Стишков Ю.К. Введение в технологии компьютерного моделирования. Программа учебной дисциплины

Подождите немного. Документ загружается.

лизе.

Особенности моделирования фазового перехода, задание скачка эн-

тальпии. Примеры нестационарных тепловых задач, застывание и расплав

металла, анализ получаемых результатов. Расчет лучистого теплообмена в

ANSYS. Рассмотрение передачи электромагнитной энергии посредством

излучения, сильная нелинейная зависимость теплового потока от темпера-

туры.

Применение метода радиационной матрицы при расчете сложных мо-

делей. Определение радиационных поверхностей, формирование радиаци-

онной матрицы, использование радиационной матрицы в тепловом анали-

зе. Обзор различных методов расчета угловых коэффициентов: с экраниро-

ванием и без экранирования. Пример решения задачи лучистого теплооб-

мена с помощью метода радиационной матрицы, излучение между пласти-

ной и полукольцом. Анализ результатов, исследование температур и теп-

ловых потоков.

Использование метода радиационного решателя при расчете сложных

конструкций. Задание радиационных поверхностей, задание опций реше-

ния, опций определения угловых коэффициентов, вычисление и считыва-

ние угловых коэффициентов. Возможности расчета плоских, осесиммет-

ричных и объемных моделей. Рекомендации для решения стационарных

задач, в которых преобладает излучение, необходимость использования

квазистационарного приближения из-за высокой нелинейности задачи. Ис-

следование совместного влияния теплоотдачи за счет излучения и конвек-

ции на примере объемной задачи.

Тема 10. Решение задач гидро- и газодинамики

Обзор различных видов течений, которые можно рассчитывать при

помощи модуля FLOTRAN: ламинарные и турбулентные, с теплоперено-

сом или адиабатические, сжимаемые и несжимаемые, многокомпонентная

жидкость (газ). Типы элементов, используемые для расчета гидродинами-

ческих задач. Основные уравнения гидродинамики, решаемые в модуле

FLOTRAN. Рекомендации по определению режима течения, по созданию

конечно-элементной модели. Описание файлов, создаваемых при решении

гидродинамических задач: файлы результатов, невязок, повторного реше-

ния и т.д.

Описание способов улучшения сходимости и устойчивости решения,

параметры релаксации, искусственной вязкости и ограничения искомых

функций. Обсуждение количества глобальных итераций, критерии сходи-

мости. Оценка результатов расчета в модуле FLOTRAN, использование

выходных файлов, проверка граничных условий и массового баланса и оп-

ций решения.

Особенности несжимаемого ламинарного и турбулентного течения.

Использование эффективной вязкости при расчете турбулентных течений.

Роль числа Рейнольдса при определении характера течения. Различные

модели турбулентности, используемых в модуле FLOTRAN, преимущества

и недостатки. Особенности поведения турбулентных моделей вблизи сте-

нок и внутри потока. Возможности задания граничных условий в гидроди-

намике: поток, давление, симметричная граница. Возможности задания

движения твердой стенки при расчете течений, условия на открытой гра-

нице. Особенности моделирования шероховатости стенок.

Примеры решения стационарных задач гидродинамики несжимаемой

жидкости, обтекание недеформируемых тел жидкостью, расчет лобового

сопротивления. Расчет внутреннего течения в сосуде с движущейся грани-

цей и обтеканием размещенного в сосуде тела. Анализ результатов, по-

строение контурных, векторных и линейных графиков. Построение линий

тока жидкости в модуле FLOTRAN, анимация движения частиц жидкости.

Выполнение нестационарного гидродинамического анализа в ANSYS.

Особенности задания нестационарных граничных условий. Задание неста-

ционарных граничных условий, используемые наборы команд. Примеры

нестационарного анализа в модуле FLOTRAN. Расчет задач о затопленной

струе и впрыскивании жидкости.

Расчет сжимаемых течений в модуле FLOTRAN. Особенности задания

граничных условий. Расчет течения газа, проходящего через сужающееся

сопло, использование параметров релаксации и искусственной вязкости

для стабилизации решения. Использование модуля FLOTRAN для расчета

ударных волн в газе, моделирование распространение ударной волны в

длинной щели между двумя плоскими пластинами (ударная труба). Моде-

лирование распада произвольного разрыва.

Расчет течений многофазной жидкости (газа) в ANSYS. Описание ис-

пользуемых типов смеси: растворенная смесь, составная смесь и составная

газовая смесь. Особенности задания материальных свойств для разных

компонент жидкости. Установка количества компонент жидкости через

опции элемента и через специальные команды. Особенности задания гра-

ничных и начальных условий, расположение фракций в объеме, втекание

различных компонент. Особенности просмотра результатов решения зада-

чи, возможность просмотра движения разных фракций.

Примеры расчета задач течения жидкости со свободной границей

(граница жидкость-воздух), учет поверхностного натяжения жидкости.

Расчет модели разрушения плотины, динамика движения водяного фронта.

Втекание жидкости в открытый канал с препятствием, особенности зада-

ния граничных условий на входе и выходе канала.

Тема 11. Решение совместных задач в ANSYS

Описание возможностей решения задач в ANSYS, включающих раз-

ные области физики. Методы расчета связи различных физических дисци-

плин: прямой, последовательный, связь с гидродинамикой, многозадач-

ный. Рекомендации по их использованию, преимущества и недостатки.

Описание прямого метода, использующего специальные элементы, в

которые записаны связанные между собой уравнения двух или более типов

анализа. Обзор элементов, позволяющих решать задачи прямым методом:

тепломеханические, пьезоэлектрические, теплоэлектрические, магнитотеп-

ловые. Описание видов связи уравнений, записанных в элементы, для всех

типов совместного анализа. Решения задачи о тепловом расширении на-

греваемого тела, исследование связи тепловых и механических уравнений,

использование коэффициента теплового расширения при установке

свойств материала. Расчет Джоулева тепла, выделяющегося в модели, по

которой течет ток, совместное решение тепловых и электрических уравне-

ний.

Последовательный метод расчета связи физических дисциплин. Ис-

пользование результатов одного анализа в качестве нагрузок в другом ана-

лизе, термин среда физики в этом типе анализа. Подробное описание ко-

манды приложения нагрузок из файлов результатов, обзор результатов, ко-

торые можно переносить в другие задачи. Учет прямой и обратной связи,

использование циклов для организации автоматического процесса итера-

тивной связи между анализами. Особенности постановки задачи в терми-

нах сред физики, создание моделей, задание свойств материалов, приложе-

ние нагрузок. Запись в специальные файлы и считывание сред физики.

Описание совместимых типов элементов и анализов.

Решение задачи о склеенных кольцах из разных материалов, модель

нагревается под действием температурных граничных условий, рассчиты-

вается тепловая задача. Затем элемент заменяется на механический с зави-

симостью свойств материала от прикладываемой температуры, учитывает-

ся коэффициент теплового расширения. В качестве нагрузок считывается

температура из первого анализа и решается механическая задача деформа-

ции колец. Решение гидромеханической задачи о деформации резиновой

вставки в трубе с движущейся жидкостью с учетом обратной связи. Рас-

сматривается нестационарный анализ, поток жидкости постепенно дефор-

мирует эластичную вставку, решаются две отдельные задачи, из гидроди-

намики передаются давления в качестве нагрузок на твердое тело, в обрат-

ную сторону переносится смещение, используется специальный метод пе-

рестроения сетки в жидкой области для учета деформации вставки в гид-

родинамике.

Использование универсального многозадачного решателя при расчете

совместных задач. Описание круга задач, доступных в данном решателе:

тепловое расширение, Джоулев нагрев, индукционный нагрев, электромаг-

нитно-механические взаимодействия и т.д. Особенности построения моде-

лей и задания нагрузок, обозначение области взаимодействия различных

частей модели. Использование специальных команд для установок опций

многозадачного решателя. Описание использования стандартных методов

построения моделей для расчета разных физических дисциплин с взаим-

ным влиянием при расчете многозадачным решателем. Требования к по-

строению сетки в областях взаимодействия тел. Описание метода передачи

нагрузок между взаимодействующими областями. Пример расчета естест-

венной конвекции при нагревании металлического проводника, находяще-

гося в жидкости, электрическим током. Производится расчет Джоулева те-

пла в проводнике и перенос тепловых потоков в гидродинамическую часть

задачи. Рассчитывается обратное влияние движения потоков жидкости на

конвективное охлаждение проводника.

3.2. Распределение часов по темам курса лекций

К-во лекций и часов, отводимых на тему,

к-во часов, отводимых на

самостоятельную работу

Содержание раздела

Лекции №№ К-во ча-

сов

СРС*

Всего

часов

Тема 1. Введение в современ-

ные методы моделирования

физических процессов в при-

кладных исследованиях

1 2 1 3

Тема 2. Построение сплошных

моделей в ANSYS

2 2 1 3

Тема 3. Построение дискрет-

ных моделей в ANSYS

3 2 1 3

Тема 4. Задание нагрузок и

определение свойств материа-

лов в ANSYS

4 2 1 3

Тема 5. Решение задач меха-

ники твердых тел

5,6 4 1 5

Тема 6. Расчет электростати-

ческих полей

7 2 1 3

Тема 7. Анализ прохождения

электрического тока в прово-

дящих средах

8 2 1 3

Тема 8. Расчет магнитных по-

лей

9,10 4 1 5

Тема 9. Проведение теплового

анализа в ANSYS

11,12 4 2 6

Тема 10. Решение задач гидро-

и газодинамики

13,14 4 2 6

Тема 11. Решение совместных

задач в ANSYS

15,16 4 2 6

Итого 32 14 46

СРС - Самостоятельная работа студента (в том числе на курсовую работу по

дисциплине)

3.3.

Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для са-

мостоятельной работы

1. Методы создания трехмерных сплошных моделей с применением

булевых операций.

2. Способы построения упорядоченной сетки.

3. Типы граничных условий, доступные в ANSYS.

4. Модели материалов для задач механики сплошных сред.

5. Методы расчета собственных частот механических конструкций.

6. Сравнение р- и h-методов решения задач механики и электростатики.

7. Способы моделирования источников магнитного поля.

8. Схема решения нестационарных задач теплофизики.

9. Модели моделирования турбулентных течений.

3.4.

Примерный перечень вопросов к зачету по всей учебной дис-

циплине

1. Основные этапы решения задач методом конечных элементов.

2. Сравнение возможностей ANSYS, FEMLAB, CFD по моделиро-

ванию физических процессов.

3. Основные методы построения сплошных моделей в ANSYS.

Выполнение булевых операций.

4. Приемы создания дискретных моделей. Построение свободной и

упорядоченной сетки.

5. Задание атрибутов элементов сплошных и дискретных моделей.

6. Задание граничных и начальных условий в ANSYS для стацио-

нарных и нестационарных задач.

7. Задание свойств материалов. Модели линейных и нелинейных

материалов, доступные в ANSYS. Задание зависящих от темпе-

ратуры свойств.

8. Основные понятия механики твердых тел. Методы решения ста-

ционарных задач.

9. Способы решения контактных задач в ANSYS. Термо-

контактные и электро-контактные задачи.

10. Расчет собственных колебаний и форм деформируемых тел.

11. Решение нестационарных задач механики твердых тел.

12. Расчет электростатических полей р- и h-методом.

13. Метод подконструкций в электростатике. Область его приме-

нимости.

14. Расчет прохождения электрического тока в проводящих средах.

15. Расчет стационарных магнитных полей на основе скалярного

магнитного потенциала.

16. Расчет стационарных и нестационарных магнитных полей на

основе векторного магнитного потенциала.

17. Решение линейных и нелинейных стационарных задач теплофи-

зики. Учет излучения.

18. Решение нестационарных задач теплофизики.

19. Возможности FLOTRAN по расчету течений различного типа.

20. Моделирование течений многокомпонентной жидкости.

21. Решение задач термогравитационной конвекции.

22. Основные алгоритмы решения совместных задач в ANSYS.

3.5. Основные правила приема зачета по дисциплине «Введение в

технологии компьютерного моделирования»

Зачет по «Введение в технологии компьютерного моделирования»

проводится в устной форме. Предлагаемые на зачете билеты содержат

по два вопроса из списка, приведенного в настоящей Программе и одну

задачу, аналогичную тем, которые решались на практических занятиях.

При подготовке студент должен оформить лист устного ответа, который

должен содержать основные положения ответа на вопросы билета, и

текст программы, решающей поставленную задачу.

В ходе опроса преподаватель имеет право задавать любые дополни-

тельные вопросы из программы зачета, а так же – уточняющие дополни-

тельные вопросы по математике, физике и информатике в рамках разде-

лов, необходимых для изложения вопросов экзаменационного билета. В

качестве дополнительных вопросов так же могут использоваться задачи

по дисциплине из списка, приведенного в настоящей Программе. Все,

задаваемые дополнительные вопросы преподаватель должен фиксиро-

вать на листе устного ответа студента. Проводящие опрос студентов

преподаватели обязаны убедиться в способности студента дать обосно-

ванные ответы по 2-3 дополнительным вопросам. Неспособность сту-

дента поддержать беседу по указанным вопросам означает невозмож-

ность получения им положительной оценки на зачете вне зависимости

от ответов на вопросы билета.

Проводящим опрос преподавателям предоставляется информация о

результатах, показанных студентами на практических занятиях. При не-

обходимости, в ходе опроса преподаватель может ознакомиться с соот-

ветствующими работами студента. В случае возникновения существен-

ных расхождений между предполагаемой оценкой за зачет и результата-

ми внутри семестровой аттестации (контрольных работ и/или тестов),

преподавателю рекомендуется задать несколько дополнительных вопро-

сов по темам, ранее вызвавшим затруднения у сдающего зачет студента.

Выставляемая на зачете оценка должна отражать знания студента на

момент сдачи зачета, а не его промежуточные результаты, показанные

во время обучения. Оценки за зачет выставляются по десяти - бальной

шкале.

Преподаватель обязан объявить студенту его оценки и записать ее

на зачетный лист до ее проставления в зачетную книжку и ведомость. В

случае несогласия с выставляемой ему оценкой студент должен инфор-

мировать об этом преподавателя до момента ее проставления в ведо-

мость и зачетную книжку. В этом случае студенту предоставляется пра-

во дополнить лист своего ответа по основным и дополнительным вопро-

сам в присутствии проводившего опрос преподавателя. Если внесенные

студентом дополнения не повлияли не решение преподавателя, а студент

продолжает настаивать на изменении его оценки, решение по этому во-

просу принимается комиссией, в состав которой входит читавший курс

лектор, заведующий обеспечивающей преподавание курса кафедрой и

представитель деканата. Комиссия принимает решение только на осно-

вании информации, содержащейся на листе ответа студента. Решение

комиссии принимается до окончания экзаменационной сессии, является

окончательным и не подлежит обжалованию на уровне администрации

кафедры и факультета.

Оценка 10 (5+) выставляется студенту в исключительных случаях,

когда его ответ содержал оригинальный подход к изложению материала

или содержал дополнительные сведения, существенно выходящие за

рамки программы курса. Претензии студентов в отношении не выстав-

ления им указанной оценки не принимаются, комиссии по этим случаям

не создаются.

3.6. Темы семинаров и практических занятий, основное содержа-

ние

Практические занятия, проводимые в рамках учебной дисциплины

«Введение в технологии компьютерного моделирования», сопровождают

одноименный курс лекций и помогает студентам глубже усвоить и приме-

нять на практике знания, полученные на лекциях. Основным средством

выполнения компьютерного моделирования является ANSYS, позволяю-

щий решать задачи из различных областей физики и выполнять т.н. меж-

дисциплинарные исследования. Кроме того, при решении задач активно

используются другие программные средств, такие как FEMLAB, CFD и

др.

Особенностью проведения практических занятий является то, что вы-

полнение каждого задания сопровождается написанием студентом ориги-

нальных программ, что позволяет глубоко освоить приемы компьютерного

моделирования при решении самых разнообразных задач. Программный

метод решения задач позволяет глубже исследовать изучаемые физические

явления, т.к. дает возможность достаточно оперативно анализировать ре-

шения при изменении условий задачи.

В рамках практикума по «Введению в технологии компьютерного

моделирования» особое внимание уделяется постановочной части задачи.

Студент должен правильно выбрать модель изучаемого явления, как на

физическом уровне, так и с точки зрения технологий моделирования. Осо-

бенно это касается решения нестандартных междисциплинарных задач.

Практические занятия по дисциплине «Введение в технологии компь-

ютерного моделирования» закладывают основу умения выполнения чис-

ленных расчетов, что используется студентами в дальнейшем, как при ос-

воении материала различных курсов лекций, так и при проведении науч-

ных исследований, в том числе при выполнении курсовых работ по учеб-

ной дисциплине «Введение в технологии компьютерного моделирования».

Тема 1. Введение

Последовательность решения задачи в ANSYS: выбор типов конечных

элементов, задание материальных свойств, построение геометрической и

конечно-элементной моделей, задание начальных и граничных условий,

опций решения. Основные приемы работы в ANSYS: использование ин-

терфейса пользователя и встроенного языка программирования. Общие

принципы написания программы в ANSYS: основные части программы,

синтаксис команд. Использование справочной документации ANSYS.

Файловая структура ANSYS. Приемы сохранения и считывания результа-

тов моделирования.

Тема 2. Модели материалов

Задание материальных свойств в ANSYS. Упругая линейная изотропная

модель материала. Возможности задания материальных свойств, завися-

щих от температуры: полиномиальная зависимость от температуры и таб-

личное задание зависимости. Модели нелинейных свойств материалов при

решении задач деформации твердого тела: изотропное и кинематическое

упрочнение. Диаграмма напряжение-деформация, билинейные и мульти-

линейные модели. Упругие и пластические деформации. Компоненты тен-

зоров напряжения и деформации.

Тема 3. Граничные условия

Классификация граничных условий (нагрузок) в программе ANSYS: по-

стоянные граничные условия, сконцентрированные нагрузки, поверхност-

ные и объемные нагрузки. Методы задания граничных условий для раз-

личных задач. Преимущества и недостатки приложения нагрузок к геомет-

рической модели (точки, линии, поверхности, объемы) или к конечно-

элементной модели. Описание синтаксиса команд приложения, удаления,

изменения нагрузок. Возможности просмотра информации о приложенных

нагрузках. Способы задания изменяющихся нагрузок: табличное и функ-

циональное задание. Описание создания таблиц нагрузок, список исход-

ных переменных, от которых могут зависеть нагрузки. Особенности по-

строения функций нагрузок, сохранение, просмотр и использование в мо-

делировании.

Тема 4. Построение конечно-элементной модели

Виды конечных элементов. Выбор формы и степени конечных элементов.

Дополнительные опции конечных элементов. Построение конечно-

элементной модели (сетки). Методы построения неупорядоченной сетки.

Методы построения упорядоченной сетки, требования к геометрии модели,

способы приведения модели к необходимому виду. Методы улучшения ка-

чества построенной сетки. Обзор возможностей ANSYS по загрузке моде-

лей из других пакетов программ, доступные виды файлов, параметры при

считывании, усовершенствование модели.

Тема 5. Просмотр и обработка результатов

Команды, использующиеся при анализе результатов. Просмотр результа-

тов в узлах и элементах, построение контурных и векторных графиков, из-

менение количества отображаемых контуров. Создание анимационных

файлов, иллюстрирующих изменение результатов в зависимости от какого-

либо параметра (время, частота). Построение путей для вывода линейных

графиков на модели, и операции с результатами вдоль путей. Создание

таблиц результатов в элементах и основные операции с ними. Построение

графиков зависимости искомых величин в какой-либо точке модели от

времени. Изменение масштаба по осям графиков.

Тема 6. Механика твердых тел

Линейные и нелинейные задачи механики твердых тел, кривая напряже-

ние-деформация, особенности задания материальных свойств. Особенно-

сти задания изменяющихся со временем нагрузок в ANSYS. Результаты

решения задач деформируемых твердых тел, доступные в ANSYS. Анализ

результатов с использованием таблицы элементов. Особенности решения

контактных задач в ANSYS, методы решения задач взаимодействия не-

скольких тел. Доступные типы элементов. Выбор типа контакта. Выбор

необходимых опций решателя.

Тема 7. Электростатика и постоянный ток

Расчет электростатических полей в плоском, осесимметричном и объем-

ном случаях. Типы элементов и материальные свойства, используемые в

данных типах анализа. Способы задания источников электрических полей.

Типы условий на внешних границах модели. Рассмотрение различных спо-

собов решения задач электростатики в ANSYS, h-метод и p-метод, недос-

татки и преимущества.

Решение задач о прохождении тока в конструкциях с распределенным со-

противлением. Совместное решение нелинейных задач о Джоулевом на-

греве материалов при наличии зависимости локального сопротивления от

температуры материала. Обзор возможностей ANSYS при рассмотрении

результатов решения.

Тема 8. Тепловой анализ

Тепловой анализ в ANSYS, стационарные и нестационарные задачи. Ос-

новные виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

Описание доступных для теплового анализа элементов. Задачи с внутрен-

ним источником тепла, особенности задания конвективных граничных ус-

ловий, постоянная температура или поток тепла на границах. Использова-

ние таблиц и функций при задании изменяющихся нагрузок в зависимости

от времени, координат, свойств материалов, температуры. Особенности

задания начальных условий в нестационарном анализе, однородная и не-

однородная начальная температура. Выбор шкалы температур. Определе-

ние параметров шага нагружения, опции сходимости решения, вывода ре-

зультатов, возможность выбора автоматического шага по времени. Расчет

фазового перехода вещества, расплав и застывание материала. Методы

расчета тепловых задач, связанных с излучением. Описание параметров,

участвующих в расчете, коэффициенты излучения, излучающие поверхно-

сти. Задачи с частичным экранированием тел. Расчет матрицы угловых ко-

эффициентов.

Тема 9. Гидрогазодинамика

Решение задач гидро- и газодинамики в ANSYS. Классические течения в

трубах и задачи обтекания тел, стационарный и нестационарный режимы.

Условия возникновения течений различного характера, ламинарного и

турбулентного, сжимаемого и несжимаемого. Особенности командного

метода задания граничных условий, материальных свойств и опций реша-

теля. Возможности использования гидро- и газодинамических конечных

элементов для моделирования поведения твердых тел, находящихся в жид-

кости или газе. Моделирование течений в многокомпонентных жидкостях

и газах, их смешивание, особенности задания их свойств, просмотр компо-

нентов жидкостей и газов после смешивания. Моделирование течений со

свободной границей, учет поверхностного натяжения.

Тема 10. Магнетизм

Методы численного расчета магнитных полей. Сведение уравнений Мак-

свелла к уравнениям для потенциальных функций. Границы применимости

методов скалярного и векторного потенциала. Особенности задания гра-

ничных условий. Способы возбуждения магнитных полей. Способы моде-

лирования источников. Случай гармонической зависимости поля от вре-

мени. Особенности решения плоских, осесимметричных и объемных не-

стационарных задач. Влияние скин-эффекта на распределение плотности

тока в проводниках и на распределение магнитного поля. Определение по-

терь, вызванных вихревыми токами. Расчет индуктивностей и коэффици-

ентов взаимной индукции соленоидов и трансформаторов, расчет погон-

ных параметров линий передачи.

Тема 11. Совместные задачи

Совместные задачи в ANSYS. Методы решения задач связи различных фи-

зических дисциплин: прямой, последовательный, многозадачный. Обзор

элементов, позволяющих решать задачи прямым методом, в один элемент

записаны уравнения двух или более типов анализа, они связаны между со-

бой. Решение термоструктурных, пьезоэлектрических, термоэлектриче-

ских, магнитотепловых задач. Последовательный метод решения различ-

ных физических дисциплин с использованием циклов и считывания в ка-

честве нагрузок результатов какого-то анализа. Использование универ-

сального многозадачного анализа, особенности моделирования. Расчет де-

формаций твердого тела под действием потока жидкости, изменение кон-

фигурации конечных элементов. Преимущества и недостатки каждого ме-

тода.

3.7. Распределение часов семинаров и практических занятий

по темам и видам работ

К-во часов отводимых на тему

Содержание раздела

Семинары

(Практич. за-

нятия в ком-

пьютерном

классе)

Кол-во часов СРС*

Всего

Тема 1. Введение 1 2

Тема 2. Модели материалов 1 2