Проблемы внедрения программных комплексов автоматизированного анализа в учебный процесс (Раздаточные материалы)
Описание файла
Файл "Проблемы внедрения программных комплексов автоматизированного анализа в учебный процесс" внутри архива находится в папке "Раздаточные материалы". Документ из архива "Раздаточные материалы", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "основы автоматизированного проектирования (оап)" из 7 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "остальное", в предмете "основы автоматизированного проектирования (сапр)" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Проблемы внедрения программных комплексов автоматизированного анализа в учебный процесс"
Текст из документа "Проблемы внедрения программных комплексов автоматизированного анализа в учебный процесс"
УДК 004.4:378.14
Нургужин М.Р., д.т.н., профессор, первый проректор
Кацага Т.Я., преподаватель
Карагандинский государственный технический университет
Проблемы внедрения программных комплексов автоматизированного анализа в учебный процесс
Современный инженер не состоятелен без знания систем автоматизированного проектирования (CAD – Computer Aids Design), автоматизированного производства (САМ - Computer Aids Manufacturing), автоматизированного анализа (САЕ - Computer Aids Engineering). Поэтому внедрение таких систем в учебный процесс позволит повысить уровень подготовки специалистов, а также интерес студентов к изучаемой дисциплине.
Быстрое развитие вычислительной техники и ее внедрение практически во все сферы жизни привело к тому, что сегодня грамотный специалист в любой области знаний должен хорошо ориентироваться в мире компьютеров и владеть необходимыми программными средствами. Современный инженер не состоятелен без знания систем автоматизированного проектирования (CAD – Computer Aided Design), автоматизированного производства (САМ - Computer Aided Manufacturing), автоматизированного анализа (САЕ - Computer Aided Engineering). Такие CAD/CAM системы как CATIA, AutoCAD, DUCT, Pro/Engineer, Ungraphics, SolidWorks, широко используются для компьютерного моделирования изделий сложной формы, с последующим выпуском чертежей и генерацией управляющих программ для станков с ЧПУ. Однако эти специализированные пакеты не обладают развитыми средствами инженерного анализа.
Внедрение, в связи с этим, автоматизированных расчетов на основе математического моделирования в тесной связи с CAD - системами позволяет осуществить комплексный анализ и оптимизацию изделия задолго до изготовления опытного образца. Оперативное использование САЕ и CAD/CAM можно определить как интегрированную технологию проектирования (рис. 1).
Опыт внедрения PCЕ (Process Centric Engineering) показывает необходимость использования эффективных численных методов и гибкого программного обеспечения, реализующего решение смешанных задач. Наиболее часто в составе CAD систем используется метод конечных элементов (МКЭ). САЕ - системы инженерного анализа (ABAQUS, ANSYS, CОSMOS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN, АSKA, LS-DYNA и другие), реализующие МКЭ, позволяют не только выполнить качественное моделирование систем различной физической природы, но и исследовать отклик этих систем на внешние воздействия в виде распределения напряжений, температур, скоростей, электромагнитных полей и т.д. Использование таких программ помогает проектным организациям сократить цикл разработки, снизить стоимость изделий и повысить качество продукции. В связи с этим одной из новых задач высшей школы является подготовка специалистов, владеющих современными программными комплексами инженерного анализа.
Рис. 1. Схема процессно-ориентированной технологии
Одним из самых распространенных таких комплексов сегодня является программа ANSYS, использующая метод конечных элементов. Многоцелевая направленность программы, независимость от аппаратных средств (от персональных компьютеров до рабочих станций и суперкомпьютеров), средства геометрического моделирования на базе В-сплайнов (технология NURBS), полная совместимость с CAD/CAE/CAM системами ведущих производителей и «дружеский» интерфейс привели к тому, что именно ANSYS в настоящее время используется во многих университетах для обучения студентов (более 100000 рабочих мест, например, в странах СНГ: МГТУ им. Баумана, МГУ им. Ломоносова, Московский государственный горный институт, Московский энергетический институт, МИФИ, МФТИ и др.) и выполнения научно исследовательских и проектных работ (более 50000 рабочих мест). Наиболее крупными клиентами и пользователями ANSYS являются: из зарубежных фирм - ABB, BMW, Boeing, ADtranz, Bosch, FIAT и др.; из стран СНГ - АО «УАЗ», АО «КАМАЗ», АО «ГАЗ», АО «Ивановский автокрановый завод», АО «Голицинский автобусный завод», ЦКБ «Магистраль» и др..
В настоящее время лицензионная версия ANSYS установлена на ряде кафедр КарГТУ, а в компьютерном классе Центра компьютерных технологий и телекоммуникаций университета университетская и учебная версии программы.
На кафедре «Системы автоматизированного проектирования» программа АNSYS изучается в таких основополагающих курсах как «Математическое моделирование в САПР», «Моделирование систем и комплексов». Учебная программа курса «Математическое моделирование САПР» включает в себя лабораторные работы, в состав которых входит изучение студентами основ построения дискретной модели, на основании которых они проводят следующие типы анализов: статический, модальный, динамический, тепловой. На рисунке 2 представлены некоторые результаты, получение которых входит в состав лабораторных работ.
В объеме курса «Моделирование систем и комплексов», студентами выполняется курсовой проект, охватывающий все уровни моделирования. Один или несколько этапов курсового проекта включают разработку дискретной модели на ANSYS и проведение ряда машинных экспериментов на ее основе, а также используют возможности программы для моделирования сложных процессов. Результаты, полученные студентами в курсовых проектах используются ими в своих дипломных работах, а далее магистерских диссертациях.
а- линии равного уровня для напряжения (Н/мм2); б- распределение температурных полей.
Рис.2
Дипломные работы, выполненные на основе программы ANSYS, отличаются научной новизной, актуальностью и практической направленностью, а также имеют высокий уровень визуализации результатов. Тематика дипломных проектов разнообразна, и включает: автоматизированный анализ несущих конструкций и деталей машин, в состав которого входит разработка дискретных моделей сложных трехмерных объектов (рис.3); динамический анализ металлоконструкций технологических машин (рис.4); задачи линейной и нелинейной механики разрушения (рис.5, на основе полученных данных программа рассчитывает коэффициент интенсивности напряжений и J-интеграл.); моделирование образования сварочных остаточных напряжений и деформаций (рис.6), и многие другие.
Рис.3. Исследование напряженно-деформированного состояния верхняка крепи М130
Рис. 4. График зависимости коэффициента динамичности крановой металлоконструкции от времени разгона механизма подъема (трехмерная модель)
Рис. 5. Распределение напряжений (Н/мм2)в образце с краевой трещиной при растяжении пластины.
Рис. 6. Поперечные остаточные напряжения (Н/см2).
Интерес представляет разрабатываемый дипломный проект, который предлагает новый подход для анализа объектов проектирования. Он основан на повышении уровня интеграции систем проектирования CAD и ANSYS с разработкой и применением собственного прикладного программного обеспечения CAD&CAE, являющегося пакетом взаимосвязанных надстроек над программами CAD (в частности это может быть AUTOCAD) и ANSYS.
В течении трех лет ANSYS изучается студентами кафедры «Горные машины» в составе курса «Математические методы и модели расчета на ЭВМ технологического оборудования», и далее в специализированных дисциплинах в рамках курсовых и дипломных проектов.
Предполагается внедрение программы ANSYS в такие базовые курсы как «Теоретическая механика», «Сопротивление материалов», «Теория машин и механизмов», «Основы проектирования и конструирования», а также на кафедре высшей математики.
Помимо учебного процесса программа ANSYS используется также в научных исследованиях кафедры, что повысило уровень научно-исследовательских работ, а также кандидатских и докторских диссертаций. Например, в научно-исследовательской работе «Разработка научно-методических основ автоматизированного анализа и прогнозирования ресурса сварных конструкций и деталей машин» по договору от 01.01.97 г. (№159-97 ФИ) №38.ФИ.02 (постановление коллегии МН-АН РК № 22 от 24.04.97г.) на основе ANSYS была разработана методика численного определения временных и остаточных сварочных перемещений, деформаций и напряжений. Было рассмотрено упругопластическое деформирование сварного соединения под воздействием сварочного источника тепла в переменном температурном цикле.
Основные теоретические положения, методы, алгоритмы и практическая реализация научных исследований были представлены на 7-ой и 8-ой Международных конференциях, проведенных фирмой ANSYS (Nurguzhin M.R., Danenova G.T., Katsaga T.Ja. Application of FEM in the analysis of welded constructions with defects as cracks. // Proceeding of Eighth International ANSYS Conference and Exhibition, August 17-19, 1998, Pittsburgh, Pennsylvania, USA.); Международных конгрессах NAFEMS 1997 и 1999 годов (Nurguzhin M.R., Danenova G.T. Application of J-integral in the analysis of welded constructions. DESIGN, SIMULATION and OPTIMISATION. Reliability and Applicability of Computational Methods. // Proceeding of NAFEMS World Congress'97. Stuttgart. Germany. Vol. 1. p. 513-521; Nurguzhin M.R., Katsaga T. Ja. Non-linear analysis of a welded joint with defects as cracks. DESIGN, SIMULATION and OPTIMISATION. Reliability and Applicability of Computational Methods.// Proceeding of NAFEMS World Congress'97. Stuttgart. Germany. Vol. 1. p. 422-526; Nurguzhin M.R., Danenova G.T., Katsaga T.Ja. Application of a method of finite elements for an estimation crack-resisting of welded connections. // Proceeding of NAFEMS World Congress '99, 25th-28th April, 1999, Newport, Rhode Island, USA., с. 1115-1123). В 1999 году пришло приглашение для участия в Международной конференции ANSYS (28-30 августа 2000 г.) “Simulatoin: Leading Desingn into the New Millenium.” (Pittsburgh, USA). В настоящее время наша работа “Design mining constructions by using CAD&CAE program” отправлена в США и проходит рецензирование.
В заключении хочется отметить, что во внедрении современных программных комплексов инженерного анализа типа ANSYS в учебный процесс заитересованы как ВУЗы, так и разработчики и дистрибьюторы этого программного обеспечения. Представители фирмы ANSYS заинтересованы, чтобы как можно больше специалистов работали с из программным обеспечением. В этом случае выпускники ВУЗов будут способствовать использованию и внедрению программы на предприятиях. Вузы, благодаря использованию таких программ в учебном процессе, внедряют методы активного обучения на базе компьютерной техники, повышают уровень подготовки специалистов, а так же интерес студентов к изучаемым дисциплинам.
По предложению КарГТУ Актауским университетом им. Ш.Е. Есенова была приобретена лицензионная версия программы ANSYS. В настоящее время предложения с рекламными материалами разосланы техническим и классическим университетам Казахстана для более широкого внедрения ANSYS в нашей Республике.