Применение метода конечных элементов

ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
УТВЕРЖДАЮ
Декан механико-технологического факультета
___________В.И. Гузеев
___ ____________ 2013 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
к ООП от _____________ № _______
дисциплина
ДВ.1.02.02 Применение метода конечных элементов
в технологических задачах
для направления 151900.68 Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств
магистерская программа Технология автоматизированного машиностроения
форма обучения
очная
кафедра-разработчик
технология машиностроения
Рабочая программа составлена в соответствии с ФГОС ВПО по направлению подготовки
151900.68 Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных
утвержденным приказом Минобрнауки от 24.12.2009 № 769.
производств,
Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры технологии машиностроения
(протокол № 6 от 27.02.2013 г.).
Зав. кафедрой разработчика,
д.т.н., профессор
_________________
В.И. Гузеев
Уч. секретарь кафедры,
к.т.н., доцент
_________________
И.А. Кулыгина
Разработчик программы,
д.т.н., профессор
_________________
И.А. Щуров
СОГЛАСОВАНО
Зав. выпускающей кафедрой
технологии машиностроения
д.т.н., профессор
_________________
В.И. Гузеев
Челябинск 2013
1
1. Цели и задачи дисциплины
Овладение магистрами техники и технологий направления подготовки 151900 вопросами
численного моделирования на ЭВМ технологий резания и элементов технологических систем.
Краткое содержание дисциплины
Основная концепция метода конечных разностей расчета. Основная концепция метода конечных элементов (МКЭ). Общая схема, обзор основных методов решения краевых задач. Интерполяционные полиномы и виды конечных элементов (КЭ). Аппроксимирующие полиномы. Расчет
теплового поля в цилиндрическом хвостовике метчика с использованием вариационного исчисления и метода Галеркина. Расчет напряжений в четырехгранном бесстружечном метчике на основе двумерной задачи МКЭ на основе вариационной теории. Виды анализа и уравнения МКЭ.
Решение нелинейных задач. Метод Ньютона-Рафона. Современные программные средства реализации МКЭ их обзор, сравнение и области применения. Основные элементы интерфейса МКЭ
программ, типы используемых элементов, основные команды и приемы работы.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Перечень предшествующих дисциплин, видов Перечень последующих дисциплин, видов работ
работ
Б.2.01. Математика (151900.62)
CAD-CAM-CAE-CAPP системы в машиностроении
В.2.01 Информатика (151900.62)
Б.3.02 Сопротивление материалов (151900.62)
В.3.07. Режущий инструмент (151900.62)
Требования к «входным» знаниям, умениям, навыкам студента, необходимым при
освоении данной дисциплины и приобретенным в результате освоения предшествующих дисциплин:
1. Математика: векторная алгебра, аналитическая геометрия, дифференциальное и интегральное исчисление.
2. Информатика: MS Windows, работа с типовыми программами.
3. Сопротивлением материалов: физико-механические свойства материалов, диаграммы
упруго-пластического деформирования материалов, тензоры напряжений и деформаций, законы
Гука обобщенный и при сдвиге.
4. Режущий инструмент: решение задач формообразования на основе условия касания.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
1. Проводить технические расчеты по проектам средств и систем оснащения (ПК-9).
2. Выполнять математическое моделирование процессов, средств и систем машиностроительных производств с использованием современных технологий проведения научных исследований (ПК-57).
3. Навыками поиска оптимальных решений при создании изделий, разработке технологий и
машиностроительных производств, их элементов, средств и систем технического и аппаратнопрограммного обеспечения (ПК-32).
2
В результате освоения дисциплины студент должен:
Знать:
– математические основы численных методов при решении конструкторско-технологических
задач и программные средства для их реализации.
Уметь:
– проводить технические расчеты по проектам средств и систем оснащения (ПК-9);
– выполнять математическое моделирование процессов, средств и систем машиностроительных производств с использованием современных технологий проведения научных исследований
(ПК-57).
Владеть:
– навыками поиска оптимальных решений при создании изделий, разработке технологий и
машиностроительных производств, их элементов, средств и систем технического и аппаратнопрограммного обеспечения (ПК-32).
4. Объем и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единицы, 144 часа.
Вид учебной работы
Всего
часов
Общая трудоемкость
дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции (Л)
Практические занятия, семинары и (или) другие виды аудиторных занятий (ПЗ)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (СРС)
Выполнение индивидуального проектного задания
Контроль самостоятельной работы студента (КСР)
Контроль выполнения индивидуального пр. задания.
Экзамен
144
Разделение по семестрам
в часах. Номер семестра
3
144
72
18
54
72
18
54
0
65
0
65
7
7
есть
есть
5. Содержание дисциплины
Номер
Наименование темы
темы
1
Элементы теории упругости в задачах металлообработки. Решение задачи кручения метчика. Вывод дифференциального уравнения для
расчета напряжений в метчике
2
Основная концепция численных методов расчета. Метод конечных разностей
3
Метод конечных элементов (МКЭ). Общая схема, обзор основных методов решения краевых
задач. Интерполяционные полиномы и виды
конечных элементов (КЭ)
4
Аппроксимирующие полиномы
5
Расчет температурного поля в одномерном
стержне с использованием вариационного исчисления и метода Галеркина
3
Объем занятий по видам в часах
Всего
Л
ПЗ
ЛР
СРС КСР
10
2
4
0
4
0
6
2
0
0
4
0
11
2
4
0
4
1
9
15
1
2
4
6
0
0
4
6
0
1
6
Решение двумерных задач МКЭ на основе вариационной теории (на примере расчета бесстружечного метчика на кручение)
Виды анализа и уравнения МКЭ. Решение нелинейных задач
Современные программные средства реализации МКЭ, типы элементов, основные команды
и приемы работы
Расчет точности обработки и параметров инструментов на основе дискретного твердотельного моделирования (ДТМ). Основные понятия и расчетные схемы
Расчет параметров получаемой детали с учетом технологических факторов
Итого:
7
8
9
10
15
2
6
0
6
1
17
1
10
0
5
1
23
2
4
0
16
1
19
2
8
0
8
1
19
2
8
0
8
1
144
18
54
0
65
7
5.1. Лабораторные работы
Учебным планом не предусмотрены.
5.2. Практические занятия, семинары
Номер Номер
занятия темы
1–2
8
3–6
3–7
7–10
3–7
11–14
15–16
17–19
20–21
3–7
3–7
3–7
9
22–23
9
24–25
9
26–27
9
Наименование или краткое содержание практических занятий,
семинаров
Кол-во
часов
Изучение элементов программы конечно-элементного расчета, системы помощи и теоретического руководства
Расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) дисковой
фрезы от сил резания и закрепления
Расчет НДС режущей части метчика с учетом его износа и выкрашиваний режущей кромки от действия сил резания и закрепления
Расчет тепловых деформаций токарного станка в процессе его работы
Расчет НДС зоны резания при свободном ортогональном резании
Расчет НДС зоны резания при несвободном резании
Профилирование дисковой фрезы для обработки винтовой канавки с
использованием воксельного моделирования
Моделирование режущих и бесстружечных метчиков на базе одной
воксельной модели и расчет их рабочих параметров.
Воксельное моделирование формообразования на фрезерном станке с
ЧПУ с учетом износа инструмента.
Моделирование обработки турбинной лопатки на фрезерном станке с
ЧПУ с учетом деформаций элементов технологической системы
Итого:
4
8
8
8
4
6
4
4
4
4
54
5.4. Самостоятельная работа студентов
Номер
темы
1
Вид работы
Предмет самостоятельного изучения или повторения
Разработка расчетной схемы
Изучение параметров и
условий работы элемента технологической системы (ЭТС)
4
Список литературы (с указанием
разделов, глав,
страниц)
[1], стр. 3–92
Объем работы в часах
для одного
студента
6
Форма
контроля
Собеседование
2
Разработка 3D
модели ЭТС
3
Разработка конечноэлементной модели ЭТС
Расчет параметров ЭТС
4
5
6
Моделирование
геометрии ЭТС с
учетом износа и
погрешностей
Моделирование
обработки с учетом износа ЭТС
Изучение чертежа ЭТС и
разработка геометрической модели
Изучение типов элементов и схем нагружения и
закрепления
[1], стр. 3–92
10
Собеседование
[1], стр. 122–136
13
Собеседование
Изучение работы специализированного ПО и
его команд
Изучение характера износа и погрешностей
изготовления ЭТС
[2] Весь источник
20
Собеседование
[3] Весь источник
8
Собеседование
Анализ влияния износа
ЭТС на точность обработки
[3] Весь источник
8
Собеседование
Итого:
65
6. Образовательные технологии, используемые в учебном процессе данной дисциплины (рекомендации преподавателю)
6.1. Интерактивные формы обучения
Интерактивные формы обучения
Вид работы
(Л, ПЗ, ЛР)
ПЗ
Компьютерная симуляция
Краткое описание
Симуляция поведения
ЭТС
Кол-во
часов
54
Деловая или ролевая игра
Разбор конкретных ситуаций
Тренинг
Встречи с представителями российских и зарубежных компаний, государственных и общественных организаций
Мастер-классы экспертов и специалистов
Другое (введите название)
6.2. Инновационные способы и методы, используемые в образовательном процессе
№
Наименование
Краткое описание и примеры использования
в темах и разделах
Использование Internet для анализа и сравнения
CAE-систем
–
1 Использование информационных ресурсов и
баз данных
2 Применение электронных мультимедийных
учебников и учебных пособий
3 Ориентация содержания на лучшие отече–
ственные аналоги образовательных программ
4 Применение предпринимательских идей в со–
держании курса
5 Использование проблемно- ориентированного Выполненные самостоятельные работы являются
междисциплинарного подхода к изучению наук частью магистерской диссертации
6 Применение активных методов обучения,
Собственный опыт разработки ЭТС использова«контекстного» и «на основе опыта»
нием численных методов
5
7 Использование методов, основанных на изуче–
нии практики (case studies)
8 Использование проектно-организованных тех- При планировании «командных» магистерских
нологий обучения работе в команде над ком- диссертаций работа в команде над проектом в
плексным решением практических задач
рамках самостоятельной работы.
9 Другие
–
7. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Темы: эссе, рефератов, курсовых работ и др. в зависимости от заполнения таблицы п.4
Проектная работа по исследованию работы ЭТС.
Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля
1. Необходимость решения смешанных физических и геометрических задач в конструкторскотехнологической практике.
2. Форма результата решения задач напряженно-деформированного состояния ЭТС.
3. Целесообразность применения численных методов расчета, их достоинства и недостатки.
4. Методы сеток – основная концепция.
5. Метод конечных разностей – основная идея, достоинства и недостатки.
6. Метод конечных разностей (МКЭ) – основная идея, достоинства и недостатки.
7. Два основных подхода при реализации МКЭ.
8. Форма результата преобразований аналитических формулировок в конечно-элементные.
9. Основные программы CAE анализа.
10. Типы элементов МКЭ.
11. Основные команды программ КЭ анализа.
12. Существующие методы геометрического описания ЭТС.
13. Преимущества и недостатки геометрического описания ЭТС на основе ДТМ.
14. Решение задачи формообразования в идеальной постановке на основе ДТМ.
15. Решение задачи формообразования с учетом технологических факторов на основе ДТМ.
16. Совместное использование МКЭ и ДТМ для решения конструкторско-технологических задач.
Контрольные вопросы и задания для проведения промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Аналогичны предыдущим.
Вопросы и задания для контроля самостоятельной работы обучающегося по отдельным разделам дисциплины
Аналогичны предыдущим.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Печатная учебно-методическая документация
а) основная литература:
1. Щуров, И.А. Численные методы расчета в металлообработке: текст лекций/ И.А. Щуров.–
Челябинск: Изд-во ЮУрГУ. – 2005. – 83 с.
6
2. Сквозное проектирование в металлообработке на базе CAD/CAM/CAE: учебное пособие /
И.А. Щуров.– Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ.– 2010. – 138 с.
3. Щуров, И.А. Расчет точности обработки и параметров инструментов на основе дискретного
твердотельного моделирования: моногр. / И.А. Щуров; Юж.-Урал. гос. ун-т, Каф. Станки и инструмент; Юж.-Урал. гос. ун-т, Каф. Станки и инструмент; ЮУрГУ. – Челябинск:Издательство
ЮУрГУ,2004. – 319 с.
б) дополнительная литература:
1. Ли, К. Основы САПР: CAD/CAM/CAE. СПб.: Питер, 2004. – 559 с.
в) методические пособия для самостоятельной работы студента, для преподавателя:
1. Щурова, А.В. Расчет инструментов методом конечных элементов: учебное пособие
/А.В. Щурова. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ. – 2005. – 38 с.
Электронная учебно-методическая документация
Вид учебнометодической
документации
Наименование
разработки
Ссылка на информационный ресурс
Наименование ресурса в электронной форме
Доступность
(сеть Интернет
/ локальная
сеть)
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Вид занятий
№ ауд.
Практики
202
Основное оборудование, стенды, макеты, компьютерная техника, предустановленное программное обеспечение, обеспечивающие проведение всех видов занятий
Персональные ЭВМ, Операционная система MS Windows, учебные версии
программ Ansys/ED. Доступ в Internet
10. Организация балльно-рейтинговой системы
Балльно-рейтинговая система аттестации имеет своими целями:
– повышение качества подготовки специалиста при освоении дисциплины;
– стимулирование исполнительской дисциплины, систематической и самостоятельной работы
студента в период обучения;
– развитие навыков использования получаемых знаний в практической деятельности;
– расширение видов деятельности студента, учитываемых при аттестации и т. п.
Организуемая система соответствует официальной системе оценок:
Оценка
Сумма баллов
Неудовлетворит.
< 40
Удовлетворит.
60…70
Хорошо
71…85
Отлично
86…100
Рейтинговая оценка по дисциплине складывается из баллов, набранных по:
– посещаемости занятий;
– текущему контролю усвоения разделов дисциплины;
– премиальным баллам;
– результату экзамена.
Посещаемость занятий оценивается из 20 баллов (максимально возможная оценка) пропорционально присутствию студента на занятиях.
7
Текущий контроль осуществляется в процессе всего изучения дисциплины по мере изучения
разделов. Количество набранных баллов пропорционально средней оценки из всех оценок текущего контроля: 5 – 50; 4 – 40; 3 – 30 (баллов). При прохождении контроля с отставанием от расписания (по неуважительной причине) возможно уменьшение набранных баллов (на 5 баллов).
Курсовой проект (работа) оценивается в баллах с учётом уровня его выполнения: 5 – 20; 4 –
15; 3 – 10. При сдаче проекта (работы) после установленного срока возможно уменьшение
набранных баллов (на 5 баллов).
Премиальные баллы студент может получить за активное и качественное изучение дисциплины. Во внимание принимаются такие показатели, как:
– аккуратное ведение конспекта (до 5 баллов);
– активное поведение на занятиях: вопросы, участие в обсуждении (до 5 баллов);
– использование материалов дисциплины в научно-исследовательской деятельности, написании статей, рефератов и т. п. (до 10 баллов);
– проведение учебных занятий по дисциплине, самостоятельное изучение разделов дисциплины, не входящих в рабочую программу (до 10 баллов).
Результат экзамена в баллах определяется полученной оценкой: 5 – 45; 4 – 40; 3 – 20 (баллов).
Если к моменту проведения экзамена студент набирает количество баллов (с учётом премиальных) менее 40, то он не допускается к экзамену, при достаточном для получения оценки
отлично (86…100) или хорошо (71…85) они могут быть выставлены ему в ведомость и зачётную
книжку.
С условиями данного положения студенты знакомятся на первом занятии по дисциплине.
8