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