Komputerowa analiza konstrukcji

stacjonarne

II stopnia

obowiązkowy

W 20/x ; C 30/+ ; L 0/ - ; P 6/+ ; S 4/- ; Razem: 60

Informatyka: znajomość środowiska Matlab

Podstawy CAx: znajomość środowiska CAx.

Projektowanie i badanie maszyn i mechanizmów: znajomość wybranych zagadnień dotyczących projektowania i badania maszyn i mechanizmów.

Mechanika: znajomość wybranych zagadnień mechaniki teoretycznej oraz zagadnień dotyczących opisu zachowania ośrodka ciągłego.

Numeryczne metody obliczeniowe: znajomość istoty metody różnic skończonych, znajomość metod interpolacji funkcji, znajomość metod rozwiązywania układów równań algebraicznych oraz różniczkowych.

Obowiązuje od naboru 2019, semestr studiów II / Mechatronika / Techniki komputerowe w mechatronice

kpt. dr inż. Bartosz Fikus

Aktywność / obciążenie studenta w godz.

1. Udział w wykładach / 20 godz.

2. Udział w ćwiczeniach audytoryjnych / 30 godz.

3. Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych / -

4. Udział w ćwiczeniach projektowych / 6 godz.

5. Udział w seminariach / 4 godz.

6. Samodzielne studiowanie tematyki wykładów / 12 godz.

7. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń audytoryjnych / 20 godz.

8. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń laboratoryjnych / -

9. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń projektowych / - godz.

10. Samodzielne przygotowanie do seminarium / 4 godz.

11. Udział w konsultacjach / 14 godz.

12. Przygotowanie do egzaminu / -

13. Przygotowanie do zaliczenia / 10 godz.

14. Udział w egzaminie / -

Sumaryczne obciążenie pracą studenta:

120 godz. / 4,0 ECTS, przyjęto 4 ECTS

Zajęcia z udziałem nauczycieli (1+2+3+4+5+11+14): 74 godz./ 2,5 ECTS

Zajęcia powiązane z działalnością naukową: 2 ECTS

Przedmiot ma na celu nauczyć podstawowych metod numerycznych stosowanych w działalności naukowej i inżynierskiej w obszarze symulacji zjawisk fizycznych (mechanicznych oraz cieplnych). Ponadto celem przedmiotu jest wykształcenie umiejętności modelowania elementów składowych mechanizmów i ich połączeń oraz analizy dynamiki i ich ruchu. Dodatkowo w ramach przedmiotu wprowadzono elementy analizy optymalizacyjnej konstrukcji pod kątem obciążeń mechanicznych i cieplnych.

Wykład / metoda werbalno-wizualna z wykorzystaniem nowoczesnych technik multimedialnych

1. Wprowadzenie do komputerowej analizy konstrukcji. /2

Zakres przedmiotu. Istota i charakter modelowania analitycznego oraz numerycznego zjawisk fizycznych. Współczesne zastosowania metod numerycznych w działalności inżynierskiej i naukowej.

2. Numeryczne metody rozwiązywania równań różniczkowych o pochodnych cząstkowych – metoda różnic skończonych. /2

Równania różniczkowe o pochodnych cząstkowych. Metoda różnic skończonych (MRS). Pojęcia zbieżności, zgodności oraz stabilności schematu numerycznego. Metoda różnic skończonych dla zagadnień stacjonarnych oraz niestacjonarnych. Schematy jawne oraz niejawne. Ograniczenia MRS. Zagadnienia graniczne.

3. Numeryczne metody rozwiązywania równań różniczkowych o pochodnych cząstkowych – metoda elementów skończonych. /4

Istota metody elementów skończonych (MES). Zalety MES. MES w zagadnieniach stacjonarnych oraz niestacjonarnych. Sformułowania MES w mechanice: zasada prac wirtualnych, metoda reszt ważonych. Rodzaje elementów oraz tworzenie i ocena jakości siatek.

4. Numeryczne metody rozwiązywania równań różniczkowych o pochodnych cząstkowych – metoda objętości skończonych. /4

Istota metody objętości skończonych (MOS). Przepływy ściśliwe oraz nieściśliwe. Schematy numeryczne stosowane w przepływach nieściśliwych. Schematy numeryczne stosowane w przepływach ściśliwych. Schematy stosowane w warunkach występowania fal uderzeniowych (shock capturing schemes). Modelowanie turbulencji (hipoteza Boussinesqa oraz DNS). Przepływy wieloskładnikowe oraz wielofazowe.

5. Problemy dotyczące zastosowania numerycznych metod rozwiązywania równań różniczkowych o pochodnych cząstkowych. /4

Opis właściwości materiałów konstrukcyjnych. Problemu podczas symulacji zjawisk przy użyciu MES oraz MOS: hourglassing, znaczące deformacje elementów, modelowanie kontaktu pomiędzy obiektami, fale uderzeniowe, oscylacje dla przepływów charakteryzujących się liczbą Pecleta Pe>2. Implementacja metod bezsiatkowych oraz ruchomych siatek. Weryfikacja oraz walidacja modeli numerycznych, błędy obliczeń.

6. Analiza kinematyczna mechanizmów. Dynamika mechanizmów. Zaliczenie przedmiotu. /4

Podstawy analizy kinematycznej mechanizmów. Istota metody układów wieloczłonowych oraz jej zastosowanie w analizie kinematycznej. Zaliczenie przedmiotu.

Ćwiczenia / metoda werbalno-praktyczna praktyczna z wykorzystaniem komputerów – praca pod nadzorem wykładowcy

1. Opracowanie modelu oraz przeprowadzenie analizy statycznej. /6

Wykonanie mechanicznej analizy statycznej wybranego elementu konstrukcyjnego.

2. Opracowanie modelu oraz przeprowadzenie analizy dynamicznej. /8

Wykonanie mechanicznej analizy dynamicznej wybranego elementu konstrukcyjnego.

3. Opracowanie modelu oraz przeprowadzenie analizy pola temperatury i przepływu ciepła /8

Wykonanie analizy pola temperatury i przepływu ciepła w wybranym elemencie konstrukcyjnym.

4. Opracowanie modelu oraz przeprowadzenie symulacji przepływu gazu /8

Wykonanie symulacji przepływu gazu w rurze oraz dyszy zbieżno – rozbieżnej w warunkach ustalonych i nieustalonych.

Projekt / metoda praktyczna

1. Symulacja numeryczna wybranego zjawiska fizycznego /6

Opracowanie modelu fizycznego oraz matematycznego wybranego problemu fizycznego. Symulacja numeryczna zjawiska.

Seminarium / metoda praktyczna

1. Prezentacja wyników symulacji numerycznych wybranych zjawisk fizycznych /4

Prezentacja wyników symulacji numerycznych wybranych zjawisk fizycznych opracowywanych podczas zajęć projektowych.

podstawowa:

• Fortuna Z., Macukow B, Wąsowski J. „Metody numeryczne”, WNT, Warszawa 2002 r.

• Kosma Z. „Metody Numeryczne dla Zastosowań Inżynierskich”, Politechnika Radomska, Radom 2008 r.

• Wawrzecki J. „Teoria maszyn i mechanizmów. Wstęp do teorii mechanizmów przestrzennych”, Politechnika Łódzka, Łódź 2008 r.

• Dacko M. i inni „Metoda elementów skończonych w mechanice konstrukcji”, Arkady, Warszawa 1994 r., sygn. 51621;

• Rakowski G., Kacprzyk Z. „Metoda elementów skończonych w mechanice konstrukcji”, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005 r., sygn. 61194;

uzupełniająca:

• Bjorck A., Dahlquist G. „Metody numeryczne”, PWN, Warszawa 1987 r.

• Wesseling P. „Principles of Computational Fluid Dynamics”, Springer, 2001 r.

• Eleuterio F. Toro „Riemann Solvers and Numerical Methods for Fluid Dynamics”, Springer, 1999 r.

• Szmelter J. „Metody komputerowe w mechanice”, PWN, Warszawa 1980 r.

• Jach K. „Komputerowe modelowanie dynamicznych oddziaływań ciał metodą punktów swobodnych”, PWN, Warszawa 2001 r.

• Марчук Г. И. „Методы вычислительной математики”, Наука, Москва 1977 г.

• Самарский А. А. „Теория разностных схем”, Наука, Москва 1977 г.

• Kruszewski J., Wittbrodt E., Walczyk Z. „Drgania układów mechanicznych w ujęciu komputerowym. Tom I - Zagadnienia liniowe”, WNT, Warszawa 1992 r., sygn. 50431; II-79532;

• Kruszewski J., Wittbrodt E., Walczyk Z. „Drgania układów mechanicznych w ujęciu komputerowym. Tom II - Zagadnienia wybrane”, WNT, Warszawa 1993 r., sygn. 51283;

II-79530; II-79532;

• Morecki A., Oderfeld J. „Teoria maszyn i mechanizmów”, PWN, Warszawa 1997 r., sygn. 48242; II-75336 - II-75337;

• Olędzki A. „Podstawy Teorii Maszyn i mechanizmów”, WNT, Warszawa 1987 r., sygn. 48023;

• Łodygowski T., Kąkol W. „Metoda elementów skończonych w wybranych zagadnieniach mechaniki konstrukcji inżynierskich”, Politechnika Poznańska, Poznań 2003 r. (wersja elektroniczna).

• „ANSYS. Metoda Elementów Skończonych dla praktyków”, materiały szkoleniowe firmy MESco, Tarnowskie Góry 2009 r.

Symbol i nr efektu przedmiotu / efekt uczenia się / odniesienie do efektu kierunkowego

W1 / ma poszerzoną i pogłębioną wiedzę w zakresie niektórych działów matematyki przydatną do formułowania i rozwiązywania złożonych zadań z analizy i projektowania systemów mechatronicznych / K_W01

W2 / zna podstawowe metody, techniki i narzędzia stosowane przy rozwiązywaniu zadań inżynierskich z zakresu mechatroniki / K_W05

U1 / potrafi określić kierunki dalszego uczenia się i zrealizować proces samokształcenia / K_U05

U2 / potrafi wykorzystać poznane metody i modele matematyczne, w razie potrzeby odpowiednio je modyfikując, do analizy i projektowania elementów, układów mechatronicznych lub procesów zachodzących z ich udziałem / K_U07

U3 / potrafi, przy formułowaniu i rozwiązywaniu zadań związanych z modelowaniem, projektowaniem, wytwarzaniem i eksploatacją elementów, układów i systemów mechatronicznych integrować wiedzę z dziedziny mechaniki, budowy maszyn, elektroniki, automatyki, robotyki, teorii sterowania i innych dziedzin stosując podejście systemowe, z uwzględnieniem aspektów pozatechnicznych / K_U16

U4 / potrafi wykorzystać możliwości sprzętu i oprogramowania do rozwiązywania złożonych problemów numerycznych do symulacji komputerowej i wizualizacji / K_U20

K1 / potrafi myśleć i działać w sposób kreatywny / K_K01

Przedmiot zaliczany jest na podstawie: zaliczenia.

Ćwiczenia zaliczane są na podstawie: obecności.

Zaliczenie przedmiotu jest prowadzone w formie testu

Warunkiem dopuszczenia do zaliczenia jest obecność na ćwiczeniach oraz wykonanie projektu i udział w seminariach.

Osiągnięcie efektu W1 oraz W2 - weryfikowane jest na teście pisemnym.

Osiągnięcie efektu U1, U2, U3, U4, K1 - sprawdzane jest praktycznie podczas ćwiczeń, projektu oraz seminarium.

Ocenę bardzo dobrą otrzymuje student, który uzyskał powyżej 96% poprawnych odpowiedzi

Ocenę dobrą plus otrzymuje student, który uzyskał 91-95% poprawnych odpowiedzi

Ocenę dobrą otrzymuje student, który uzyskał 81-90 % poprawnych odpowiedzi

Ocenę dostateczną plus otrzymuje student, który uzyskał 71-80% poprawnych odpowiedzi

Ocenę dostateczną otrzymuje student, który uzyskał 60-70% poprawnych odpowiedzi

Ocenę niedostateczną otrzymuje student, który uzyskał poniżej 60% poprawnych odpowiedzi

nie dotyczy