Численные методы в конструкторско

ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
УТВЕРЖДАЮ
Декан механико-технологического факультета
___________В.И. Гузеев
___ ____________ 2013 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
к ООП от _____________ № _______
дисциплина ДВ.1.02.01 Численные методы в конструкторско-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. 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
Элементы теории упругости в задачах металлообработки. Решение задачи кручения метчика.
Вывод дифференциального уравнения для расчета напряжений в метчике. Основная концепция
численных методов расчета. Метод конечных разностей. Метод конечных элементов (МКЭ). Общая схема, обзор основных методов решения краевых задач. Интерполяционные полиномы и виды конечных элементов (КЭ).
Аппроксимирующие полиномы. Расчет температурного поля в одномерном стержне с использованием вариационного исчисления и метода Галеркина. 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.
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
72
18
54
Разделение по семестрам
в часах. Номер семестра
3
144
72
18
54
0
65
0
65
7
7
есть
есть
5. Содержание дисциплины
Номер
темы
1
2
3
4
5
Наименование темы
Элементы теории упругости в задачах металлообработки. Решение задачи кручения
метчика. Вывод дифференциального уравнения для расчета напряжений в метчике
Основная концепция численных методов
расчета. Метод конечных разностей
Метод конечных элементов (МКЭ). Общая
схема, обзор основных методов решения
краевых задач. Интерполяционные полиномы и виды конечных элементов (КЭ)
Аппроксимирующие полиномы
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
занятия
1–2
Номер
темы
8
3–6
3–7
7–10
3–7
11–14
3–7
15–16
17–19
20–21
3–7
3–7
9
22–23
9
24–25
9
26–27
9
Наименование или краткое содержание практических занятий,
семинаров
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:
Кол-во
часов
4
8
8
8
4
6
4
4
4
4
54
5.4. Самостоятельная работа студентов
Номер
темы
1
Вид работы
Разработка
расчетной
схемы
Предмет самостоятельного
изучения или повторения
Изучение параметров и
условий работы элемента
технологической системы
4
Список литературы (с указанием разделов,
глав, страниц)
[1], стр. 3–92
Объем работы в часах
для одного
студента
6
Форма
контроля
Собеседование
2
3
4
5
6
(ЭТС)
Разработка 3D Изучение чертежа ЭТС и
модели ЭТС
разработка геометрической
модели
Разработка
Изучение типов элементов и
конечно-элесхем нагружения и закрепментной моления
дели ЭТС
Расчет параИзучение работы специалиметров ЭТС
зированного ПО и его команд
МоделироваИзучение характера износа и
ние геометпогрешностей изготовления
рии ЭТС с
ЭТС
учетом износа
и погрешностей
МоделироАнализ влияния износа ЭТС
вание обрана точность обработки
ботки с учетом износа
ЭТС
[1], стр. 3–92
10
Собеседование
[1], стр. 122–
136
13
Собеседование
[2] Весь источник
[3] Весь источник
20
Собеседование
Собеседование
[3] Весь источник
8
Итого:
65
8
Собеседование
6. Образовательные технологии, используемые в учебном процессе данной дисциплины (рекомендации преподавателю)
6.1. Интерактивные формы обучения
Интерактивные формы обучения
Компьютерная симуляция
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)
Вид работы
(Л, ПЗ, ЛР)
ПЗ
Краткое описание
Симуляция поведения ЭТС
Кол-во
часов
54
6.2. Инновационные способы и методы, используемые в образовательном процессе
№
Наименование
Краткое описание и примеры использования
в темах и разделах
1 Использование информационных ресурсов и Использование Internet для анализа и сравнения
баз данных
CAE-систем
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
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
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.
6
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.
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. Основное оборудование, стенды, макеты, компьютерная техника, предустановленное программное обеспечение, обеспечивающие проведение всех
видов занятий
Практики
202
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
Неудовлетворит.
Удовлетворит.
7
Хорошо
Отлично
Сумма баллов
< 40
60…70
71…85
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.
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