массив, это может быть и переменная. В частности после выполнения присваивания ptr=array доступ к шестнадцатому элементу массива можно получить с помощью указателя ptr в форме ptr[16] или 16[ptr].
Второй способ доступа к элементам массива связан с использованием адресных выражений и операции разадресации в форме *(array+16)=3 или *(array+i+2)=7. При таком способе доступа адресное выражение равное адресу шестнадцатого элемента массива тоже может быть записано разными способами *(array+16) или *(16+array).
При реализации на компьютере первый способ приводится ко второму, т.е. индексное выражение преобразуется к адресному. Для приведенных примеров array[16] и 16[array] преобразуются в *(array+16).
Для доступа к начальному элементу массива (т.е. к элементу с нулевым индексом) можно использовать просто значение указателя array или ptr. Любое из присваиваний
*array = 2;
array[0] = 2;
*(array+0) = 2;
*ptr = 2;
ptr[0] = 2;
*(ptr+0) = 2;
присваивает начальному элементу массива значение 2, но быстрее всего выполнятся присваивания *array=2 и *ptr=2, так как в них не требуется выполнять операции сложения.
Как известно, массив можно рассматривать не только как группу упорядоченных переменных, объединенных одним именем, но и как одну переменную, называемую полной переменной. Если имеются две полные переменные “A” и “B”, одинаковые по размерам и типу хранимых ими значений, то значение “A” может быть присвоено переменной “B” с помощью одного оператора присваивания B:=A; т.е. не обязательно передавать значения из одного массива в другой поэлементно. Таким образом, массивам внутри процедуры можно передавать значения извне с помощью формальных и фактических параметров, оформленных в виде полных переменных. При использовании массивов в качестве параметров процедур существует ряд ограничений. Во-первых, нельзя обрабатывать одной и той же процедурой массивы разных типов и размеров. Во-вторых, в заголовке процедур для указания типов формальных параметров- полных переменных запрещается использовать безымянные типы, например A:Array[1..20] of Real. Правильно будет предварительно описывать имя типа массива в разделе описаний программы:Type
Mas1=Array[1..20] of Real;
...............................
Procedure Proced(Var A:Mas1);
begin
...............................
end;
Пример использования массивов в качестве формальных и фактических параметров процедуры:
Требуется найти U=Max{Xi}, V=Max{Yi}, где i= 1,2,3,...,N.
Поскольку в этом примере дважды используется алгоритм нахождения наибольшего элемента массива, его удобно оформить в виде процедуры.Program Primer;
Const N=20;
Type Mas=Array[1..N] of Real;
Var i:integer;
u,v:Real;
x,y:Mas;
Procedure Max(a:Mas; Var s:Real);
begin
s:=A[1];
FOR i:=1 TO N DO IF A[i]>s THEN s:=A[i]
end;
Begin
FOR i:=1 TO N DO
begin
Write('X[',i,']= '); Readln(x[i]);
Write('Y[',i,']= '); Readln(y[i]);
end;
Max(x,u); Max(y,v);
Writeln('U= ',U:5:1,'V= ',V:5:1);
Readln
End.
Поскольку в данной программе фактическим параметром является переменная (массив в виде полной переменной), то в качестве формального параметра, принимающего исходные данные, может быть использован не только параметр-значение, но и параметр-переменная: Procedure Max(Var A:Max; Var S:Real).
На первый взгляд, нет никакой разницы, как передаются значения массива в процедуру- с помощью параметра-значения или параметра-переменной, однако разница есть и она существенна.
Как уже говорилось, при объявлении формальным параметром параметра-значения, фактический параметр копируется во временную память, а затем - из памяти в процедуру. Если в этом случае фактическим параметром будет большой массив, то на дополнительное копирование уйдет много времени и памяти, поэтому при обработке процедурой крупных массивов лучше использовать параметр-переменную.
Представление целых и вещественных типов данных.
Представление целых и вещественных типов данных
Представление целочисленных и вещественных значений в памяти компьютера в большинстве случаев реализуется аппаратным способом с учетом возможностей конкретного процессора. Также аппаратно реализуется примитивный набор операций над этими значениями. Применение операций, реализуемых аппаратно, значительно более эффективно, чем использование программно реализуемых операций. Поэтому компиляторы по возможности формируют код, в котором применяется аппаратная реализация примитивных операций (таких, как сложение, вычитание, умножение и деление).
Целочисленное значение типа integer, записанное как "signed 32-bit", может иметь в памяти компьютера следующее представление:
Понятие типа данных. Типы данных: базовые, простые, структурированные.
Для обработки ЭВМ данные представляются в виде величин и их совокупностей. С понятием величины связаны такая важная характеристика, как ее тип.
Тип определяет:
- зможные значения переменных, констант, функций, выражений, принадлежащих к данному типу;
- утреннюю форму представления данных в ЭВМ;
- ерации и функции, которые могут выполняться над величинами, принадлежащими к данному типу.
Иерархия типов в языке Паскаль такая:
Простые ,Порядковые ,Целые ,Логические ,Символьные ,Перечисляемые ,Интервальные ,Вещественные ,Структуированные ,Массивы ,Строки ,Множества ,Записи ,Файлы ,Указатели
Целые типы
integer 2байта -32768..32767
byte 1байт 0..255
word 2байта 0..65535
shortint 1байт -128..127
longint 4байта -2147483648..2147483647
Вещественные типы
real 6байтов 2,9x10-39 - 1,7x1038
single 4байта 1,5x10-45 - 3,4x1038
double 8байтов 5x10-324 - 1,7x10308
extended 10байтов 3,4x10-4932 - 1,1x104932
Логический тип
boolean 1байт true, false
Символьный тип
char 1байт все символы кода ASCII
Оценка сложности алгоритма
Основы оценок сложности алгоритмов
Нам уже известно, что правильность -- далеко не единственное качество, которым должна обладать хорошая программа. Одним из важнейших является эффективность, характеризующая прежде всего время выполнения программы для различных входных данных (параметра ).
Нахождение точной зависимости для конкретной программы -- задача достаточно сложная. По этой причине обычно ограничиваются асимптотическими оценками этой функции, то есть описанием ее примерного поведения при больших значениях параметра . Иногда для асимптотических оценок используют традиционное отношение (читается <<О большое>>) между двумя функциями , определение которого можно найти в любом учебнике по математическому анализу, хотя чаще применяют отношение эквивалентности (читается <<тэта большое>>). Его формальное определение есть, например, в книге [#!korman!#], хотя нам пока достаточно будет понимания данного вопроса в общих чертах.
В качестве первого примера вернемся к только что рассмотренным программам нахождения факториала числа. Легко видеть, что количество операций, которые должны быть выполнены для нахождения факториала числа в первом приближении прямо пропорционально этому числу, ибо количество повторений цикла (итераций) в данной программе равно . В подобной ситуации принято говорить, что программа (или алгоритм) имеет линейную сложность (сложность или ).
Можно ли вычислить факториал быстрее? Оказывается, да. Можно написать такую программу, которая будет давать правильный результат для тех же значений , для которых это делают все приведенные выше программы, не используя при этом ни итерации, ни рекурсии. Ее сложность будет , что фактически означает организацию вычислений по некоторой формуле без применения циклов и рекурсивных вызовов!
Не менее интересен и пример вычисления -го числа Фибоначчи. В процессе ее исследования фактически уже было выяснено, что ее сложность является экспоненциальной и равна . Подобные программы практически не применимы на практике. В этом очень легко убедиться, попробовав вычислить с ее помощью 40-е число Фибоначчи.
Абстрактная машина Поста.
Машина Поста – абстрактная вычислительная машина, предложенная Постом (Emil L.Post), которая отличается от машины Тьюринга большей простотой. Обе машины «эквивалентны» и были созданы для уточнения понятия «алгоритм».
Абстрактная машина Поста представляет собой бесконечную ленту, разделенную на одинаковые клетки, каждая из которых может быть либо пустой, либо заполненной меткой «V». У машины есть головка, которая может перемещаться вдоль ленты на одну клетку вправо или влево, наносить в клетку ленты метку, если этой метки там ранее не было, стирать метку, если она была, либо проверять наличие в клетке метки. Информация о заполненных метками клетках ленты характеризует состояние ленты, которое может меняться в процессе работы машины. В каждый момент времени головка находится над одной из клеток ленты и, как говорят, обозревает ее. Информация о местоположения головки вместе с состоянием ленты характеризует состояние машины Поста. Работа машины Поста заключается в том, что головка передвигается вдоль ленты (на одну клетку за один шаг) влево или вправо, наносит или стирает метки, а также распознает, есть ли метка в клетке в соответствии с заданной программой, состоящей из отдельных команд.
Понятие алгоритма. Способы представления алгоритма.
«Алгоритм — это конечный набор правил, который определяет последовательность операций для решения конкретного множества задач и обладает пятью важными чертами: конечность, определённость, ввод, вывод, эффективность». (Д. Э. Кнут)
Словесно-формульный способ записи алгоритмов
Словесно-формульный способ представления алгоритмов допускает некоторая произвольность в обозначениях и используемых словах.
Рассмотрим примеры.
Пример 2.1. Пусть даны числа А, В, С. Найти число Н, равное большему из них.
Решение задачи можно получить, действуя следующим образом. Вначале найдем большое из двух чисел, например А и В. Если А ³ В, то примем Н = А, иначе (т.е. если А < В), примем Н = В. Сравним теперь Н с С. Если Н ³ С, то значение Н следует принять в качестве искомого результата. Если Н < С, то Н следует принять равным С. Таким образом, в качестве результата получим величину Н, которая равна наибольшему из чисел А, В и С. В сущности, это уже и есть описание алгоритма решения задач.
Этот же алгоритм можно представить более четко, если разбить все действия на отдельные пункты. Тогда алгоритм примет вид:
1. Если А ³ В, то принять Н=А и перейти к пункту 3. Иначе перейти к пункту 2.
2. Принять Н=В и перейти к следующему пункту.
3. Если Н ³ С, то перейти к пункту 5, иначе перейти к следующему пункту.
4. Принять Н=С, и перейти к пункту 5.
5. Стоп.
Словесно-формульный способ записи алгоритмов ориентирован прежде всего на исполнителя-человека и допускает различную запись предписаний. Но при этом запись должна быть предельно точна, чтобы человек-исполнитель мог понять суть предписаний и формально их выполнить.
Графический способ записи алгоритмов
Графический способ представления алгоритмов предполагает использование определенных графических символов - блоков. Для придания наглядности и единообразия схем алгоритмов все графические элементы стандартизированы [22] (ГОСТ 19.003-80. Условные графические обозначения структурных схем алгоритмов и программ). Состав, наименование и обозначение основных графических символов и отображаемые ими функции в алгоритмах приведены в таблице 2.2. Размер а должен выбираться из ряда 10, 15, 20 мм., b=1.5´а. Линии потока рекомендуется выполнять в два раза тоньше линий обводки блоков. (Блок схемы: прямоугольник – действие,ромб – условие и т.п.)
Алгебра высказываний: высказывание, основные операции, таблицы истинности.
АЛГЕБРА ВЫСКАЗЫВАНИЙ является составной частью одного из современных быстро развивающихся разделов математики – математической логики. Математическая логика применяется в информатике, позволяет моделировать простейшие мыслительные процессы. Одним из занимательных приложений алгебры высказываний – решение логических задач.
Высказыванием называется суждение, которому можно приписать истину или ложь. Например, суждение "Снег белый" есть истинное высказывание; суждение "Число 6 делится на 4" -- ложное высказывание; суждение "Который час?" не является высказыванием.
Из высказываний можно построить новые высказывания с помощью логических операций . Приведем определения этих операций.
Отрицанием высказывания называется такое высказывание, обозначаемое (читается: "не "), которое является истинным, если ложно, и ложным, если истинно. Конъюнкцией высказываний и называется высказывание, обозначаемое (читается: " и ''), которое истинно, если истинны оба высказывания и , и ложно в остальных случаях.
Дизъюнкцией высказываний и называется высказывание, обозначаемое (читается: " или "), которое ложно, если ложны оба эти высказывания и , и истинно в остальных случаях
Импликацией высказываний и называется высказывание, обозначаемое (читается: "из следует " или "если , то ''), которое ложно, если истинно, а ложно, и истинно в остальных случаях
Всем теоремам в математике, как высказываниям, можно придать вид импликации двух высказываний: ). Высказывание называют условием теоремы , а высказывание -- заключением теоремы . Или высказывание называют необходимым условием для высказывания , а высказывание -- достаточным условием для высказывания в теореме ).
таблица истинности:
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Коньюнкция A / B 0 0 0 1
Дизъюнкция A V B 0 1 1 1
Импликация A -› B 1 1 0 1
Эквиваленция A ~ B 1 0 0 1
Законы алгебры высказываний:
Логическое умножение: Логическое сложение:
A•B = B•A A + B = B + A
(AB)C = A(BC) (A + B)+ C = A + (B + C)
A•A = A A + A = A
A•1 = A A + 1 = 1
A•0 = 0 A + 0 = A
A(B + C) = AB + AC A + BC = (A + B)(A + C)A + BC = (A + B)(A + C)
Многооконные интерфейсы. Интеллектуальные интерфейсы
Многооконный интерфейс
Приложение Multi
Обработка командных сообщений
Многооконный графический редактор
Комбинированный редактор
Приложение с однооконным интерфейсом не всегда может полностью удовлетворять потребностям пользователя. Если нужно одновременно работать с несколькими документами, вы, конечно, можете одновременно запустить несколько копий одного приложения, но гораздо удобнее использовать приложения с многооконным интерфейсом.
В таких приложениях вы одновременно можете открыть несколько документов. Каждому документу будет отведено собственное окно просмотра, но тем не менее все окна просмотра документов будут расположены внутри главного окна приложения, будут иметь общее меню, а также панели управления и состояния.
Интеллектуальный интерфейс
Интеллектуальный интерфейс - интерфейс непосредственного взаимодействия ресурсов информационного комплекса и пользователя посредством программ обработки текстовых запросов пользователя.
Структура диалога типа экранных форм, команд
Диалог на основе экранных форм.
Как структура типа «вопрос-ответ», так и структура типа меню предполагают обработку на каждом шаге диалога единственного ответа. Диалог на основе экранных форм допускает обработку на одном шаге диалога нескольких ответов.
На практике формы используются там, где учет какой-либо деятельности требует ввода стандартного набора данных. Человек работает с формой до тех пор, пока не заполнит ее полностью и не передаст системе. Система может проверять каждый ответ непосредственно при вводе или по окончании заполнения всей формы.
Сообщения об ошибках, выводимые непосредственно после ответа, могут отвлечь внимание, но могут оказать и положительное влияние. В тех случаях, когда информация для ввода выбирается из некоторого целостного документа, проверку лучше отложить до конца заполнения формы, чтобы не прерывать процесс ввода; если же такой целостности нет, то проверку следует выполнять сразу после ввода ответа (после заполнения очередного поля).
Если встретилась какая-либо ошибка, приложение не должно заново выводить пустую форму; выводится форма с предыдущими ответами и допущенными ошибками. Новый «бланк» выдается лишь в случае соответствующего запроса пользователя.
Такую структуру уместно применять там, где источником данных служит существующая входная («бумажная») форма документа.
Не обязательно, чтобы внешний вид этих форм совпадал, но все вводимые элементы данных должны располагаться в том же относительном порядке и иметь такой же формат, что и в исходном документе.
Часто все необходимые единицы ввода нельзя отобразить одновременно в пределах одного экрана (или окна), и их необходимо разделить на группы, которые отображаются на последовательности экранов (окон). Важно, чтобы это разбиение сохраняло логические связи и не приводило к разделению связанных частей документа.
Структура диалога на основе экранной формы обеспечивает высокий уровень поддержки пользователя: для каждой формы могут быть предусмотрены сообщения об ошибках и справочная информация. Пользователю можно также оказать помощь, включив некоторые элементы формата ответа в вопрос или в поле ответа.
Эта структура позволяет повысить скорость ввода данных по сравнению со структурой типа «вопрос-ответ» и манипулировать более широким диапазоном входных данных, нежели меню; кроме того, с ней могут работать пользователи любой квалификации.
Поскольку эта структура имеет последовательную, а не древовидную организацию, она в меньшей степени подходит для работы в режиме выбора вариантов. Еще одной областью применения экранных форм является задание параметров запроса в базах данных. Этот механизм иногда называют запросом по образцу (Query by Example).
Одним из типов заполнения форм являются также многовариантные меню. В таких меню пользователю предоставляется список вариантов, и он не ограничен возможностью единственного выбора; можно указать несколько вариантов.
Структура диалога типа вопрос-ответ и меню.
Особенности структуры диалога типа вопрос-ответ.
Структура диалога типа вопрос и ответ (Q&A) основана на аналогии с обычным интервью. Система берет на себя роль интервьюера и получает информацию от пользователя в виде ответов на вопросы. Это наиболее известная структура диалога, т.к. для ее реализации необходимы процессы ввода и вывода. Первоначально эту структуру называли диалоговым режимом.
В каждой точке диалога система выводит в качестве подсказки один вопрос, на который пользователь дает один ответ. В зависимости от полученного ответа система может решить, какой следующий вопрос задавать. Например, типичный сеанс диалога этого типа может иметь вид:
Какой гроссбух ? поставки
Команда ? отослать
Тип объекта ? счет
Номер объекта ? 123456
Клиент ? с123
Если ошибочный ответ вводится в структуру Q&A, информационная система выдает сообщение об ошибке и снова выводит подсказку; этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет получен приемлемый ответ. Ответ обычно вводится в виде текстовой строки. Эта строка может представлять собой либо объект из списка возможных объектов (выбираемый объект), либо произвольные данные.
Диалог на основе меню.
Меню является наиболее популярным вариантом организации запросов на ввод данных во время диалога, управляемого компьютером.
Существует несколько основных форматов представления меню на экране:
- список объектов, выбираемых прямым указанием, либо указанием номера (или мнемонического кода);
- меню в виде блока данных;
- меню в виде строки данных;
- меню в виде пиктограмм.
Пользователь диалогового меню может выбрать нужный пункт, вводя текстовую строку, которая идентифицирует этот пункт, указывая на него непосредственно или просматривая список и выбирая из него. Система может выводить пункты меню последовательно, при этом пользователь выбирает нужный ему пункт нажатием клавиши.
Меню в виде строки данных может появляться вверху или внизу экрана и часто остается в этой позиции на протяжении всего диалога. Таким образом, посредством меню удобно отображать возможные варианты данных для ввода, доступных в любое время работы с системой.
Если в системе имеется достаточно большое разнообразие вариантов действий, организуется иерархическая структура из соответствующих меню.
Дополнительные меню в виде блоков данных «всплывают» на экране в позиции, определяемой текущим положением указателя, либо «выпадают» непосредственно из строки меню верхнего уровня. Эти меню исчезают после выбора варианта.
Меню в виде пиктограмм представляет собой множество объектов выбора, разбросанных по всему экрану; часто объекты выбора содержат графическое представление вариантов работы.
Меню можно с равным успехом применять для ввода как управляющих сообщений, так и данных. Приемлемая структура меню зависит от его размера и организации, от способа выбора пунктов меню и реальной потребности пользователя в поддержке со стороны меню.
Структура типа меню является наиболее естественным механизмом для работы с устройствами указания и выбора: меню представляет собой изображение тех объектов, которые выбираются пользователем. Если диалог состоит исключительно из меню, можно реализовать последовательный интерфейс, при котором пользователь применяет только устройства для указания; однако такое постоянство редко достижимо на практике. Следует отметить, что хотя работа с этими устройствами не требует профессионального владения клавиатурой, для подготовленного пользователя это не самый быстрый способ выбора из меню. Вместо указания пользователь может сообщить о своем выборе вводом соответствующего идентификатора.
Меню – это наиболее удобная структура диалога для неподготовленных пользователей; жесткая очередность открытия и иерархическая вложенность меню может вызывать раздражение профессионала, замедлять его работу. Традиционная структура меню недостаточно гибка и не в полной мере согласуется с методами адаптации диалога, такими, например, как опережающий ввод, с помощью которого можно ускорить темп работы подготовленного пользователя.
Составные части интерфейса "человек-компьютер"
Процессы ввода-вывода - это процесс передачи и приема данных между пользователем и компьютером через различные физические устройства.
Структура современной системы программирования. Функции и назначение текстовых
Системы программирования в современном мире доминируют на рынке средств разработки. Практически все фирмы-разработчики компиляторов поставляют свои продукты в составе соответствующей системы программирования в комплексе всех прочих технических средств. Отдельные компиляторы являются редкостью и, как правило, служат только узкоспециализированным целям.
Тенденция такова, что все развитие систем программирования идет в направлении неуклонного повышения их дружественности и сервисных возможностей. Это связано с тем, что на рынке в первую очередь лидируют те системы программирования, которые позволяют существенно снизить трудозатраты, необходимые для создания программного обеспечения на этапах жизненного цикла, связанных с кодированием, тестированием и отладкой программ. Показатель снижения трудозатрат в настоящее время считается более существенным, чем показатели, определяющие эффективность результирующей программы, построенной с помощью системы программирования.
В качестве основных тенденций в развитии современных систем программирования следует указать внедрение в них средств разработки на основе так называемых языков четвертого поколения 4GL (four generation languages), а также поддержка систем быстрой разработки программного обеспечения RAD (rapid application development).
Языки четвертого поколения являются следующим (четвертым по счету) этапом в развитии систем программирования.
В целом языки четвертого поколения решают уже более широкий класс задач, чем традиционные системы программирования. Они составляют часть средств автоматизированного проектирования и разработки программного обеспечения, поддерживающих все этапы жизненного цикла CASE-систем. Их рассмотрение выходит за рамки данного учебного пособия.
ТЕКСТОВЫЙ РЕДАКТОР,
НАЗНАЧЕНИЕ И ФУНКЦИИ
Для работы с текстами на компьютере используются программные средства, называемые текстовыми редакторами. Существует большое количество разнообразных текстовых редакторов, различающихся по своим возможностям
Основное назначение текстовых редакторов – создавать текстовые файлы, редактировать тексты, просматривать их на экране, изменять формат текстового документа, распечатывать его на принтере.
MS-DOS Editor и Блокнот предназначены для обработки несложных текстовых файлов
Современные программы предусматривают множество дополнительных функций, позволяющих готовить текстовую часть документа на типографском уровне:
- форматирование символов и абзацев,
- оформление страниц,
- построение оглавлений и указателей,
- создание таблиц, проверка правописания и т. д.
Кроме того, современные программы позволяют включать в текст графические объекты: рисунки, диаграммы, фотографии.
КОМПИЛЯТОР
Компилятор (англ. compiler — составитель, собиратель) читает всю программу целиком, делает ее перевод и создает законченный вариант программы на машинном языке, который затем и выполняется.
КОМПОНОВЩИК
Компоновщик (также реда́ктор свя́зей, англ. linker, link editor) — программа, которая производит компоновку — принимает на вход один или несколько объектных модулей и собирает по ним исполняемый модуль.
Для связывания модулей, компоновщик использует таблицы имён, созданные компилятором в каждом из объектных модулей. Такие имена могут быть двух типов:
Определённые или экспортируемые имена — функции и переменные, определённые в данном модуле и предоставляемые для использования другим модулям
Неопределённые или импортируемые имена — функции и переменные, на которые ссылается модуль, но не определяет их внутри себя
Работа компоновщика заключается в том, чтобы в каждом модуле разрешить ссылки на неопределённые имена. Для каждого импортируемого имени находится его определение в других модулях, упоминание имени заменяется на его адрес.
ОТЛАДЧИК
Отла́дчик является модулем среды разработки или отдельным приложением, предназначенным для поиска ошибок в программе. Отладчик позволяет выполнять пошаговую трассировку, отслеживать значения переменных в процессе выполнения программы, устанавливать точки или условия останова и т. д.
ЗАГРУЗЧИК
Загру́зчик (англ. loader) — в информатике, программа, отвечающая за загрузку исполняемых файлов и запуск соответствующих новых процессов. Обычно является частью операционной системы, но может быть и самостоятельной программой, — к примеру, позволяющей операционной системе запускать программы, скомпилированные для других операционных систем (см. также эмуляторы, WINE).
При запуске новой программы загрузчик должен:
- считать информацию из запускаемого файла
- если необходимо — загрузить в память недостающие динамические библиотеки
- заменить в коде новой программы неизвестные адреса на точные, с учётом текущего содержимого памяти
- создать в памяти образ нового процесса и запланировать его к исполнению
Загрузчик операционной системы действует по схожему принципу, но обычно является отдельной программой, так как решает другую задачу — запустить саму операционную систему.
БИБЛИОТЕКА ПОДПРОГРАММ
Библиотека стандартных подпрограмм - совокупность подпрограмм, составленных на одном из языков программирования и удовлетворяющих единым требованиям к структуре, организации их входов и выходов и описаниям подпрограмм. Обычно библиотека хранится в виде файла во внешней памяти ЭВМ в рамках той или иной файловой системы, обеспечивающей автоматизированный доступ к отдельным алгоритмам и программам.
Процессы управления разработкой ПС
Управление разработкой ПС (software management) – это деятельность, направленная на обеспечение необходимых условий для работы коллектива разработчиков ПС, на планирование и контроль деятельности этого коллектива с целью обеспечения требуемого качества ПС, выполнения сроков и бюджета разработки ПС [14.1, 14.2]. Часто эту деятельность называют также управлением программным проектом (software project management). Здесь под программным проектом (software project) понимают всю совокупность работ, связанную с разработкой ПС, а ход выполнения этих работ называют развитием программного проекта (software project progress). К необходимым условиям работы коллектива относятся помещения, аппаратно-программные средства разработки, документация и материально-финансовое обеспечение. Планирование и контроль предполагает разбиение всего процесса разработки ПС на отдельные конкретные работы (задания), подбор и расстановка исполнителей, установление сроков и порядка выполнения этих работ, оценка качества выполнения каждой работы. Финальной частью этой деятельности является организация и проведения аттестации (сертификации) ПС, которой завершается стадия разработки ПС.
Документирование ПС. Аттестация ПС, 28вопрос
Документация, создаваемая и используемая в процессе разработки программных средств.
При разработке ПС создается и используется большой объем разнообразной документации. Она необходима как средство передачи информации между разработчиками ПС, как средство управления разработкой ПС и как средство передачи пользователям информации, необходимой для применения и сопровождения ПС. На создание этой документации приходится большая доля стоимости ПС.
Эту документацию можно разбить на две группы [13.1]:
• Документы управления разработкой ПС.
• Документы, входящие в состав ПС.
Документы управления разработкой ПС (software process documentation) управляют и протоколируют процессы разработки и сопровождения ПС, обеспечивая связи внутри коллектива разработчиков ПС и между коллективом разработчиков и менеджерами ПС (software managers) лицами, управляющими разработкой ПС. Эти документы могут быть следующих типов [13.1]:
• Планы, оценки, расписания. Эти документы создаются менеджерами для прогнозирования и управления процессами разработки и сопровождения ПС.
• Отчеты об использовании ресурсов в процессе разработки. Создаются менеджерами.
• Стандарты. Эти документы предписывают разработчикам, каким принципам, правилам, соглашениям они должны следовать в процессе разработки ПС. Эти стандарты могут быть как международными или национальными, так и специально созданными для организации, в которой ведется разработка ПС.
• Рабочие документы. Это основные технические документы, обеспечивающие связь между разработчиками. Они содержат фиксацию идей и проблем, возникающих в процессе разработки, описание используемых стратегий и подходов, а также рабочие (временные) версии документов, которые должны войти в ПС.
• Заметки и переписка. Эти документы фиксируют различные детали взаимодействия между менеджерами и разработчиками.
Документы, входящие в состав ПС (software product documentation), описывают программы ПС как с точки зрения их применения пользователями, так и с точки зрения их разработчиков и сопроводителей (в соответствии с назначением ПС). Здесь следует отметить, что эти документы будут использоваться не только на стадии эксплуатации ПС (в ее фазах применения и сопровождения), но и на стадии разработки для управления процессом разработки (вместе с рабочими документами) во всяком случае, они должны быть проверены (протестированы) на соответствие программам ПС. Эти документы образуют два комплекта с разным назначением:
• Пользовательская документация ПС (П-документация).
Документация по сопровождению ПС (С-документация).
Аттестация ПС - это авторитетное подтверждение качества ПС.Обычно для аттестации ПС создается представительная (аттестационная) комиссия из экспертов, представителей заказчика и представителей разработчика. Эта комиссия проводит испытания ПС с целью получения необходимой информации для оценки его качества. Под испытанием ПС мы будем понимать процесс проведения комплекса мероприятий, исследующих пригодность ПС для успешной его эксплуатации (применения и сопровождения) в соответствии с требованиями заказчика [14.2]. Этот комплекс включает проверку полноты и точности программной документации, изучение и обсуждение других ее свойств, а также необходимое тестирование программ, входящих в состав ПС, и, в частности, соответствия этих программ имеющейся документации.
На основе информации, полученной во время испытаний ПС, прежде всего должно быть установлено, что ПС выполняет декларированные функции, а также должно быть установлено, в какой степени ПС обладает декларированными примитивами и критериями качества. Таким образом, оценка качества ПС является основным содержанием процесса аттестации. Произведенная оценка качества ПС фиксируется в соответствующем решении аттестационной комиссии.
Известны следующие виды испытаний ПС , проводимых с целью аттестации ПС:
- испытания компонент ПС;
- системные испытания;
- приемо-сдаточные испытания;
- полевые испытания;
- промышленные испытания.
Разработка программного модуля
Порядок разработки программного модуля.
При разработке программного модуля целесообразно придерживаться следующего порядка
• изучение и проверка спецификации модуля, выбор языка программирования;
• выбор алгоритма и структуры данных;
• программирование (кодирование) модуля;
• шлифовка текста модуля;
• проверка модуля;
• компиляция модуля.
Первый шаг разработки программного модуля в значительной степени представляет собой смежный контроль структуры программы снизу: изучая спецификацию модуля, разработчик должен убедиться, что она ему понятна и достаточна для разработки этого модуля. В завершении этого шага выбирается язык программирования: хотя язык программирования может быть уже предопределен для всего ПС, все же в ряде случаев (если система программирования это допускает) может быть выбран другой язык, более подходящий для реализации данного модуля (например, язык ассемблера).
На втором шаге разработки программного модуля необходимо выяснить, не известны ли уже какие-либо алгоритмы для решения поставленной и или близкой к ней задачи. И если найдется подходящий алгоритм, то целесообразно им воспользоваться. Выбор подходящих структур данных, которые будут использоваться при выполнении модулем своих функций, в значительной степени предопределяет логику и качественные показатели разрабатываемого модуля, поэтому его следует рассматривать как весьма ответственное решение.
На третьем шаге осуществляется построение текста модуля на выбранном языке программирования. Обилие всевозможных деталей, которые должны быть учтены при реализации функций, указанных в спецификации модуля, легко могут привести к созданию весьма запутанного текста, содержащего массу ошибок и неточностей. Искать ошибки в таком модуле и вносить в него требуемые изменения может оказаться весьма трудоемкой задачей. Поэтому весьма важно для построения текста модуля пользоваться технологически обоснованной и практически проверенной дисциплиной программирования. Впервые на это обратил внимание Дейкстра, сформулировав и обосновав основные принципы структурного программирования. На этих принципах базируются многие дисциплины программирования, широко применяемые на практике. Наиболее распространенной является дисциплина пошаговой детализации.
Следующий шаг разработки модуля связан с приведением текста модуля к завершенному виду в соответствии со спецификацией качества ПС. При программировании модуля разработчик основное внимание уделяет правильности реализации функций модуля, оставляя недоработанными комментарии и допуская некоторые нарушения требований к стилю программы. При шлифовке текста модуля он должен отредактировать имеющиеся в тексте комментарии и, возможно, включить в него дополнительные комментарии с целью обеспечить требуемые примитивы качества. С этой же целью производится редактирование текста программы для выполнения стилистических требований.
Шаг проверки модуля представляет собой ручную проверку внутренней логики модуля до начала его отладки (использующей выполнение его на компьютере), реализует общий принцип, сформулированный для обсуждаемой технологии программирования, о необходимости контроля принимаемых решений на каждом этапе разработки ПС (см. лекцию 3). Методы проверки модуля обсуждаются в разделе 8.4.
И, наконец, последний шаг разработки модуля означает завершение проверки модуля (с помощью компилятора) и переход к процессу отладки модуля.
Архитектура ПС
архитектура ПС - это его строение как оно видно (или должно быть видно) из-вне его, т.е. представление ПС как системы, состоящей из некоторой совокупности взаимодействующих подсистем. В качестве таких подсистем выступают обычно отдельные программы. Разработка архитектуры является первым этапом борьбы со сложностью ПС, на котором реализуется принцип выделения относительно независимых компонент.
Основные задачи разработки архитектуры ПС:
- выделение программных подсистем и отображение на них внешних функций (заданных во внешнем описании) ПС;
- определение способов взаимодействия между выделенными программными подсистемами.
Различают следующие основные классы архитектур программных средств:
- цельная программа;
- комплекс автономно выполняемых программ;
- слоистая программная система;
- коллектив параллельно выполняемых программ.
Цельная программа представляет вырожденный случай архитектуры ПС: в состав ПС входит только одна программа. Такую архитектуру выбирают обычно в том случае, когда ПС должно выполнять одну какую-либо ярко выраженную функцию и ее реализация не представляется слишком сложной. Естественно, что такая архитектура не требует какого-либо описания (кроме фиксации класса архитектуры), так как отображение внешних функций на эту программу тривиально, а определять способ взаимодействия не требуется (в силу отсутствия какого-либо внешнего взаимодействия программы, кроме как взаимодействия ее с пользователем, а последнее описывается в документации по применению ПС).
Комплекс автономно выполняемых программ состоит из набора программ, такого, что:
- на каждом слое ничего не известно о свойствах (и даже существовании) последующих (более высоких) слоев;
- каждый слой может взаимодействовать по управлению (обращаться к компонентам) с непосредственно предшествующим (более низким) слоем через заранее определенный - интерфейс, ничего не зная о внутреннем строении всех предшествующих слоев;
- каждый слой располагает определенными ресурсами, которые он либо скрывает от других слоев, либо предоставляет непосредственно последующему слою (через указанный интерфейс) некоторые их абстракции.
Понятие качества и спецификация качества ПС
Разработка спецификации качества сводится, по существу, к построению своеобразной модели качества требуемого ПС [4.2, 4.3]. В этой модели должен быть перечень всех тех достаточно элементарных свойств, которые необходимо обеспечить в требуемом ПС и которые в совокупности образуют приемлемое для пользователя качество ПС. При этом каждое из этих свойств должно быть в достаточной степени конкретизировано с учетом определения требований к ПС и возможности оценки его наличия у разработанного ПС или необходимой степени обладания им этим ПС.
Для конкретизации качества ПС по каждому из критериев используется стандартизованный набор достаточно простых свойств ПС [4.3-4.6], однозначно интерпретируемых разработчиками. Такие свойства мы будем называть примитивами качества ПС. Некоторые из примитивов могут использоваться по нескольким критериям. Ниже приводится зависимость критериев качества от примитивов качества ПС.
Функциональность: завершенность.
Надежность: завершенность, точность, автономность, устойчивость, защищенность.
Легкость применения: П-документированность, информативность (только применительно к документации по применению), коммуникабельность, устойчивость, защищенность.
Эффективность: временнáя эффективность, эффективность по ресурсам (по памяти), эффективность по устройствам.
Сопровождаемость: С данным критерием связано много различных примитивов качества. Однако их можно распределить по двум группам, выделив два подкритерия качества: изучаемость и модифицируемость. Изучаемость - это характеристики ПС, которые позволяют минимизировать усилия по изучению и пониманию программ и документации ПС. Модифицируемость - это характеристики ПС, которые позволяют автоматически настраивать на условия применения ПС или упрощают внесение в него вручную необходимых изменений и доработок.
Изучаемость: С-документированность, информативность (здесь применительно к документации по сопровождению), понятность, структурированность, удобочитаемость.
Модифицируемость: расширяемость, модифицируемость (в узком смысле, как примитив качества), структурированность, модульность.
Понятие программного средства (ПС). Внешнее описание ПС.
Программа или логически связанная совокупность программ на носителях данных, снабженная программной документацией, называется программным средством (ПС).
Внешнее описание ПС играет роль точной постановки задачи, решение которой должно обеспечить разрабатываемое ПС. Более того, оно должно содержать всю информацию, которую необходимо знать пользователю для применения ПС. Оно является исходным документом для трех параллельно протекающих процессов: разработки текстов (кодированию) программ, входящих в ПС, разработки документации по применению ПС и разработки существенной части комплекта тестов для тестирования ПС. Ошибки и неточности во внешнем описании, в конечном счете, трансформируются в ошибки самой ПС и обходятся особенно дорого, во-первых, потому, что они делаются на самом раннем этапе разработки ПС, и, во-вторых, потому, что они распространяются на три параллельных процесса. Это требует особенно серьезных мер по их предупреждению.
Внешнее описание определяет, что должно делать ПС и какими внешними свойствами оно должно обладать. Оно не отвечает на вопрос, как должно быть устроено это ПС и как обеспечить требуемые его внешние свойства. Оно должно достаточно точно и полно определять задачи, которые должны решить разработчики требуемого ПС. В то же время оно должно быть понято представителем пользователем - на его основании заказчиком достаточно часто принимается окончательное решение на заключение договора на разработку ПС. Внешнее описание играет большую роль в обеспечении требуемого качества ПС, так как спецификация качества ставит для разработчиков ПС конкретные ориентиры, управляющие выбором приемлемых решений при реализации специфицированных функций.
Гипотезы и принципы
Г. о сплошности материала
Материал сплош, без пустот заполняет объем, ограниченной поверхности.
Г.об однородности материала
Свойства в различных точках материала одинаковы.
Г.об изотропности свойств
Свойство материала в любых направлениях одинаково.Материалы,св-ва кот. в разн. напр. различны наз-ся анизатропными
Г.об абс. упругости материала.
Мат-л. нагр. силами полностью. восст.свои размеры после снятия действия нагрузки.
Г.о лин.зависимости между нагрузками и деформациями.
Предполагается, что при нагружении деф-ми и нагрузки прямопропорциональны.
Принцип независимости действующих сил.
Порядок приложения вн. сил не сказывается на конечном результате.
Г. плоских сечений
Сечения, плоские до нагружения остаются плоскими и после нагружения.
Принцип Сен-Венана
Характер приложения нагрузки на некот. характерном расстоянии от места ее приложения не влияет на распределение усилий по сечению.
предмет
С.М изучает инженерные методы расчетов деталей и конструкций на прочность, жесткость, устойчивость.
прочность - способность деталей и конструкций выдерживать определенную нагрузку не разрушаясь.
Жесткость- способность конструкции или ее элементов, сохранять свою геом. форму и размер под действием прилож. нагрузки
Устойчивость- способность сохранять первоначальную форму упруг. равновесия.
эпюры внутренних силовых факторов
. ЭПЮРЫ ВНУТРЕННИХ СИЛОВЫХ ФАКТОРОВ
1.1 О б щ и е с в е д е н и я
Рассмотрим брус, обладающий хотя бы одной плоско-стью симметрии нагруженный произвольной системой сил (рис. 1.1,а). Свяжем с ним прямоугольную декартову систему координат. Ось z совместим с осью бруса (геометрическое место центров тяжести поперечных сечений), а две другие, x и y , расположим в плоскости поперечного сечения, совместив одну из них, например, ось y, с осью симметрии последнего.
Рис. 1.1
Рассечем брус плоскостью П, перпендикулярной к оси z, на две части и одну из частей, например П, отбросим, за-менив ее действие на оставшуюся внутренними силами (рис. 1.1,б). Выбрав в качестве центра приведения центр тя-жести сечения abcd, заменим внутренние силы их интеграль-ными характеристиками – главным вектором и главным моментом . Раскладывая и по осям x, y и z, получим (1.1)
Здесь Nz – продольная сила; Qx(Qy) – поперечные силы; Mx(My) – изгибающие моменты; Mz крутящий момент. Это и есть внутренние силовые факторы в поперечном сечении бруса.
Для расчета конструкций на прочность необходимо знать, как изменяются внутренние силовые факторы по длине бруса. С этой целью строятся их графики, называемые эпюрами.
Остановимся на приемах построения эпюр в частных случаях.
1.2. Построение эпюр для стержней,
нагруженных осевыми силами.
Рис. 1.2 При нагружении стержня осевыми силами в его попе-речных сечениях возникают только продольные силы Nz и он испытывает деформации растяжения или сжатия. Про-дольной силе, вызывающей растяжение, приписывается знак “плюс”; при сжатии продольная сила считается отрицательной.
Выделим из стержня, нагруженного распределенной осевой нагрузкой интенсивности qz (рис. 1.2), бесконечно ма-лый элемент dz и составим для него уравнение равновесия в проекции на ось z:
Zi = 0, Nz+dNzNzqzdz = 0,
откуда . (1.2)
Интегрируя это выражение, получим
. (1.3)
Если qz = q = сonst, то Nz = No qz, (1.4)
т.е. продольная сила изменяется по линейному закону. Знак “плюс” соответствует погонной нагрузке, вызывающей рас-тяжение стержня; при сжатии берется знак “минус”. При от-сутствии погонной нагрузки (q = 0) продольная сила посто-янна (Nz = No = const).
Рис. 1.3 П р и м е р 1.1.
Построить эпюру Nz для стержня, приведенного на рис. 1.3.
Р е ш е н и е. Стержень нагружен только сосредото-ченными осевыми силами, поэтому согласно зависимости (1.4) продольная сила в
пределах каждого участка постоянна. На границе участков Nz претерпевает разрывы. Примем направление обхода от свободного конца (сеч. Е) к защемлению (сеч. А). На участке DE продольная сила положительна, так как сила вызывает растяжение, т.е. NED = +F. В сечении D продольная сила ме-няется скачком от NDE = NED = F до NDС = NDЕ –3F = –2F
(находим из условия равновесия бесконеч-но малого элемента dz, выделенного на границе двух смежных участков CD и DE). Заметим, что скачок равен по величине
приложенной силе 3F и направлен в сторону отрицательных значений Nz, так как сила 3F вызывает сжатие. На участке CD имеем NСD = NDС = –2F. В сечении C продольная сила изменяется скачком от NСD = –2F до NСВ = NСD + 5F = 3F. Величина скачка равна приложенной силе 5F. В пределах участка CВ продольная сила опять постоянна NСВ = NВС =3F. Наконец, в сечении В на эпюре Nz опять скачок: продольная сила меняется от NВС = 3F до NВА = NВС –2F = F. Направление скачка вниз (в сторону отрицательных значений), так как сила 2F вызывает сжатие стержня. Эпюра Nz приведена на рис. 1.3,б.
П р и м е р 1.2. Стержень, нагруженный, как показано на рис. 1.4, а, удерживается в опоре силами трения, равно-
Рис. 1.4
мерно распределенными по ее толщине. Построить эпюру продольной силы.
Р е ш е н и е. Из условия равновесия стержня в проек-ции на ось z находим интен-сивность сил трения:
Zi = 0, 2F + 4F = q2a,
откуда q = 3F/a.
Эпюру Nz строим по формуле Nz = No qz. Согласно этой зависимости на участках АВ и CD продольная сила постоянна, так как погонной нагрузки нет (q = 0). На участке ВС продольная сила изменяется по линейному закону (q = const). В сечениях А и D, где приложены сосредоточенные силы, на эпюре Nz имеют место скачки, равные по величине приложенным силам. Примем направление обхода слева направо. В сечении А сила 2F вызывает сжатие, поэтому NAB = 2F. На участке ВС продольная сила изменяется от NB = NA = 2F до NС = NВ + q2a = 4F. На участке CD продольная сила постоянна и равна NСD = 4F.
Рис. 1.5 П р и м е р 1.3. Стер-жень, изображенный на рис. 1.5,а, нагружен уравновешен-ной системой в виде сосредо-точенных и распределенных сил. Эпюра продольной силы показана на рис. 1.5,б. Опре-делить значения и направле-ния приложенной к стержню нагрузки.
Р е ш е н и е.
В сечениях 1, 2, 3, 4 на эпюре имеются скачки, что свя-зано с приложенными здесь сосредоточенными силами. Скачку вверх соответствует сила, вызывающая растяжение в рассматриваемом сечении; при скачке вниз сила вызывает сжатие. Величина скачка равна приложенной силе. Будем пе-ремещаться по стержню слева направо. В сечении 1 приложена растягивающая сила F1 = 20 кН, направленная влево. Далее на участке 12 на стержень действует распределенная нагрузка постоянной интенсивности, равной согласно диф-ференциальной зависимости qz = dNz / dz тангенсу угла наклона прямой, т.е. q12 =(6020)/2 = 20 кН/м. Погонная нагрузка вызывает растяжение и направлена влево. Приложенная в сечении 2 сила F2 = 100 кН вызывает сжатие и направлена вправо. На участке 23 распределенной нагрузки нет, так как продольная сила постоянна. В сечении 3 приложена растяги-вающая сила F3 = 80 кН (направлена влево). На участке 34 действует распределенная нагрузка интенсивности q34 = (40 40)/1 = 80 кН/м, вызывающая сжатие и направленная вправо. Наконец, в сечении 4 приложена сила F4 = 40 кН, направленная влево.
П р и м е р 1.4. Эпюры Nz для стержней, представленных на рис. 1.6, предлагается построить самостоятельно. Для проверки тут же дается решение.
Рис. 1.6
1.3. Построение эпюр для стержней, нагруженных скручивающими парами.
Стержни, нагруженные парами сил, плоскости которых перпендикулярны к его оси, испытывают деформацию кру-чения (рис. 1.7).
Такие стержни принято называть в а л а м и, а пары сил – скручивающими моментами. В поперечных сечениях валов возникают
Рис. 1.7
только крутящие моменты МК, связанные с распределенной моментной нагрузкой m дифференциальной зависимостью
dMК / dz = m, (1.5)
из которой вытекает следующая формула:
МК = МКо mz, (1.6)
где МКо – крутящий момент в начале участка.
Крутящий момент считается положитель-ным, если для наблю-дателя, смотрящего на сечение со стороны внешней нормали , он представляется направ-
Рис. 1.8
ленным против часовой стрелки (рис. 1.8).
Согласно формуле (1.6) на участках с равномерно рас-пределенной нагрузкой m крутящий момент изменяется по линейному закону. При отсутствии погонной нагрузки
44 Основы систем автоматического проектирования
Задача автоматизации состоит в осуществлении автоматического управления различными техническими процессами.
Любой технологический процесс можно расчленить на ряд более простых неравнозначных составных, но связанных между собой процессов. В связи с этим говорят, что в технологическом процессе выделяют р а б о ч и е операции, т.е. действия, непосредственным результатом которых является требуемая обработка материала, энергии, информации, и о п е р а ц и и управления, обеспечивающие придание в нужные моменты нужных режимов, направлений и т.п.
Рабочие операции сопряжены с затратами энергии, и, если они выполняются человеком, то на их выполнение затрачивается его физическая сила. На операции управления затрачивается интеллектуальный труд человека, и эти операции требуют определенной квалификации исполнителя.
Замена труда человека в рабочих операциях работой машин и механизмов называется м е х а н и з а ц и е й.
Совокупность операций управления образует процесс управления. Таким образом, под у п р а в л е н и е м понимают такую организацию того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенной цели.
Замена труда человека в операциях управления действиями технических управляющих устройств называется а в т о м а т и з а ц и е й. Техническое устройство, выполняющее операции управления без непосредственного участия человека, называется а в т о м а т и ч е с к и м устройством.
Совокупность технических средств, выполняющих данный процесс, является объектом управления.
Совокупность средств управления и объекта образует с и с т е м у управления. Система, в которой все рабочие операции и операции управления выполняют автоматические устройства, называется а в т о м а т и ч е с к о й. Система, в которой автоматизирована только часть операций, другая же их часть сохраняется за людьми, называется а в т о м а т и з и р о в а н н о й (частично автоматической).
Частным случаем управления является регулирование. При регулировании координаты процесса(давление, температура, расход, положение и пр.) поддерживаются на заданном значении с помощью специальных устройств – автоматических регуляторов. Совокупность регулируемого объекта и автоматического регулятора образует с и с т е м у автоматического регулирования. Объекты регулирования и управления по своей физической природе весьма разнообразны, но принципы построения систем управления и методы их исследования одни и те же.
Для наглядного схематического изображения системы автоматического управления (регулирования) используют структурные схемы, в которых отдельные элементы системы изображаются в виде прямоугольников, а связи между элементами – линиями со стрелками, показывающими направление передачи сигнала.
Основными элементами системы автоматического регулирования являются объект и регулирующее устройство (регулятор).
Объектами управления являются в процессах химической технологии – механизмы, машины и аппараты, в которых протекают технологические процессы (измельчение, перемешивание, кристаллизация, сушка и др.); производства серной кислоты, автомобильных шин и т.п.; предприятия – заводы, фабрики и целые отрасли – химическая, нефтеперерабатывающая и т.п.
43 подшипники скольжения
Подшипники, работающие по принципу трения скольжения, называются подшипниками с к о л ь ж е н и я.
Простейшим подшипником скольжения является отверстие, расточенное непосредственно в корпусе машины, в которое обычно вставляют втулку (вкладыш) из антифрикционного материала.
Д о с т о и н с т в а подшипников скольжения: малые габариты в радиальном направлении, хорошая восприимчивость ударных и вибрационных нагрузок, возможность применения при очень высоких частотах Мщения вала и в прецизионных машинах, большая долговечность в условиях жидкостного трения, возможность использования при работе в воде пли агрессивной среде.
Н е д о с т а т к и подшипников скольжения: большие габариты в осевом направлении, значительный расход смазочного материала и необходимость систематического наблюдения за процессом смазывания, необходимость применения дорогостоящих и дефицитных антифрикционных материалов для вкладышей.
Вышеперечисленные достоинства и недостатки определяют применение подшипников скольжения, например в молотах, поршневых машинах, турбинах, центрифугах, координатно-расточных станках, для валов очень больших диаметров, а также для валов тихоходных машин.
Существует очень много конструкций подшипников скольжения, которые подразделяются на два вида: неразъемные и разъемные.
Н е р а з ъ е м н ы й подшипник состоит из тонуса и втулки, которая может быть неподвижно закреплена в корпусе подшипники или свободно заложена в него («плавающая втулка»). Неразъемные подшипники используют главным образом, в тихоходных машинах, приборах и т. д. Их основное преимущество - простота конструкции и низкая стоимость. Если корпус подшипника выполнен в виде фланца с опорной плоскостью, нормальной к оси вала, то такой подшипник называют ф л а н ц е в ы м.
Р а з ъ е м н ы й подшипник состоит из основания и крышки корпуса, разъемного вкладыша, смазочного устройства и болтового или шпилечного соединения основания с крышкой. Износ вкладышей в процессе работы компенсируется поджатием крышки к основанию. Разъемные подшипники значительно облегчают сборку и являются незаменимыми для конструкций с коленчатыми валами. Разъемные подшипники широко применяют в общем и особенно тяжелом машиностроении.
У с а м о у с т а н а в л и в а ю щ и й с я подшипника скольжения, сопряженные поверхности вкладыша и корпуса выполнены по сфере радиуса R. Сферическая поверхность позволяет вкладышу самоустанавливаться, компенсируя неточности монтажа и деформации вала, обеспечивая тем самым равномерное распределение нагрузки по длине вкладыша. Такие подшипники применяются при большой длине цапф.
С е г м е н т н ы й подшипник с качающимися вкладышами. Такие подшипники хорошо центрируют вал и обеспечивают стабильную работу подшипниковых узлов, поэтому их применяют для быстроходных валов, особенно при опасности возникновения вибраций.
У п о р н ы й подшипник скольжения (подпятник), предназначенный в основном для восприятия осевых нагрузок.
Корпуса подшипников обычно изготовляются из чугуна. Вкладыши изготовляют из п о д ш и п н и к о в ы х материалов, которые должны иметь малый коэффициент трения скольжения по стальной поверхности вала, обеспечивать малый износ трущихся поверхностей и выдерживать достаточные удельные давления.
Подшипниковые материалы б ы в а ю т:
1. Металлические (баббиты, бронзы, антифрикционные чугуны, пористые спекаемые материалы),
2. Неметаллические (текстолит, древесно-слоистые пластики и др.),
3. Комбинированные (пористые металлы, пропитанные пластмассой; пластмассы с наполнителем из металла или графита; слоистые материалы типа металл-пластмасса).
42 Подшипники качения
Подшипники, работающие по принципу трения качения, называются подшипниками к а ч е н и я. В настоящее время такие подшипники имеют наибольшее распространение. Подшипники качения стандартизованы и в массовых количествах выпускаются специализированными заводами. Подшипники качения изготовляют в большом диапазоне типоразмеров с наружным диаметром от 2 мм до 2,8 м и массой от долей грамма до нескольких тонн.
В большинстве случаев подшипник качения состоит из наружного и внутреннего кольца с дорожками качения, тел качения (шарики или ролики) и сепаратора, удерживающего тела качения на определенном расстоянии друг от друга. В некоторых случаях для уменьшения радиальных размеров одно или оба кольца подшипника могут отсутствовать; в этих случаях тела качения перемещаются непосредственно по канавкам вала или корпуса.
Д о с т о и н с т в а подшипников качения: малые потери на трение и незначительный нагрев, малый расход смазки, небольшие габариты в осевом направлении, невысокая стоимость (массовое производство) и высокая степень взаимозаменяемости.
К н е д о с т а т к а м подшипников качения относятся: чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам, большие габариты в радиальном направлении, малая надежность в высокоскоростных приводах.
Тела к а ч е н и я:
1. шарик;
2. цилиндрические ролики (короткий, если отношение его длины к диаметру меньше или равно 2,5: длинный, у которого отношение длины к диаметру больше 2,5; игольчатый, если его диаметр не более 6 мм, а длина в 3—10 раз больше диаметра);
3. конический ролик;
4. бочкообразный ролик;
5. витой ролик, хорошо воспринимающий ударную нагрузку.
К л а с с и ф и к а ц и я подшипников качения может осуществляться по многим признакам, а именно:
1. по форме тел качения (шариковые, цилиндрические и конические роликовые, игольчатые);
2. по числу рядов тел качения (однорядные, двухрядные и многорядные);
3. по направлению воспринимаемой нагрузки (радиальные, радиально-упорные, упорно-радиальные, упорные, комбинированные);
4. по возможности самоустановки (самоустанавливающиеся, несамоустанавливающиеся);
5. по габаритным размерам (серии диаметров и ширин);
6. по конструктивным особенностям (с контактным уплотнением, с защитной шайбой, с фланцем на наружном кольце и т. д.).
Основные типы подшипников качения. Наиболее дешевыми н распространенными в машиностроении являются шариковые радиальные однорядные подшипники способные воспринимать также осевую нагрузку в обоих направлениях, если она не превышает одной трети радиальной нагрузки. Эти подшипники допускают угловое смещение внутреннего кольца относительно наружного до 10'.
Ц и л и н д р и ч е с к и й роликовый подшипник с короткими цилиндрическими роликами (рис. 13.12, а) допускает только радиальную нагрузку. Нагрузочная способность таких подшипников по сравнению с однорядными шариковыми больше примерно в 1,5 раза, а долговечности в 3,5 раза. Подшипник допускает осевое смещение колец, но не допускает их угловое смещение.
К о н и ч е с к и й роликовый подшипник (рис. 13.12, б) с коническими роликами воспринимает радиальную и осевую нагрузку (радиально-упорный подшипник), обладает большой нагрузочной способностью, не допускает угловое смещение колец. Если угол контакта, а > 45°, то подшипник называется упорно-радиальным.
Р а д и а л ь н о - у п о р н ы й шариковый подшипник (рис. 13.12, в) обладает по сравнению с коническими роликоподшипниками несколько меньшей нагрузочной способностью. Стандартные радиально-упорные шарикоподшипники выпускаются с углами контакта, а = 12, 26 и 36°.
Следует заметить, что применение более дешевых шариковых подшипников не гарантирует экономичность конструкции, так как более дорогие роликовые подшипники дают возможность уменьшить размеры и массу подшипниковых узлов и значительно увеличить их долговечность.
С ф е р и ч е с к и й шариковый подшипник (рис. 13.12, г) имеет сферическую дорожку качения на наружном кольце, благодаря чему допускает значительное (до 2—3°) угловое смещение колец. Эти подшипники предназначены в основном для радиальной, но воспринимают и небольшую осевую нагрузку.
Кроме шариковых существуют с ф е р и ч е с к и е роликовые подшипники с бочкообразными роликами.
Для обеспечения возможности самоустанавливаться при монтаже, компенсируя при этом несоосность посадочных мест, радиальные шариковые и роликовые подшипники могут быть изготовлены со с ф е р и ч е с к о й посадочной п о в е р х н о с т ь ю наружного кольца.
У п о р н ы й шариковый подшипник, предназначен для восприятия односторонней осевой нагрузки. Кольцо с внутренним диаметром d, монтируемое на вал и имеющее зазор с корпусом, называется тугим, кольцо с внутренним диаметром d1, предназначенное для посадки в корпус и имеющее зазор с валом, называется свободным. Упорный подшипник может быть с а м о у с т а н а в л и в а ю щ и м с я за счет сферической поверхности базового торца. Упорные подшипники могут быть роликовыми. Для восприятия осевой нагрузки в обоих направлениях существуют двойные упорные подшипники качения.
Кроме перечисленных, с у щ е с т в у ю т подшипники: игольчатые с витыми роликами, радиально-упорные шариковые с разъемным (внутренним или наружным) кольцом, с контактным уплотнением, с защитными шайбами и другие конструктивные разновидности.
41 Опоры валов и осей
Валы и вращающиеся оси монтируют на о п о р а х, которые определяют положение вала или оси, обеспечивают вращение, воспринимают нагрузки и передают их основанию машины. Основной частью опор являются п о д ш и п н и к и, которые могут воспринимать радиальные, радиально-осевые и осевые нагрузки; в последнем случае опора называется п о д п я т н и к о м, а подшипник носит название у п о р н о г о.
Подшипники вращающихся осей некоторых транспортных средств (например, железнодорожных вагонов) с преобладающей вертикальной нагрузкой называют б у к с а м и.
По принципу работы различают подшипники с к о л ь ж е н и я, в которых цапфа вала скользит по опорной поверхности, и подшипники к а ч е н и я, в которых между поверхностью вращающейся детали и опорной поверхностью расположены тела качения.
От качества подшипников в значительной степени зависит работоспособность, долговечность и КПД машин.
39 Валы и оси
В а л — деталь машин, предназначенная для передачи крутящего момента вдоль своей осевой линии. В большинстве случаев валы поддерживают вращающиеся вместе с ними детали (зубчатые колеса, шкивы, звездочки и др.). Некоторые валы (например, гибкие, карданные, торсионные) не поддерживают вращающиеся детали. Валы машин, которые кроме деталей передач несут рабочие органы машины, называются к о р е н н ы м. Коренной вал станков с вращательным движением инструмента или изделия называется ш п и н д е л е м. Вал, распределяющий механическую энергию по отдельным рабочим машинам, называется т р а н с м и с с и о н н ы м. В отдельных случаях валы изготовляют как одно целое с цилиндрической или конической шестерней (вал—шестерня) или с червяком (вал—червяк).
По ферме геометрической оси валы б ы в а ю т прямые, коленчатые и гибкие (с изменяемой формой оси). Простейшие прямые валы имеют форму тел вращения.
Прямые валы б ы в а ю т гладкие и ступенчатые валы. Ступенчатые валы являются наиболее распространенными. Для уменьшения массы или для размещения внутри других деталей валы иногда делают с каналом по оси; в отличие от сплошных такие валы называют полыми.
О с ь - деталь машин и механизмов, служащая для поддержания вращающихся частей, но не передающая полезный крутящий момент. Оси бывают в р а щ а ю щ и е с я и н е п о д в и ж н ы е. Вращающаяся ось устанавливается в подшипниках. Примером вращающихся осей могут служить оси железнодорожного подвижного состава, примером невращаюшихся — оси передних колес автомобиля.
К о н с т р у к т и в н ы е элементы валов и осей.
Опорная часть вала или оси называется ц а п ф о й. Концевая цапфа называется ш и п о м, а промежуточная — ш е й к о й. Концевая цапфа, предназначенная нести преимущественную осевую нагрузку, называется пятой. Шипы и шейки вала опираются на п о д ш и п н и к и, опорной частью для пяты является п о д п я т н и к. По форме цапфы могут быть цилиндрическими, коническими, шаровыми и плоскими (пяты).
Кольцевое утолщение вала, составляющее с ним одно целое, называется б у р т и к о м . Переходная поверхность от одного сечения к другому, служащая для упора насаживаемых на вал деталей, называется з а п л е ч и к о м.
Для уменьшения концентрации напряжений и повышения прочности переходы в местах изменения диаметра вала или оси делают плавными. Криволинейную поверхность плавного перехода от меньшего сечения к большему называют г а л т е л ь ю. Галтели бывают постоянной и переменной кривизны. Галтель вала, углубленную за плоскую часть заплечика, называют п о д н у т р е н и е м.
Форма вала по длине определяется распределением нагрузок, т. е. эпюрами изгибающих и крутящих моментов, условиями сборки, и технологией изготовления. Переходные участки валов между соседними ступенями разных диаметров нередко выполняют с полукруглой канавкой для выхода шлифовального круга.
М а т е р и а л ы валов и осей.
Требованиям работоспособности валов и осей наиболее полно удовлетворяют углеродистые и легированные стали, а в ряде случаев — высокопрочные чугуны. Выбор материала, термической и химико-термической обработки определяется конструкцией вала и опор, техническими условиями на изделие и условиями его эксплуатации.
Для большинства валов применяют термически обработанные стали 45 и 40Х, а для ответственных конструкций сталь 40ХН, 30ХГТ и др. Валы из этих сталей подвергают улучшению или поверхностной закалке ТВЧ.
Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют высокой твердости цапф, поэтому их изготовляют из цементируемых сталей 20Х, 12Х2Н4А, 18ХГТ или азотируемых сталей типа 38Х2МЮА и др. Наибольшую износостойкость имеют хромированные валы.
Обычно валы подвергают токарной обработке с последующим шлифованием посадочных поверхностей и цапф. Иногда посадочные поверхности и галтели полируют или упрочняют поверхностным наклепом (обработка шариками или роликами).
37 Цепные передачи достоинства недостатки
Ц е п н о й передачей называется механизм, служащий для преобразования вращательного движения между параллельными валами при помощи двух жесткозакрепленных на них зубчатых колес — звездочек и надетой на них бесконечной цепи.
Ц е п ь — многозвенная гибкая связь, которая может использоваться для перемещения грузов (тяговые цепи), подвески или подъема и опускания грузов (грузовые цепи), для передачи движения (приводные цепи).
В дальнейшем мы будем рассматривать только п р и в о д н ы е цепи, которые используются в цепных передачах.
Д о с т о и н с т в а цепных передач заключаются в том, что они позволяют передавать вращение удаленным (до 8 м) валам, а также приводить в движение одной цепью несколько валов; в цепной передаче отсутствует проскальзывание, а радиальная нагрузка на валы в два раза меньше, чем в ременной передаче; цепные передачи имеют высокий КПД (при благоприятных условиях равен 0,97...0,99).
Н е д о с т а т к и цепных передач: повышенная виброактивность и шум при работе вследствие пульсации скорости цепи и динамических нагрузок; интенсивный износ шарниров вследствие трения и трудностей смазывания, вытягивание цепи вследствие износа шарниров и удлинения пластин.
Цепные передачи широко применяют в металлорежущих и деревообрабатывающих станках, в нефтяном, горном, транспортном, Сельскохозяйственном машиностроении и других отраслях Цепные передачи выполняют как понижающими, так и повышающими; широко известна, например, повышающая передача к заднему колесу велосипеда. Ответственные цепные передачи выполняют закрытыми, заключенными в жесткий корпус, который служит масляной ванной.
Исходной расчетной характеристикой всех цепей является ш а г ц е п и t, измеряемый по хорде делительной окружности звездочки.
Приводные цепи бывают роликовые, втулочные, зубчатые и фасоннозвенные; первые три вида цепей стандартизованы.
Р о л и к о в ы е цепи, состоят из наружного звена и внутреннего. Ролики, перекатываясь по зубьям звездочек, уменьшают их износ. Наружное и внутреннее звенья в сборе образуют вращательную кинематическую пару.
Д л и н н о з в е н н ы е роликовые цепи имеют звенья двойного шага, поэтому они легче и дешевле других и применяются при малых скоростях, в частности, в сельскохозяйственном машиностроении.
Роликовые цепи с и з о г н у т ы м и пластинами обладают повышенной податливостью (пластины работают на изгиб) и поэтому их применяют при динамических нагрузках, например, частых реверсах, ударах и т. д.
Кроме вышеуказанных стандартизованы роликовые приводные цепи для буровых установок, которые предназначены для работы в быстроходных передачах; пластины цепи имеют защитное или защитно-декоративное покрытие.
В т у л о ч н а я цепь отличается от роликовой тем, что у первой нет роликов, а диаметр валиков и длина втулок несколько больше, благодаря чему при прочих равных условиях среднее давление в шарнирах втулочной цепи меньше. Втулочные цепи дешевле роликовых, но износостойкость их ниже. Роликовые и втулочные цепи могут быть однорядными и многорядными. Валики втулочных и роликовых цепей расклепывают, кроме валиков с о е д и н и т е л ь н о г о звена, с помощью которого пружинным замком или шплинтами соединяются концы цепи. Если число шагов цепи нечетное, то применяется п е р е х о д н о е звено.
З у б ч а т ы е цепи с шарнирами качения изготовляют согласно ГОСТу. Зубчатые цепи по сравнению с роликовыми работают более плавно и с меньшим шумом, обеспечивают высокую кинематическую точность, обладают большей надежностью и нагрузочной способностью. Зубчатая цепь с одним и тем же шагом может быть использована в большом диапазоне мощностей за счет изменения рабочей ширины в значительных пределах. Такие цепи имеют высокий КПД (до 0,98), менее подвержены вытягиванию, но их масса и стоимость значительно больше, чем у роликовых цепей. Зубчатые цепи целесообразно применять при больших значениях передаваемой мощности и высокой скорости движения цепи, которая допускается до 35 м/с.
Ф а с о н н о - з в е н н ы е цепи применяют при малых скоростях в условиях плохой смазки и защиты, при отсутствии жестких требований к габаритам передачи, например, в сельскохозяйственных машинах. На рис. 10.5 показана к р ю ч к о в а я цепь, допускающая свободное разъединение звеньев. Звенья фасонно-звенных цепей отливают из ковкого чугуна и в дальнейшем не обрабатывают; звенья крючковой цепи могут быть штампованными из полосовой стали.
35 Ременные передачи достоинства
Р е м е н н о й передачей называется механизм, служащий дли преобразования вращательного движения при помощи шкивов, закреп ленных на валах, и бесконечной гибкой связи — п р и в о д н о г о ремня, охватывающего шкифы.
Ременные передачи применяются почти во всех отраслях машиностроения и являются одним из старейших видов механических передач. В большинстве случаев ременные передачи выполняют как понижающие.
Д о с т о и н с т в а ременных передач: простота конструкции и эксплуатации; плавность и бесшумность работы, обусловленные значительной податливостью приводного ремня; возможность передачи вращении валам, удаленным на большие расстояния (до 15 м и более); невысоким стоимость. Н е д о с т а т к и: малая долговечность приводных ремней, сравнительно большие габариты; высокие нагрузки на валы и их опоры, непостоянство передаточного числа большинства ременных передач.
Вышеуказанные достоинства и недостатки делают целесообразным применение ременной передачи на быстроходных ступенях сложных передач, наиболее характерной является установка ведущего шкива на валу электродвигателя. Мощность современных ременных передач редко превышает 50 кВт, так как при больших мощностях они получаются слишком громоздкими.
В зависимости от профиля сечения ремня передачи можно классифицировать следующим образом: плоскоременная; клиноременная; поликлиноременная; круглоременная; зубчато-ременная; первые четыре являются передачами т р е н и е м, последняя — передача з а ц е п л е н и е м.
В современном машиностроении наибольшее применение имеют клиноременные передачи; увеличивается применение поликлиновых и зубчатых ремней, а также плоских ремней из синтетических материалов, обладающих высокой статической прочностью и долговечностью. Круглоременные передачи применяют при небольших мощностях, например, и приборах, настольных станках, машинах домашнего обихода и т. п.
Наиболее типичные в и д ы плоскоременных передач:
1. открытая (оси валов параллельны, шкивы вращаются в одинаковом направлении);
2. перекрестная (оси валов параллельны, шкивы вращаются в противоположных направлениях);
3. полуперекрестная (оси валов перекрещиваются);
4. угловая (с направляющими роликами, оси валов перекрещиваются или пересекаются);
5. со ступенчатыми шкивами (регулируемая передача);
6. с холостым шкивом (применяется для пуска и остановки ведомого вала при непрерывном вращении ведущего);
7. с натяжным роликом (применяется при малых межосевых расстояниях и больших передаточных числах и < 10; натяжной ролик увеличивает угол обхвата шкивов и автоматически обеспечивает постоянное натяжение ремня).
Наибольшее распространение имеют открытые плоскоременные передачи. По сравнению с другими они обладают более высокой нагрузочной способностью, КПД и долговечностью ремней. Плоскоременные передачи обеспечивают высокую плавность работы (плавность характеризует величину погрешностей угла поворота, многократно повторяющихся за один оборот).
Плоскоременные передачи предпочтительны при больших межосевых расстояниях; кроме того, они сравнительно дешевы, ремни их обладают большой гибкостью и повышенной долговечностью, шкивы просты по конструкции. Плоскоременные передачи применяют при весьма высоких скоростях ремня (до 100 м/с).
Клиноременные передачи.
Обычно к л и н о р е м е н н а я передача представляет собой открытую передачу с одним или несколькими ремнями. Рабочими поверхностями ремня являются его боковые стороны.
По сравнению с плоскоременными клиноременные передачи обладают большей тяговой способностью, имеют меньшее межосевое расстояние, допускают меньший угол обхвата малого шкива и большие передаточные числа (и «S 10). Однако стандартные клиновые ремни не допускают скорость более 30 м/с из-за возможности крутильных колебаний ведомой системы, связанных с неизбежным различием ширины ремня пс его длине и, как следствие, непостоянством передаточного отношения за один пробег ремня. У клиновых ремней большие потери на трение и напряжения изгиба, а конструкция шкивов сложнее.
П о л и к л и н о в ы е ременные передачи не имеют большинства недостатков, присущих клиноременным, но сохраняют достоинства последних. Поликлиновые ремни имеют гибкость, сравнимую с гибкостью резинотканевых плоских ремней, поэтому они работают более плавно, минимальный диаметр малого шкива передачи можно брать меньшим, передаточные числа увеличить до u < 15, а скорость ремня — до 50 м/с. Передача обладает большой демпфирующей способностью.
Зубчато-ременные передачи.
Зубчато-ременные передачи - весьма перспективный вид передач для приводов машин.
В этих передачах бесконечный плоский ремень, имеющий на внутренней поверхности зубья трапецеидальной формы, входит в зацепление с зубчатым шкивом. По сравнению с другими видами передач гибкой связью зубчато-ременные передачи обладают рядом преимуществ: отсутствие скольжения, малые габариты, небольшие нагрузки на валы и их опоры (немного превышающие или равные окружной силе), незначительная вытяжка ремня и высокий КПД (0,94...0,98).
Передачи зубчатым ремнем обычно служат в качестве понижающих в приводах от электродвигателей к приемным валам машин, например металлорежущих станков.
Зубчатые ремни имеют несущий слой в виде металлического троса, стекловолокна или полиамидного шнура, находящегося в резиновой или пластмассовой основе. Для повышения износостойкости зубья покрывают тканью из синтетического волокна.
32 Червячные передачи
Ч е р в я ч н о й передачей называется механизм, служащий для преобразования вращательного движения между валами со скрещивающимися осями. Обычно червячная передача состоит из ч е р в я к а и сопряженного с ним ч е р в я ч н о г о колеса.
Червячные передачи относятся к передачам зацеплением, в которых движение осуществляется по принципу винтовой пары и к категории зубчато-винтовых.
Витки червяка и зубья червячного колеса соприкасаются обычно по линиям и поэтому представляют собой высшую кинематическую пару. Обычно ведущее звено червячной передачи — червяк, но существуют механизмы, в которых ведущим звеном является червячное колесо.
Д о с т о и н с т в а червячных передач: компактность конструкции и возможность получения больших передаточных чисел в одноступенчатой передаче (до u = 300 и более); высокая кинематическая точность и повышенная плавность работы; малая интенсивность шума и виброактивности; возможность обеспечения самоторможения.
Н е д о с т а т к и червячных передач: значительное геометрическое скольжение в зацеплении и связанные с этим трение, повышенный износ, склонность к заеданию, нагрев передачи и сравнительно низкий КПД (от n = 0,5 до 0,95); необходимость применения для ответственных передач дорогостоящих и дефицитных антифрикционных цветных металлов. Указанные недостатки ограничивают мощность червячных передач (обычно до 60 кВт).
Червячные передачи находят широкое применение, например, в металлорежущих станках, подъемно-транспортном оборудовании, транспортных машинах, а также в приборостроении.
Основные в и д ы червячных передач:
1. Цилиндрическая червячная передача, у которой делительные и начальные поверхности цилиндрические (такие передачи имеют наибольшее распространение);
2. Глобоидная передача, которой делительная поверхность червяка торообразная, а колеса — цилиндрическая (такие передачи нетехнологичны);
3. Червячно-реечная передача (по сравнению с зубчато-реечной такая передача обеспечивает большую плавность работы и имеет большую жесткость; оси червяка и рейки могут располагаться под углом или быть параллельны; передачи применяют в продольно-строгальных, тяжелых фрезерных и горизонтально-расточных станках).
Конструктивно червячные передачи чаще всего делают в закрытом исполнении. Наиболее часто встречающиеся червячные р е д у к т о р а: с верхним расположением червяка, с боковым расположением червяка, с нижним расположением червяка
30 Зубчатые передачи
З у б ч а т о й передачей называется трехзвенный механизм, в котором два подвижных зубчатых звена образуют с неподвижным звеном вращательную или поступательную пару. Зубчатое звено передачи может представлять собой колесо, сектор или рейку. Зубчатые передачи служат для преобразования вращательных движений или вращательного движения в поступательное.
Зубчатое зацепление представляет собой высшую кинематическую пару, так как зубья теоретически соприкасаются между собой по линиям или точкам, причем меньшее зубчатое колесо пары называется ш е с т е р н е й, а большее — к о л е с о м. Сектор цилиндрического зубчатого колеса бесконечно большого диаметра называется з у б ч а т о й рейкой.
К л а с с и ф и к а ц и я зубчатых передач:
1. по расположению осей валов (с параллельными, пересекающимися, скрещивающимися осями и соосные);
2. по условиям работы (закрытые — работающие в масляной ванне и открытые — работающие всухую или смазываемые периодически);
3. по числу ступеней (одноступенчатые, многоступенчатые);
4. по взаимному расположению колес (с внешним и внутренним зацеплением);
5. по изменению частоты вращения валов (понижающие, повышающие);
6. по форме поверхности, на которой нарезаны зубья (цилиндрические, конические);
7. по окружной скорости колес (тихоходные при скорости до 3 м/с, среднескоростные при скорости до 15 м/с, быстроходные при скорости выше 15 м/с);
8. по расположению зубьев относительно образующей колеса (прямозубые, косозубые, шевронные, с криволинейными зубьями);
9. по форме профиля зуба (Эвольвентные, круговые, циклоидальные).
Кроме перечисленных существуют передачи с гибкими зубчатыми колесами, называемые в о л н о в ы м и.
Основные в и д ы зубчатых передач
1. С параллельными осями: цилиндрическая прямозубая, цилиндрическая косозубая, шевронная, с внутренним зацеплением;
2. С пересекающимся осями: коническая прямозубая, коническая с тангенциальными зубьями, коническая с криволинейными зубьями;
3. Со скрещивающимися осями: гипоидная, винтовая; зубчато-реечная прямозубая (гипоидная и винтовая передачи относятся к категории гиперболоидных передач, что будет пояснено далее).
Зубчатая передача, оси которой расположены под углом 90°, называется о р т о г о н а л ь н о й.
Д о с т о и н с т в о зубчатых передач заключается, прежде всего, в том, что при одинаковых характеристиках они значительно более компактны по сравнению с другими видами передач. Кроме того, зубчатые передачи имеют более высокий КПД (до 0,99 в одной ступени), сохраняют постоянство передаточного числа, создают относительно небольшую нагрузку на опоры валов, имеют большую долговечность и надежность работы в широких диапазонах мощностей (до десятков тысяч киловатт), окружных скоростей (до 150 м/с) и передаточных чисел (до нескольких сотен).
Н е д о с т а т к и зубчатых передач: сложность изготовления точных передач, возможность возникновения шума и вибраций при недостаточной точности изготовления и сборки, невозможность бесступенчатого регулирования частоты вращения ведомого вала.
Зубчатые передачи являются наиболее распространенными типами механических передач и находят широкое применение во всех отраслях машиностроения, в частности в металлорежущих станках, автомобилях, тракторах, сельхозмашинах и т. д.; в приборостроении, часовой промышленности и др. Годовое производство зубчатых колес в нашей стране исчисляется сотнями миллионов штук, а габаритные размеры их от долей миллиметра до десяти и более метров. Такое широкое распространение зубчатых передач делает необходимой большую научно-исследовательскую работу по вопросам конструирования и технологии изготовления зубчатых колес и всестороннюю стандартизацию в этой области. В настоящее время стандартизованы термины, определения, обозначения, элементы зубчатых колес и зацеплений, основные параметры передач, расчет геометрии, расчет цилиндрических эвольвентных передач на прочность, инструмент для нарезания зубьев и многое другое.
Основная кинематическая х а р а к т е р и с т и к а всякой зубчатой передачи — п е р е д а т о ч н о е число, определяемое по стандарту как отношение числа зубьев колеса к числу зубьев шестерни и обозначаемое и, следовательно,
u = z2/zl.
Поверхности взаимодействующих зубьев колес, обеспечивающие заданное передаточное отношение, называются с о п р я ж е н н ы м и. Процесс передачи движения в кинематической паре, образованной зубчатыми колесами, называется з у б ч а т ы м зацеплением.
27 Кинематические и силовые параметры
Для увеличения производительности и облегчения физического и умственного труда человека создаются м а ш и н ы — механические устройства, выполняющие движения для преобразования энергии, материалов или информации. Всякая машина состоит из одного или нескольких м е х а н и з м о в — системы тел, служащих для преобразования движений. Работа машин обязательно сопровождается тем или иным движением ее органов и в этом заключается основное отличие манной от с о о р у ж е н и й — мостов, зданий и т. д. Устройства, предназначенные для измерений, производственного контроля, управления машинами, регулирования технологических процессов, учета и других функций, называются п р и б о р а м и. Приборы также состоят из механизмов.
Для приведения в движение рабочих машин им передается механическая энергия от машин-двигателей. В подавляющем большинстве случаев двигатели и исполнительные органы рабочих машин связываются не непосредственно, а с помощью механизмов, называемых п е р е д а ч а м и, которые бывают механические, гидравлические, пневматические и электрические. В дальнейшем мы будем заниматься только механическими передачами.
В технике наиболее распространено вращательное движение, поэтому передачи для преобразования этого движения применяются весьма широко. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ СОПРОВОЖДАЕТСЯ ИЗМЕНЕНИЕМ ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА. Механизм, предназначенный для передачи энергии от двигателя к ее потребителям с увеличением вращающих моментов за счет уменьшения частоты вращения, называется с и л о в о й передачей или трансмиссией.
К л а с с и ф и к а ц и я и основные характеристики передач.
В самом общем виде передачи можно классифицировать
1. По способу передачи движения: передачи трением (фрикционные, ременные); передачи зацеплением (зубчатые, червячные, цепные, винт-гайка);
2. По способу соединения звеньев: передачи с непосредственным контактом (фрикционные, зубчатые, червячные, винт-гайка); передачи гибкой связью (ременные, цепные).
Звено передачи, которое получает движение от машины двигателя, называется в е д у щ и м; звено, которому передается движение, называется в е д о м ы м; кроме того, в передачах бывают промежуточные звенья.
Основные характеристики передачи: передаточное число, передаваемая мощность и КПД.
П е р е д а т о ч н ы м отношением называется отношение угловой скорости ведущего звена к угловой скорости ведомого звена. Передаточное отношение может быть больше, меньше или равно единице.
П е р е д а т о ч н ы м числом передачи называется отношение большей угловой скорости к меньшей. Передаточное число не может ыпп, меньше единицы.
Передачи, у которых угловая скорость ведомого звена меньше утопии скорости ведущего, называются п о н и ж а ю щ и м и или р е д у к т о р а м и; в противном случае передачи называются п о в ы ш а ю щ и м и.
Механические передачи бывают о д н о с т у п е н ч а т ы м и и м н о г о с т у п е н ч а т ы м и. Передаточное отношение ряда последовательно соединенных передач равно произведению их передаточных отношений. Например, для двухступенчатого редуктора
Передачи выполняют либо с п о с т о я н н ы м, либо с п е р е м е н н ы м передаточным отношением, причем изменение передаточного отношения может быть ступенчатым или бесступенчатым. Ступенчатое регулирование передаточного отношения осуществляется, например, коробками скоростей металлорежущих станков, автомобилей, тракторов. Механизм для плавного изменения передаточного отношения называется бесступенчатой передачей или в а р и а т о р о м.
Отношение мощности Р2 на ведомом валу передачи к мощности Р1 на ведущем валу называется механическим к о э ф ф и ц и е н т о м полезного действия (КПД) и обозначается
Предельное состояние передачи, при котором становится возможной потеря ее работоспособности, называется н а г р у з о ч н о й способностью. Понятие запаса нагрузочной способности включает в себя понятие запаса прочности.
25 Заклепочные
Заклёпочное соединение — неразъёмное соединение деталей при помощи заклёпок. Обеспечивает высокую стойкость в условиях ударных и вибрационных нагрузок. На современном этапе развития технологии уступает место сварке и склеиванию, обеспечивающим большую производительность и более высокую прочность соединения. Однако, по-прежнему находит применение в следующих случаях: в соединениях, где необходимо исключить изменение структуры металла, коробление конструкции и перегрев расположенных рядом деталей; соединение разнородных, трудно свариваемых и не свариваемых материалов; в соединениях с затруднительным доступом и контролем качества; в случаях, когда необходимо предотвратить распространение усталостной трещины из детали в деталь. Большинство соединений в самолётах по-прежнему выполняется клёпкой.
Виды заклёпочных соединений
Заклёпочные соединения делятся на прочные (рассчитанные только на восприятие силовых нагрузок) и прочноплотные (восприятие силовых нагрузок и герметичность соединения). Герметичность соединения обеспечивается нанесением различных герметиков на поверхность стыка или подкладыванием под стык различных пластичных материалов. Заклёпки герметичных соединений имеют усиленные головки.
В зависимости от требований к поверхности, заклёпки могут иметь полукруглую головку, потайную или полупотайную. Иногда чуть выпуклую головку делают плоской в процессе клёпки для создания внутренних усилий сжатия, которые снижают возможность усталости материала.
Заклёпки изготовляют для разных способов установки. Для односторонней клепки существует множество видов заклёпок, в том числе: отрывные, взрывные. Обычная клёпка может выполняться, когда наковаленка-поддержка находится с лицевой стороны и, когда наковаленка находится с тыльной стороны. Последний способ стал наиболее распространенным, поскольку требует меньшей массы наковаленки-поддержки.
Недостатки заклёпочных соединений
Трудоёмкость процесса. Необходимо просверлить множество отверстий, установить заклёпки, расклепать их. Эти операции выполняются вручную. Более того - парой слесарей-сборщиков. До последней четверти 20-го века в СССР на авиационных заводах пользовались спросом худощавые юноши и девушки, способные влезть в узкий отсек, чтобы удерживать там наковальню-поддержку.
Повышенная материалоёмкость соединения. Заклёпочный шов ослабляет основную деталь, поэтому она должна быть толще. Нагрузку несут заклёпки, поэтому их сечение должно соответствовать нагрузке.
Необходимость специальных мер для герметизации. Это очень важно для самолётостроения и ракетной техники, при сборке баков-кессонов и пассажирских отсеков. В баках-кессонах, расположенных в крыле самолётов, как правило, держат топливо - авиационный керосин. Резиновый герметик, устойчивый к керосину, должен закрывать все заклёпочные швы. Вес его может составлять десятки килограммов.
Процесс сопровождается шумом и вибрацией. Это приводит к ряду профессиональных заболеваний у сборщиков и вызывает глухоту. Поэтому везде, где можно, внедряются новые инструменты для клёпки.
Преимущества заклёпочных соединений
Не позволяет распространяться усталостным трещинам, таким образом повышает надёжность всего изделия.
Позволяет соединять не поддающиеся сварке материалы.
В последнее время эти преимущества нивелируются тем, что появились достаточно прочные сплавы, поддающиеся сварке, появились синтетические клеи, позволяющие получить у клеевого шва прочность не хуже, чем у основного материала. На смену алюминиевым сплавам пришли композиты, в которые на стадии изготовления вклеивают металлические закладные элементы.
Инструменты и приспособления для клёпки
В последнее время клепальный пневмомолоток и наковальня-поддержка всё чаще вытесняется другим оборудованием. Это - пневмоклещи, клепальный пресс. Клепальные прессы с ЧПУ (числовым программным управлением) позволяют с высокой производительностью изготовлять крупные панели для фюзеляжей и крыльев самолётов
24 Сварные
С в а р н ы м — называется неразъемное соединение, выполненное с в а р к о й, т. е. путем установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагревании или пластическом деформировании.
Сварные соединения являются наиболее распространенными и совершенными из неразъемных соединений, так как лучше других обеспечивают условия равнопрочности, снижения массы и стоимости конструкции. Замена клепаных конструкций сварными уменьшает их массу до 25%, а замена литых конструкций сварными уменьшает расход металла до 30% и более. Трудоемкость сварных конструкций значительно меньше клепаных, а возможности механизации и автоматизации технологического процесса значительно больше. Сварка позволяет соединять детали сложной формы, обеспечивает сравнительно бесшумный технологический процесс и герметичность соединений. В настоящее время сваривают детали, изготовленные из черных, многих цветных металлов, а также из пластмасс. Свариваемость материалов характеризуется их склонностью к образованию трещин при сварке и механическими свойствами соединения. Хорошей свариваемостью обладают низкоуглеродистые стали, плохой — высокоуглеродистые стали и чугуны.
Н е д о с т а т к и сварных соединений: недостаточная надежность при ударных и вибрационных нагрузках, коробление деталей в процессе сварки, концентрация напряжений и сложность проверки качества соединений.
Существует много видов сварки, которые можно подразделить на две группы: сварка п л а в л е н и е м и сварка д а в л е н и е м. Часть конструкции, в которой сварены примыкающие друг к другу элементы, называется сварным узлом. В машиностроении наибольшее распространение имеют сварные узлы, полученные разновидностью сварки плавлением — д у г о в о й сваркой, при которой нагрев осуществляется электрической дугой; меньшее распространение имеет к о н т а к т н а я сварка с применением давления, при которой нагрев производится теплом, выделяемым при прохождении электрического тока в зоне контакта соединяемых деталей. В дальнейшем рассматриваются соединения, полученные дуговой сваркой.
Металл соединяемых сваркой деталей называется о с н о в н ы м, а металл, предназначенный для введения в сварочную ванну в дополнение к расплавленному основному, называется п р и с а д о ч н ы м; переплавленный присадочный металл, введенный в сварочную ванну, называется н а п л а в л е н н ы м. Участок соединения, образовавшийся в результате кристаллизации металлической сварочной ванны называется с в а р н ы м швом. Металл шва является сплавом основного и наплавленного металла, а иногда только переплавленным основным металлом.
Существуют следующие в и д ы сварных соединений: стыковое, нахлесточное; угловое, тавровое. Шов стыкового сварного соединения называется стыковым, а швы нахлесточного, углового и таврового соединений называют угловыми. Сварные швы могут быть н е п р е р ы в н ы м и и п р е р ы в и с т ы м и; последние имеют промежутки по длине шва. Металл шва, наплавленный за один проход, называется валиком; один или несколько валиков, расположенных на одном уровне поперечного сечения шва, называется слоем.
Сварные швы по форме поперечного сечения могут быть н о р м а л ь н ы м и, в ы п у к л ы м и и в о г н у т ы м и. Величина выпуклости шва не должна превышать 3 мм. Выпуклый угловой шов, кажущийся на первый взгляд более прочным, имеет значительную концентрацию напряжений по сравнению с нормальным и особенно вогнутым швами, так как выпуклый шов образует более резкое изменение сечения детали в месте соединения. Поэтому при действии на конструкцию переменных нагрузок рекомендуется применять вогнутые угловые швы, хотя вогнутость их обычно достигается механической обработкой, которая значительно увеличивает стоимость соединения. У стыковых швов со снятыми механическим способом выпуклостями концентрация напряжений практически отсутствует.
Различают швы л о б о в ы е и ф л а н г о в ы е, расположенные соответственно перпендикулярно и параллельно линии действия нагрузки; кроме того, бывают швы косые и комбинированные.
23 Неразъемные соединения
Соединения д е л я т с я на:
1. П о д в и ж н ы е – соединения двух деталей, которые в процессе работы совершают относительное движение (разъемные).
2. Н е п о д в и ж н ы е – соединение двух или нескольких деталей, которые в процессе работы не совершают относительного движения (разъемные, не разъемные)
Соединения могут выполняться с помощью дополнительных деталей и без них.
По принципу передачи нагрузки различают соединения с зацеплением и фрикционные соединения.
К соединениям наряду с требованием экономическим предъявляют требования прочности, плотности и жесткости.
Часть производственного процесса, заключающаяся в соединении готовых деталей, сборочных единиц, узлов и агрегатов в изделия, называется сборкой.
К л а с с и ф и к а ц и я соединений. Все многообразие сопряжений деталей машин при сборке можно подразделить на следующие виды соединений:
1. по возможности относительного перемещения деталей (подвижное и неподвижное);
2. по сохранению целостности деталей при разборке (разъемное и неразъемное);
3. по форме сопрягаемых поверхностей (плоское, цилиндрическое, коническое, сферическое, винтовое, профильное);
4. по методу образования, определяемого процессом получения соединения или конструкцией соединяющей детали (клепаное, сварное, паяное, клееное, прессовое, резьбовое, шпоночное, шлицевое, штифтовое, клиновое и др.).
Соединения, при разборке которых нарушается целостность составных частей изделия, называют н е р а з ъ е м н ы м и.
Предельное состояние соединения, когда становится возможной потеря его работоспособности, называется н а г р у з о ч н о й способностью.
22 Шлицевые и шпоночные соединения
Ш л и ц е в ы м называется разъемное соединение составных частей изделия с применением пазов (шлицев) и выступов. Шлицевые соединения бывают подвижные и неподвижные. Детали шлицевого соединения вал и втулка. Шлицевое соединение можно представлять как многошпоночное, у которого шпонки выполнены за одно целое с валом. Шлицевые соединения по сравнению со шпоночными обладают значительными п р е и м у щ е с т в а м и, а именно: меньшее число деталей в соединении, значительно большая нагрузочная способность за счет большей площади контакта рабочих поверхностей вала и ступицы, меньшая концентрация напряжений в материале вала и ступицы, лучшее центрирование соединяемых деталей и более точное направление при осевом перемещении, высокая надежность при динамических и реверсивных нагрузках. Эти преимущества обеспечили широкое распространение шлицевых соединений в автомобильной, тракторной, станкостроительной и других отраслях промышленности.
Н е д о с т а т о к шлицевых соединений — высокая трудоемкость и стоимость их изготовления.
Шлицы на валах чаще всего выполняют фрезерованием дисковой фасонной фрезой (методом деления), или червячной шлицевой фрезой на шлицефрезерном станке (методом обкатки); отделочные операции выполняют на шлицешлифовальных станках. Шлицевание отверстий в ступицах деталей обычно выполняют шлицевыми протяжками на протяжных станках.
Основные т и п ы шлицевых соединений: прямобочное, эвольвентное, треугольное. Первые два типа шлицевых соединений стандартизованы.
Наибольшее распространение имеют соединения шлицевые п р я м о б о ч н ы е, размеры и допуски которых регламентированы ГОСТом. Эти соединения применяют, например, для посадки подвижных и неподвижных зубчатых колес на валы в коробках передач металлорежущих станков Стандарт предусматривает прямобочные шлицевые соединения трех серий: легкой, средней (обе с числом зубьев от 6 до 10) и тяжелой (с числом зубьев от 10 до 20), отличающихся друг от друга высотой зубьев и, следовательно, нагрузочной способностью.
Прямобочные шлицевые соединения выполняют с ц е н т р и р о в а н и е м: по боковым сторонам зубьев, по наружному диаметру, по внутреннему диаметру. Центрирование по боковым сторонам зубьев обеспечивает более равномерное распределение нагрузки между зубьями и поэтому его применяют при ударных и реверсивных нагрузках (например, в карданных валах); центрирование по наружному или внутреннему диаметрам обеспечивает более высокую соосность вала и ступицы. М е т о д центрирования имеет прямое отношение к технологии изготовления деталей соединения, причем наиболее технологично центрирование по наружному диаметру, применяемому при невысокой твердости внутренней поверхности ступицы.
Более совершенны, но пока менее распространены шлицевые Э в о л ь в е н т н ы е соединения с углом профиля 30°, размеры, допуски и измеряемые величины которых установлены ГОСТом. Эвольвентные шлицевые соединения обладают большей нагрузочной способностью, так как их зубья утолщаются к основанию и имеют значительно (до двух раз) меньшую концентрацию напряжений за счет закруглений у основания зубьев.
Соединения шлицевые т р е у г о л ь н ы е не стандартизованы и применяются как неподвижные при тонкостенных ступицах, пустотелых валах, стесненных габаритах деталей и сравнительно небольших вращающих моментах. Центрирование соединения выполняется по боковым поверхностям зубьев. Треугольные шлицевые соединения бывают цилиндрическими и коническими.
Шпоночные соединения
Ш п о н о ч н ы м и называют разъемные соединения составных частей изделия с применением шпонок. Детали шпоночного соединения: шпонка закладывается в пазы вала и ступицы, надеваемой на вал детали (шкива, зубчатого колеса и т. п.). Шпоночные соединения могут быть н е п о д в и ж н ы м и и п о д в и ж н ы м и, и служат обычно для предотвращения относительного поворота ступицы и вала при передаче вращающего момента. Шпоночные соединения широко применяют во всех отраслях машиностроения.
Д о с т о и н с т в а шпоночных соединений: простота и надежность конструкции, легкость сборки и разборки соединения, невысокая стоимость. Основной н е д о с т а т о к шпоночных соединений — снижение нагрузочной способности сопрягаемых деталей из-за ослабления их поперечных сечений шпоночными пазами и значительной концентрации напряжений в зоне этих пазов.
Шпоночные пазы на валах и осях обычно получают фрезерованием концевыми или дисковыми фрезами. Следует отметить, что в первом случае эффективный коэффициент концентрации напряжений примерно на 20% больше, чем во втором случае вследствие более плавного выхода дисковой фрезы и менее резкого изменения поперечного сечения вала. Шпоночные пазы в ступицах обычно протягивают шпоночной протяжкой или долбят резцом.
Форма и размеры большинства типов шпонок стандартизованы, а их применение зависит от условий работы соединяемых деталей и диаметров посадочных поверхностей.
Шпоночные соединения подразделяют на н а п р я ж е н н ы е и н е н а п р я ж е н н ы е.
Под напряженным понимается такое соединение, в котором постоянно действуют внутренние силы упругости, вызванные предварительной (т. е. до приложения нагрузки) затяжкой.
Н е н а п р я ж е н н ы е шпоночные соединения осуществляются стандартными призматическими и сегментными или специальными шпонками.
21 Резьбовые соединения
Р е з ь б о в ы м называют соединение составных частей изделия с применением детали, имеющей резьбу.
Резьба представляет собой чередующиеся выступы и впадины на поверхности тела вращения, расположенные по винтовой линии. Основные определения, относящиеся к резьбам общего назначения, стандартизованы.
Резьбовые соединения являются самым распространенным видом соединений вообще и разъемных в частности. В современных машинах детали, имеющие резьбу, составляют свыше 60% от общего количества деталей. Широкое применение резьбовых соединений в машиностроении объясняется их д о с т о и н с т в а м и: универсальностью, высокой надежностью, малыми габаритами и весом крепежных резьбовых деталей, способностью создавать и воспринимать большие осевые силы, технологичностью и возможностью точного изготовления.
Н е д о с т а т к и резьбовых деталей: значительная концентрация напряжений в местах резкого изменения поперечного сечения и низкий КПД подвижных резьбовых соединений.
Резьбы изготовляют либо п л а с т и ч е с к о й д е ф о р м а ц и е й (накатка на резьбонакатных станках, выдавливание на тонкостенных металлических изделиях), либо р е з а н и е м (на токарно-винторезных, резьбонарезных, резьбофрезерных, резьбо-шлифовальных станках или вручную метчиками и плашками); на деталях из стекла, пластмассы, металлокерамики, иногда на деталях из чугуна резьбу изготовляют о т л и в к о й или п р е с с о в а н и е м. Следует отметить, что накатывание резьбы круглыми или плоскими плашками на резьбонакатных станках — самый высокопроизводительный метод, с помощью которого изготовляется большинство стандартных крепежных деталей с наружной резьбой, причем накатанная резьба прочнее нарезанной, так как в первом случае не происходит перерезание волокон металла заготовки, а поверхность резьбы наклёпывается.
Основные геометрические параметры резьбы:
1. наружный диаметр d, D (по стандартам диаметры наружной резьбы обозначают строчными, а диаметры внутренней резьбы — прописными буквами);
2. внутренний диаметр d1, D1;
3. средний диаметр d2, D2 - диаметр воображаемого цилиндра, на поверхности которого толщина витка равна ширине впадины;
4. угол профиля а, шаг резьбы р — расстояние между соседними одноименными боковыми сторонами профиля в направлении, параллельном оси резьбы;
5. число заходов n (заходность резьбы легко определяется на торце винта по числу сбегающих витков);
6. ход резьбы Pn = np — величина относительного осевого перемещения гайки или винта за один оборот (в целях унификации обозначений шаг резьбы, как и шаг зубьев губчатых колес, будем обозначать строчной буквой р, а не прописной, как по стандартам на резьбы).
К л а с с и ф и к а ц и я резьб. Классифицировать резьбы можно по многим признакам:
1. по форме профиля (треугольная, трапецеидальная, упорная, прямоугольная, круглая и др.);
2. по форме поверхности (цилиндрическая, коническая);
3. по расположению (наружная, внутренняя);
4. по числу заходов (однозаходная, многозаходная);
5. по направлению заходов (правая, левая);
6. по величине шага (с крупным, с мелким);
7. по эксплуатационному назначению (крепежная, крепежно-уплотнительная, ходовая, специальная).
19 Этапы проектирования изделий
П р о е к т и р о в а н и е м называется процесс разработки комплексной технической документации, содержащей технико-экономические обоснования, расчеты, чертежи, макеты, сметы, пояснительные записки и другие материалы, необходимые для производства машины. По типу изображения объекта различают ч е р т е ж н о е и о б ъ е м н о е проектиро-вание; последнее включает выполнение макета или модели объекта. Для деталей машин характерен чертежный метод проектирования.
Процесс проектирования механизмов и машин имеет две о с о б е н н о с т и:
1. Состав и последовательность этапов проектирования не зависимо от назначения механизма.
2. Логика процесса проектирования не зависит от способа проектирования.Логика проектирования заключается в определенной последовательности операции при проектировании и во взаимосвязи между этими операциями.
Совокупность конструкторских документов, полученных в результате проектирования, называется п р о е к т о м.
Единая система конструкторской документации (ЕСКД), содержащая более ста государственных стандартов; эти стандарты устанавливают правила оформления и ведения проектно-конструкторской, эксплуатационной и ремонтной документации.
Правила проектирования и оформления проектов стандартизованы в Единой системе конструкторской документации (ЕСКД), которая устанавливает пять стадий разработки конструкторской документации на изделия всех отраслей промышленности, а именно:
1. Техническое задание устанавливает основное назначение и технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию;
2. Концепция проектирования разрабатывается после того как сформулированы исходные данные и определены ос-новные приоритеты. Здесь осуществляется: выбор схемы конструкций элементов и основные параметры обеспечивающие требуемые выходные характеристики.
3. Техническое предложение — совокупность конструкторских документов, содержащих технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки документации изделия на основании анализа технического зада-ния, сравнительной оценки возможных решений с учетом особенностей разрабатываемого и существующих подобных изде-лий, а также патентных материалов;
4. Эскизный проект — совокупность конструкторских документов, содержащих принципиальные конструктивные решения, дающие общие представления об устройстве и принципе работы изделия, а также данные, определяющие его ос-новные параметры и габаритные размеры;
5. Технический проект — совокупность конструкторских документов, содержащих окончательные технические ре-шения, дающие полное представление об устройстве изделия и исходные данные для разработки рабочей конструкторской документации;
6. Разработка технической документации включает чертежи узлов и деталей, спецификации, технические условия на изготовление, сборку, испытание изделия и др.
В соответствии с разработанной в процессе проектирования конструкторской документацией в дальнейшем создается технологическая документация, которая определяет технологию изготовления изделия.
Конструкторские, технологические, а также нормативно-технические документы (последние включают стандарты всех категорий, руководящие технические материалы, общие технические требования и т. п.) в совокупности составляют, т е х н и ч е с к у ю д о к у м е н т а ц и ю, необходимую для организации и осуществления производства, испытаний, эксплуа-тации и ремонта предмета производства (изделия).
Условия работы деталей машин бывают весьма разнообразными и трудно поддающимися точному учету, поэтому расчеты деталей машин часто выполняют по приближенным, а иногда эмпирическим формулам, являющимся результатом обобщения накопленного опыта проектирования, испытаний и эксплуатации деталей и узлов машин.
В процессе проектирования деталей машин встречаются два вида расчетов, а именно: п р о е к т н ы й р а с ч е т, при котором обычно определяются основные размеры деталей или узла, п р о в е р о ч н ы й р а с ч е т, когда для созданной кон-струкции определяется, например, значение напряжений в опасных сечениях, тепловой режим, долговечность и другие па-раметры.
При проектировании деталей машин в большинстве случаев возможна многовариантность решений, что делает не-обходимым анализ этих вариантов, принятие решений с учетом предшествующего опыта и использованием существующих аналогичных конструкций. В наше время большое внимание уделяется вопросам технической эстетики, поэтому создаваемые конструкции должны быть не только надежными и экономичными, но и сочетать красивый внешний вид с целесообраз-ностью форм.
18 Виды машиностроительных материалов
К о н с т р у к ц и о н н ы м и называют материалы, обладающие прочностью и применяемые для изготовления конструкций, воспринимающих силовую нагрузку. Конструкционные материалы п о д р а з д е л я ю т на металлические, неметаллические и композиционные.
Затраты на материалы в общей стоимости машин составляют весьма значительную часть. Снижение материалоемкости конструкции является важным источником повышения эффективности общественного производства. Основными направлениями с н и ж е н и я материалоемкости машиностроительной продукции являются: совершенствование методов расчета и улучшение конструкции машин, применение прогрессивной технологии изготовления заготовок и деталей ми шин, повышение качества и расширение номенклатуры материалов, более полное использование вторичного сырья и отходов производства.
Выбор материалов деталей — важный этап проектирования, от которого в значительной степени зависят вес, габариты, стоимость и долговечность машин. Для снижения стоимости машин большое значение имеет замена дорогостоящих и дефицитных материалов, однако применение более дешевых материалов может привести к увеличению веса, габаритов и снижению долговечности машин. Таким образом, вопрос о выборе материала представляет собой сложную т е х н и к о-э к о н о м и ч е с к у ю задачу, в решении которой необходимо учитывать экономические, технологические и эксплуатационные соображения.
Наряду с другими обстоятельствами при выборе материалов для деталей машин следует учитывать такие производственные вопросы, как снабжение, хранение и учет материалов на предприятии, и по возможности с о к р а щ а т ь н о м е н к л а т у р у наименований и марок применяемых материалов.
Наиболее распространенными материалами в машиностроении являются м е т а л л ы, которые подразделяют на черные и цветные.
Черные металлы (стали и чугуны) в машинах занимают по весу более 90%; они сравнительно дешевы, обладают высокой прочностью и жесткостью. Основные н е д о с т а т к и черных металлов — высокая плотность и подверженность многих из них коррозии.
Цветные металлы (медь, цинк, олово, свинец, алюминий, титан, магний и др.) входят в состав цветных сплавов (бронзы, латуни, баббиты) и легких сплавов (силумины, дюралюминий, магниевые, титановые и др.). Цветные металлы и сплавы значительно дороже черных, более дефицитны, но обладают весьма ценными антифрикционными и антикоррозионными свойствами, а легкие сплавы (в особенности титановые) имеют высокую прочность при малой плотности.
Все более широко в машиностроении применяют неметаллические материалы (дерево, кожа, резина, графит, пластмассы и др.).
Пластмассы обладают довольно высокой прочностью, малой плотностью, электроизоляционными и антикоррозионными, фрикционными или антифрикционными свойствами. Детали из пластмасс имеют малую трудоемкость, так как их получают высокопроизводительными методами. Н е д о с т а т к и пластмасс: низкая теплостойкость и старение, сопровождаемое постепенным изменением механических характеристик, иногда цвета и даже размеров деталей.
Применение пластмасс в машиностроении дает большой технико-экономический эффект благодаря снижению веса машин, экономии цветных металлов и сталей, снижению трудоемкости и себестоимости машин.
Композиционные конструкционные материалы (например, биметаллы, стеклопластики и др.) образуются объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела. Такие материалы обладают свойствами, которыми не обладает каждый из компонентов, взятый в отдельности. Композиционные материалы могут обладать весьма высокими механическими, диэлектрическими, жаропрочными и другими свойствами.
Большинство машиностроительных материалов стандартизовано. На всех этапах своего развития машиностроение нуждалось в создании новых и улучшении эксплуатационных качеств существующих материалов. Это необходимое условие непрерывного технического прогресса.
17 Технологичность
Обязательным условием при проектировании новой машины является обеспечение технологичности конструкций.
Т е х н о л о г и ч н о с т ь — соответствие изделия требованиям производства и эксплуатации. Цель обеспечения технологичности — повышение производительности труда и качества изделия при максимальном снижении себестоимости.
Одним из важнейших требований технологичности является с о о т в е т с т в и е к о н с т р у к ц и и т и п у и у с л о в и я м производства. Конструкция, технологичная в условиях единичного производства, может оказаться совершенно неприемлемой для массового выпуска и наоборот.
При решении вопроса технологичности конструктор должен в общих чертах представлять себе и учитывать при конструировании способ получения заготовки детали (прокат, поковка, горячая или холодная штамповка, литье и т. д.), технологию механической обработки, сварки и сборки изделия, вопросы контроля и испытаний, обеспечивая п р о и з в о д с т в е н н у ю т е х н о л о г и ч н о с т ь, а также продумывать вопросы технического обслуживания и ремонта изделия, обеспечивая э к с п л у а т а ц и о н н у ю и р е м о н т н у ю т е х н о л о г и ч н о с т ь.
К основным требованиям технологичности относится максимально возможное применение в конструкции стандартных и унифицированных деталей и узлов.
Весьма существенным показателем технологичности конструкций является ее м а т е р и а л о е м к о с т ь. Снижение веса машин и экономия материала — важная задача конструкторов и технологов. Как правило, наиболее технологичными следует считать детали, при изготовлении которых наименьшее количество материалов уходит в отходы.
Конструктору не следует завышать задаваемую точность размеров и чистоту поверхностей деталей, так как это ведет к повышению себестоимости и трудоемкости их изготовления.
Основными показателями технологичности изделия являются т р у д о е м к о с т ь изготовления (измеряемое в нормо-часах количество труда, необходимое для изготовления изделия без учета покупных деталей) и технологическая с е б е с т о и м о с т ь (сумма затрат на осуществление технологических процессов изготовления без учета покупных деталей). Одним из дополнительных показателей технологичности является к о э ф ф и ц и е н т стандартизации деталей (равный отношению количества стандартных деталей изделия к общему их количеству без учета крепежных деталей).
В большинстве случаев оптимальным вариантом конструкций деталей машин будет вариант, обеспечивающий минимальную с е б е с т о и м о с т ь при прочих равных условиях. Приближенно себестоимость С деталей можно определить по формуле
С = М+3 + Н, где М - стоимость материала деталей с учетом стоимости отходов; 3 - зарплата производственных рабочих; Н - накладные расходы, исчисляемые в процентах от зарплаты и включающие зарплату непроизводственного персонала, стоимость амортизации основного оборудования, зданий, расходы на электроэнергию, отопление, стоимость специальной оснастки, инструмента и т. д. В зависимости от типа и конкретных условий производства накладные расходы достигают 100, а нередко и значительно более процентов.
С увеличением масштаба производства себестоимость детали резко снижается, так как с применением специальной оснастки и оборудования значительно снижается трудоемкость детали и зарплата производственных рабочих, уменьшается стоимость специальной оснастки, приходящаяся на одну деталь, сокращаются затраты на материал благодаря более производительным методам изготовления заготовки и уменьшению припусков.
16 Надежность
Основным критерием качества машин является н а д е ж н о с т ь — способность выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Проблема повышения надежности — одна из важнейших в машиностроении. Обеспечение надежности в технике регламентировано системой ГОСТов.
Н а д е ж н о с т ь — комплексное свойство, которое может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Безотказность и долговечность машины, прежде всего, связаны с ее работоспособностью, т. е. способностью выполнять заданные функции, сохраняя значение заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. Нарушение работоспособности машины называется о т к а з о м.
14 виды посадок и их применение
П о с а д к а – характер соединения деталей, определяемый величиной получаемых в нем зазоров или натягов.
В и д ы посадок:
1. Посадка с зазором – в соединении размер отверстия больше размера вала, а значит, поле допуска отверстия будет располагаться выше поля допуска вала. Smax=ES-ei, Smin=EJ-es.
2. Посадка с натягом - в соединении размер отверстия меньше размера вала, при этом поле допуска вала расположено ниже поля допуска отверстия. Nmax= es-EJ, Nmin= ei-ES.
3. Переходная посадка – посадка, которая дает возможность получения в соединении, как зазора, так и натяга. Поле допусков отверстия и вала перекрываются, т.е. имеют общую часть. Nmax= es-EJ, Smax=ES-ei.
13 Системы допусков и квалитеты точности
К л а с с и ф и к а ц и я размеров деталей:
1. Н о м и н а л ь н ы й размер – размер, получаемый из расчета на прочность взятый из чертежа или ГОСТа. Он яв-ляется единым для сопрягаемых поверхностей (D-отверстие, d-вал).
2. П р е д е л ь н ы й размер – размер, в пределе которого должен находится действительный размер изготовленной детали (Dmax(min)-отверстие, dmax(min)-вал).
3. Д е й с т в и т е л ь н ы й размер – размер, полученный в результате измерения измерительным инструментом (Dr-отверстие, dr-вал).
В е р х н е е отклонение – алгебраическая разность между предельным (верхним) и номинальным размером.
ES = Dmax-D – отверстие; es = dmax-d - вал.
Н и ж н е е отклонение - алгебраическая разность между предельным (нижним) и номинальным размером.
EJ = Dmin-D – отверстие; ej = dmin-d - вал.
Д о п у с к детали - алгебраическая разность между верхним и нижним отклонением.
TD = ES-EJ= Dmax-Dmin; Td = es-ej = dmax-dmin.
Допуск на размер регулирует качество изготовления деталей. Чем ниже допуск, тем выше качество изготовления де-талей.
Для того чтобы определить характер соединения детали нам необходимо построение полей сочетания допусков и валов.
П о л е д о п у с к а – поле ограниченное верхним и нижним отклонением.
Величины отклонений необходимо выбирать из стандартной таблицы Единой Системы допусков и посадок, соглас-но размерам и квалитету.
К в а л и т е т – класс изготовления детали (существует 19 квалитетов). Он указывается рядом с условным обозначе-нием поля допуска и является совокупностью допусков соответствующей одинаковой степени точности для всех номиналь-ных размеров. Номера квалитетов: 01, 0, 1, 2…17.
В таблице ЕСДП полям допусков присвоена буква латинского алфавита, поэтому для того чтобы определить вели-чины предельных отклонений нам необходимо ориентируясь на условные обозначения в чертежах определить поле допуска и квалитета.
Существует две с и с т е м ы назначения посадок: система отверстия и система вала.
Система о т в е р с т и я: основная деталь-отверстие; поле допуска – Н; отклонения остаются неизменными, причем верхние отклонения положительны, а нижние всегда равны нулю; характер соединения получается путем изменения пре-дельных отклонений вала.
Система в а л а: основная деталь-вал; поле допуска – h; отклонения постоянны, причем верхние отклонения равны нулю, а нижние всегда отрицательны; характер соединения получается путем изменения предельных отклонений отверстия.
12 Взаимозаменяемость
Взаимозаменяемость - способность деталей или узла занимать свое место в сборочной единице без доп. Подгонки, обеспечивая при этом нормальную работу всего механизма
11 Износостойкость
Обеспечение износостойкости изделий регламентировано системой ГОСТов, в частности термины и определения, относящиеся к трению, изнашиванию и смазке, установлены ГОСТ 27674-88.
И з н а ш и в а н и е м называется процесс отделения материала с поверхности твердого тела и накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и формы тела. Результат изнашивания называется и з н о с о м. Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения называется и з н о с о с т о й к о с т ь ю.
Установлено, что 85-90% машин выходит из строя в результате изнашивания и лишь 10-15% в результате поломок, поэтому одним из важнейших условий прогресса народного хозяйства является изыскание путей снижения трения и изнашивания деталей машин.
В зависимости от происходящих процессов изнашивание можно подразделить на три вида: механическое, коррозионно-механическое и электроэрозионное. При дальнейшем изучении предмета мы будем иметь дело с некоторыми видами механического изнашивания, а именно:
1. Абразивное изнашивание материала, происходящее в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц, попадающих в зону контакта деталей;
2. Изнашивание при заедании, происходящее в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность; заедание может привести к з а д и р у - появлению широких и глубоких борозд в направлении скольжения;
3. Усталостное изнашивание, происходящее в результате усталостного разрушения (отслаивания и выкрашивания) при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Усталостное изнашивание может происходить как при трении качения, так и при трении скольжения.
10 Жесткость
Ж е с т к о с т ь ю называется способность материала деталей сопротивляться изменению формы и размеров при нагружении. Жесткость соответствующих деталей обеспечивает требуемую точность машины, нормальную работу ее узлов. Так, например, нормальная работа зубчатых колес и подшипников возможна лишь при достаточной жесткости валов. Диаметры валов, определенные из расчета на жесткость, нередко оказываются большими, чем полученные из расчета на прочность. Нормы жесткости деталей устанавливаются на основе опыта эксплуатации деталей машин. Значение расчета на жесткость возрастает, так как вновь создаваемые высокопрочные материалы имеют значительно более высокие характеристики прочности (пределы текучести и прочности), а характеристики жесткости (модули продольной упругости и сдвига) меняются незначительно.
9 Кручение
К р у ч е н и е м называется такой вид деформации, при котором в поперечных сечениях бруса возникает только один внутренний силовой фактор – к р у т я щ и й момент Мк (крутящий момент можно также обозначить Мz, так как это момент внутренних сил относительно продольной оси бруса – оси z).
Кручение возникает в валах, винтовых пружинах и других элементах конструкций. Кручение прямого бруса происходит при нагружении его внешними скручивающими моментами (парами сил), плоскости действия которых перпендикулярны к его продольной оси. Эти моменты обозначим m. Кручение криволинейных брусьев может возникать и при других видах нагружения.
Если прямой брус находится в состоянии покоя или равномерного вращения, то алгебраическая сумма всех внешних скручивающих моментов, приложенных к брусу, равна нулю.
При расчете валов в ряде случаев величины внешних скручивающих моментов определяются по величине потребляемой мощности и по скорости вращения вала. Если вал делает в минуту n оборотов, то угол поворота вала за одну секунду, выраженный в радианах, равен (n/60)2? , или ?n/30 . Работа скручивающего момента m за одну секунду, т.е. мощность N, передаваемая валом, равна произведению величины момента на угол поворота вала (в радианах) за одну секунду:
Крутящие моменты, возникающие в поперечных сечениях брусьев, определяются по внешним скручивающим моментам с помощью м е т о д а с е ч е н и й. В простейшем случае, когда брус нагружен только двумя внешними моментами (эти моменты из условия равновесия бруса ?M z = 0 всегда равны друг другу по величине и направлены в противоположные стороны), крутящий момент Мк в любом поперечном сечении бруса (на участке между внешними моментами) по величине равен внешнему моменту m1 = m2 .
В более сложных случаях, когда к брусу приложено несколько внешних моментов, крутящие моменты в поперечных сечениях различных участков бруса неодинаковы.
На основании метода сечений крутящий момент в произвольном поперечном сечении бруса численно равен алгебраической сумме внешних скручивающих моментов, приложенных к брусу по одну сторону от рассматриваемого сечения.
При расчетах на прочность и жесткость знак крутящего момента не имеет никакого значения, но для удобства построения эпюр Мz примем следующее п р а в и л о з н а к о в: крутящий момент считается положительным, если при взгляде в торец отсеченной части бруса, действующий на него момент представляется направленным по движению часовой стрелки.
8 Изгиб. Общие сведения
Под и з г и б о м понимается такой вид нагружения, при котором в поперечных сечениях бруса возникают изгибающие моменты Mx или My . Если изгибающий момент в сечении является единственным силовым фактором, то изгиб называется ч и с т ы м.
В тех случаях, когда в поперечных сечениях бруса наряду с изгибающим моментом возникают, и поперечные силы изгиб называется п о п е р е ч н ы м. Брус, работающий в основном на изгиб, часто называют балкой. В дальнейшем будем рассматривать такие случаи изгиба балки, при которых, во-первых, поперечное сечение балки имеет хотя бы одну ось симметрии, и, во-вторых, вся нагрузка лежит в плоскости, совпадающей с осью симметрии балки. Таким образом, одна из главных осей инерции лежит в плоскости изгиба, а другая перпендикулярна ей.
Для того, чтобы правильно ориентироваться в вопросах, связанных с расчетом бруса на изгиб, необходимо прежде всего научиться определять законы изменения внутренних силовых факторов, т.е. научиться строить эпюры изгибающих моментов и поперечных сил.
Предварительно рассмотрим три основных т и п а опорных связей балки с основанием:
1. Шарнирно-подвижная опора, ограничивающая лишь вертикальное перемещение опорного узла.
2. Шарнирно-неподвижная опора, ограничивающая вертикальное и горизонтальное перемещения опоры.
3. Жесткая заделка, не допускающая поворота и перемещений по вертикали и горизонтали сечения балки, примыкающего к опоре.
По запрещенным направлениям во всех этих типах опор возникают соответствующие реакции.
Для определения внутренних усилий возникающих в сечении балки при изгибе необходимо использовать метод сечений, но перед этим необходимо определить величину реакции в опорах, только после этого мы будем разбивать стержень на части и, применяя метод сечения к каждому из участков, построим эпюры внутренних усилий.
Для определения внутренних силовых факторов ? изгибающего момента М (z) и поперечной силы Q (z) как функций от продольной координаты z, воспользуемся м е т о д о м с е ч е н и й. Для получения этих зависимостей балку разбивают на участки, границами которых являются следующие точки: начало и конец балки; точки приложения сосредоточенных усилий; начало и конец действия распределенных усилий; сечения, в которых скачкообразно изменяется жесткость балки; в точках, где происходит изменение ориентации элементов, если имеем дело со стержневой системой со сложной структурой.
Для поперечных сил, независимо от направления координатных осей, устанавливается следующее п р а в и л о з н а к о в: если результирующая поперечная сила Qy вращает рассматриваемую часть балки по ходу часовой стрелки, то она считается положительной, в обратном случае ? отрицательной.
П о п е р е ч н а я сила Q численно равна алгебраической сумме проекции на плоскость сечения всех внешних сил и пар сил действующих по одну сторону от данного сечения.
И з г и б а ю щ и й момент численно равен алгебраической сумме моментов (вычисленных относительно центра тяжести) внешних сил и пар сил действующих по одну сторону от данного сечения.
7 Растяжение-сжатие. Основные расчетные зависимости
Под р а с т я ж е н и е м (с ж а т и е м) понимают такой вид нагружения, при котором в поперечных сечениях стержня возникают только нормальные силы, а прочие силовые факторы равны нулю.
З а к о н продольной силы N показывает, что испытывает образец растяжение (+) или сжатие (-).
З а к о н Гука: Чем больше напряжение, тем больше деформация.
У с л о в и е п р о ч н о с т и при растяжении (сжатии). Для того чтобы провести расчет на прочность изделия нам необходимо построить сначала эпюру внутренних усилий (э п ю р а – график распределения внутренних усилий)
5 Напряжение и деформация
Сосредоточенные внутренние силы и моменты, характеризующие взаимодействие между отдельными частями эле-мента, являются лишь статическим эквивалентом внутренних сил, распределенных по площади сечения.
Интенсивность касательных сил в рассматриваемой точке сечения называется касательным напряжением,а интен-сивность нормальных сил – нормальным напряжением.
Напряжения выражаются в ньютонах на квадратный метр (Н/м2) или паскалях (Па), мегапаскалях (МПа).
Нормальное и касательное напряжения являются составляющими полного напряжения р в рассматриваемой точке.
Нормальное напряжение в данной точке по определенному сечению характеризует интенсивность сил отрыва или сжатия частиц элемента конструкций, расположенных по обе стороны этого сечения, а касательное напряжение – интенсив-ность сил, сдвигающих эти частицы в плоскости рассматриваемого сечения. Совокупность напряжений, действующих по различным площадкам, проходящим через рассматриваемую точку, представляет собой напряженное состояние в этой точке.
Д е ф о р м а ц и я – изменение размера или формы тела, под воздействием внешних сил, либо физико-механических процессов протекающих в самом теле (перепады температуры, фазовые превращения).
Любое воздействие внешних сил на твердое тело уравновешивается противодействием металлоатомных сил, кото-рые стремятся вернуть атомы в положение соответствующей минимальной потенциальной энергии. Поэтому деформация тела совершается в результате смещения атомов из положения равновесия.
В и д ы деформации:
1. У п р у г а я. При упругой деформации сохраняется пропорциональная зависимость между деформирующими си-лами и смещениями атомов и после снятия внешних сил тело восстанавливает свои исходные размеры и свойства.
2. П л а с т и ч е с к а я. При пластической деформации линейная связь между напряжением и деформацией обычно отсутствует. Поэтому способность металла к остаточной деформации называется п л а с т и ч н о с т ь ю.
4 Расчетная схема. Силы внешние и внутренние. Общий и частные случаи нагружения деталей
Реальный объект, освобожденный от несущественных особенностей, носит название р а с ч е т н о й схемы. С геометрической точки зрения все объекты рассматривают как комбинацию брусьев (стержней), оболочек и массивных тел.
Элемент конструкции, длина которого значительно больше его поперечных размеров, называется б р у с о м.
Элемент конструкции, длина и ширина которого значительно больше его толщины, называется о б о л о ч к о й.
Элемент конструкции, все размеры которого соизмеримы, называется м а с с и в н ы м телом.
Нагрузки, действующие на конструкцию, являются по отношению к ней в н е ш н и м и силами. Эти силы приложены к тому или иному элементу конструкции по некоторым участкам его поверхности или распределены по его объему.
При составлении расчетных схем нагрузку, приложенную к участку, размеры которого значительно меньше размеров объекта, заменяют с о с р е д о т о ч е н н о й силой Р, H/м.
Пара сил, приложенная к объекту, рассматривается как с о с р е д о т о ч е н н ы й момент m, Hм.
Нагрузки, приложенные к участкам, размеры которых соизмеримы с размерами объекта, считаются р а с п р е д е л е н н ы м и по длине – q, Н/м.
К внешним силам, действующим на элементы конструкции, кроме нагрузок – активных сил – относятся также реакции связей – реактивные силы.
Нагрузки различаются не только по способу их приложения (распределенные и сосредоточенные), но также по длительности действия (постоянные и временные) и характеру воздействия на конструкцию (статические и динамические).
Под в н у т р е н н и м и силами (или внутренними усилиями) в сопротивлении материалов обычно понимают силы взаимодействия между отдельными элементами сооружения или между отдельными частями элемента, возникающие под действием внешних сил.
Рассмотрим общий прием определения внутренних усилий, называемый методом сечений. Пусть дан брус, который под действием внешних нагрузок находится в равновесии. Рассечем его плоскостью совпадающей с поперечным сечением стержня и рассмотрим левую отсеченную часть. Поскольку весь брус находился в равновесии, любая из отсеченных частей также должна находится в равновесии. Это возможно лишь в том случае, когда в поперечном сечении возникают внутренние усилия, уравновешивающие внешние нагрузки. В общем случае могут возникнуть шесть внутренних усилий: продольная сила N; поперечные силы Qx и Qy; крутящий момент Mz; изгибающие моменты Mx и М. (см. рис. 1.1).
Внутренние усилия в каком-либо поперечном сечении определяют по внешним силам. Численные значения внутренних усилий определяются с помощью у р а в н е н и й равновесия:
1. для плоской системы сил: F:(x)=0; F:(y)=0; Mo(Fi)=0.
2. для пространственной системы сил: F:(x)=0; F:(y)=0; F:(z)=0; Mx(Fi)=0; My(Fi)=0; Mz(Fi)=0.
3 Прочность. Основные понятия
П р о ч н о с т ь – свойство твердых металлов сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под воздействием внешних сил.
П р о ч н о с т ь может быть теоретической и технической.
Основными критериями работоспособности машин являются проч¬ность, жесткость и износостойкость, а в некоторых случаях тепло¬стойкость и виброустойчивость. Понятия прочности и жесткости из¬вестны из сопротивления материалов.
П р о ч н о с т ь ю называется способность материала детали в опре¬деленных условиях и пределах воспринимать нагрузки не разрушаясь и без значительных остаточных деформаций. О с н о в н ы м и критериями прочности материала являются предел текучести, предел прочности и предел выносливости.
Наиболее распространенным методом оценки прочности деталей машин является расчет по допускаемым напряжениям по условиям прочности, т. е. максимальные расчетные (действительные) нормальные или каса¬тельные напряжения не должны превышать допускаемые.
Д о п у с к а е м о е напряжение при статической нагрузке есть отношение предельного напряжения (предел текучести — для пластичных, предел прочности — для хрупких материалов) к допускаемому коэффициенту запаса прочности [s], которые каждая отрасль машиностроения опреде¬ляет на основании своего опыта эксплуатации деталей машин.
Предельное напряжение при переменных нагрузках — предел вынос¬ливости. Допускаемое напряжение при расчетах на усталость опреде¬ляется в зависимости от характера приложения нагрузки, числа циклов нагружения, концентрации напряжений, качества поверхности, размеров деталей и других факторов.
Второй распространенный метод расчета деталей машин на проч¬ность — сравнение действительного коэффициента запаса прочности s с допускаемым.
Выбор допускаемого коэффициента запаса прочности является очень ответственной задачей, так как завышение [s] ведет к значительному уве¬личению массы и габаритов конструкции, увеличивает ее стоимость, а занижение [s] делает конструкцию недостаточно надежной.
1 Цели и задачи предмета ОПКМ. Основные понятия и определения
Основную часть производственных процессов современной хозяйственной деятельности человека выполняют м а ш и н ы — механические устройства, служащие для преобразования энергии, материалов или информации.
М а ш и н о с т р о е н и е — ключевая отрасль экономики, в значительной степени определяющая производительность труда, качество продукции, темпы и уровень технического прогресса и обороноспособность страны.
Основные задачи дальнейшего развития машиностроения в нашей стране — увеличение мощности и быстроходности, а следовательно, и производительности машин, снижение их материалоемкости и себестоимости, повышение точности и надежности, а также улучшение условий обслуживания, внешнего вида машин и повышение их конкурентоспособности на мировом рынке.
В зависимости от выполняемых функций современные машины к л а с с и ф и ц и р у ю т следующим образом:
1. энергетические, служащие для преобразования энергии (машины-двигатели, генераторы);
2. рабочие, осуществляющие изменение формы, свойств, состояния и положения предмета труда (технологические или машины-орудия, транспортные и транспортирующие);
3. информационные, предназначенные для сбора, переработки и использования информации (вычислительные, шифровальные и др.).
Машины состоят из д е т а л е й — изделий из однородного материала, полученных без сборочных операций (болт, шпонка, вал, зубчатое колесо и т. д.), и с б о р о ч н ы х единиц — изделий, собранных из деталей на предприятии-изготовителе (муфта, шарикоподшипник, редуктор и т. п.). Сборочная единица, которая может собираться отдельно от других составных частей изделия, называется у з л о м. Укрупненный, обладающий полной взаимозаменяемостью узел, выполняющий определенную функцию, называется м а ш и н н ы м агрегатом (например, электродвигатель, силовая головка, насос), а метод компоновки промышленных изделий из отдельных агрегатов называется а г р е г а т и р о в а н и е м. Агрегатирование значительно упрощает проектирование, сборку, эксплуатацию, ремонт и модернизацию изделий.
Рассматривая конструкцию, можно видеть, что многие детали и узлы различных машин похожи, имеют одинаковые функциональные назначения и широко применяются, например, крепежные и соединительные детали, валы и оси, зубчатые колеса, подшипники, муфты, смазочные и уплотнительные устройства и т. д. Такие детали и узлы машин называют д е т а л я м и (и узлами) общего назначения и именно они являются объектом изучения в предмете «Детали машин». Детали, характерные только для некоторых типов машин (например, пропеллеры самолетов, гребные винты судов, лопатки турбин, шатуны, кленвалы и поршни двигателей и т. п.), называются деталями специального назначения и рассматриваются в специальных дисциплинах.
С о п р о т и в л е н и е материалов – это наука о том, как реагируют элементы конструкций (механизмов, машин, сооружений) на воздействие нагрузок и как обеспечить их соответствие своему назначению и работоспособность.
В сопротивлении материалов рассматриваются вопросы расчета отдельных элементов конструкций и вопросы расчета некоторых простейших конструкций на прочность, жесткость и устойчивость.
В отличие от теоретической механики, в которой все тела рассматриваются как абсолютно твердые, в сопротивлении материалов учитывается, что элементы конструкций при действии внешних сил изменяют свою форму и размеры, т.е. деформируются.
В сопротивлении материалов широко применяются методы теоретической механики (в первую очередь статики) и математического анализа, а также используются данные из разделов физики, в которых изучаются свойства различных материалов.
Сопротивление материалов является экспериментально-теоретической наукой, так как она широко использует опытные данные и теоретические исследования.