Программа

 

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

 

«УТВЕРЖДАЮ»

Проректор по учебной работе

 

______________

«01» сентября 2011 г.

 

П Р О Г Р А М М А

 

Дисциплины ПРОГРАММНО ИНФОРМАЦИОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ

по специальности № 230104

 

по специализации СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

 

Форма обучения ОЧНАЯ

 

		Выпускающие	Обеспечивающие
	Факультеты	6	6
	Кафедры	609	609

 

Семестр	Аудиторные занятия, ч	Самостоятельная работа студента, ч	Вид контроля	Итого, ч
Л е к ц и и	ЛР	ПЗ, семи- нары	Про-ра-ботка лек- ций	Под-го-товка к ЛР	Под-го-товка к ПЗ, сем.	Вы-пол- нение КП , КР	Вы-пол-нениеРР, ГР, РЕФ	Э к з а м е н	З а ч е т	Ауди-тор-ные заня- тия	СРС
8	34	32		10	14		16		1		66	40
9	18	16		6	8		16		1		34	30
10	32	88		42	70				1		120	112
Итого:	84	136		58	92		32		Всего:	220	182

 

Программа составлена _ к.т.н., доцент и к.т.н., доцент.

(ф.и.о., уч.степень, звание) _______________________

(подпись)

 

Заведующий обеспечивающей кафедрой № 000 _____________________________

«30» августа 2011 г.

 

Программа одобрена:

Заведующий выпускающей кафедрой № 000 Председатель УМС обеспечивающего факультета

 

_______________________ _______________________

 

«30» августа 2011 г. «30» августа 2011 г.

 

Декан выпускающего факультета № 6

 

______________________

 

«30» августа 2011 г.

График изучения дисциплины

Семестр	Вид	Распределение часов аудиторных занятий и самостоятельной работы студента по неделям
занятий	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
8	Лекции	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
ЛР		4		4		4		4		4		4		4		4
ПЗ, сем.
КП, КР, РР, ГР, РЕФ
9	Лекции	2		2		2		2		2		2		2		2		2
ЛР						4		4		4		4
ПЗ, сем.
КП, КР, РР, ГР, РЕФ
10	Лекции	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
ЛР		8		8	4	8	4	8	4	8	4	8	4	8	4	8
ПЗ, сем.
КП, КР, РР, ГР, РЕФ

 

 

Раздел 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

 

Данная учебная дисциплина предназначена для изучения вопросов разработки и создания специального программного обеспечения CAE – систем.

Целью дисциплины "Программно-информационные комплексы" является формирование знаний студентов об основных методах решения задач математической физики, включая распределенные модели (метод конечных элементов, метод суперэлементов) и стохастические модели, используемые для решения нестохастических задач (метод Монте-Карло).

Задача дисциплины - познакомить студентов с постановками задач анализа на разных уровнях проектирования и методами их решения, обеспечить их знаниями о методах решения общих и специфических проблем разработки программного обеспечения CAD/CAE – систем, а также требованиях, предъявляемых к программным математическим моделям, предназначенным для решения задач математической физики и являющимися составной частью CAD – систем. Дать представление о структуре и построении CAE – систем.

В результате изучения данной дисциплины студенты должны получить представление о методах решения задач с распределёнными и сосредоточенными параметрами, использовании вероятностных подходов для решения задач детерминированного характера, а также овладеть общими приемами разработки программного обеспечения CAD/CAE – систем.

Дисциплина изучается студентами на лекциях, лабораторных занятиях, при индивидуальной работе с преподавателем и в период самостоятельной подготовки при проработке теоретического материала, а также при выполнении курсовых работ (СРС - 220 час.).

На лабораторных занятиях решаются задачи в САЕ Nastran, AnSys с использованием математического обеспечения, построенного на основе метода конечных элементов, а также прививаются начальные навыки модификации подобных систем.

Курсовые работы направлены на приобретение практических знаний по решению задач математической физики с помощью учебной СAE-системы, модификации и разработки её отдельных подсистем, а также приемам и навыкам работы в промышленных САЕ-системах типа Nastran, AnSys и др.

В ходе индивидуальной работы с преподавателем студентам даются пояснения по методике выполнения лабораторных и курсовых работ.

Контроль освоения учебного материала осуществляется при сдаче лабораторных работ, при защите курсовых работ и на экзаменах.

Дисциплина базируется на знаниях, полученных студентами в курсах математического анализа, физики, теоретической механики, сопротивления материалов, детали машин. Знания и навыки, получаемые при изучении "Модели и методы анализа проектных решений", используются при выполнении курсовых и дипломных проектов, выполняемых в дальнейшем цикле обучения.

 

Раздел 2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

2.1. Лекционный курс. (84ч, СРС 58ч).

 

Семестр 8 (34ч, СРС 10ч).

 

Тема 1. Обработка результатов вычислительного эксперимента (4ч, СРС -2ч).

Цели и методы математической обработки результатов вычислительного эксперимента. Интерполяция, экстрополяция, аппроксимация. Регрессионный анализ. Линейная парная регрессия. Метод выбранных точек и метод наименьших квадратов в линейной парной регрессии. Нелинейная парная регрессия.

 

Тема 2. МКЭ и САПР (2ч, СРС -1ч).

 

Общая архитектура САПР, базирующихся на методе конечных элементов. Структура программного обеспечения для метода конечных элементов. Многодисциплинарные программы. Требования к построению программных систем на базе МКЭ и проблемы их алгоритмизации. Общая характеристика САЕ Nastran.

 

Тема 3. Подготовка исходных, данных (10ч, СРС -2ч).

Структура исходных данных. Описание геометрии. Дискретизация области. Теоретические основы. Оценка качества сетки конечных элементов. Задача оптимальной генерации сетки КЭ. Основные алгоритмы и методы формирования сетки конечных элементов. Метод изопараметрических координат. Методы натуральных координат. Методы натягивания регулярной сетки. Методы предварительного нанесения узлов сетки. Фронтальный метод. Алгоритмы построения Делоне. Алгоритмы метода Рапперта. Сравнение методов триангуляции. Оптимизация сетки конечных элементов. Построение сетки КЭ в САЕ Nastran.

 

Тема 4. Алгоритмизация численных методов и технология разреженных матриц (8ч, СРС -2ч).

Общие проблемы математического обеспечения и алгоритмизации численных методов

Разреженные матрицы и их хранение. Представление целочисленных и булевых матриц. Способы хранения вещественных разреженных матриц. Использование адресных функций. Использование связных списков при упаковке. Алгоритмические способы хранения вещественных разреженных матриц. Хранение симметричных ленточных матриц. Сравнение методов хранения вещественных разреженных матриц.

 

Тема 5. Особенности решение матричных уравнений (8ч, СРС -2ч)

Проблема упорядочения. Матрицы и графы. Обзор методов приведения матриц. Ленточные и профильные методы. Метод Розена и алгоритм Катхилла - Макки. Обратный алгоритм Катхилла- Макки. Определение начального узла для алгоритмов приведения матриц. Метод наименьшей степени. Сравнение методов приведения матриц.

 

Тема 6. Представление результатов. (2ч, СРС -1ч)

Виды предствления результатов в разных системах. Представление результатов в САЕ Nastran.

 

Семестр 9 (18ч, СРС 6ч).

Тема 7. Метод суперэлементов (4ч, СРС -1ч).

Обобщенная схема применения метода суперэлементов. Подконструкции и суперэлементы. Способ разбиения модели на подконструкции, получение матриц жесткости суперэлементов, реализация граничных условий и внешних воздействий. Сборка системы уравнений и последовательность её решения. Концепция типовых объектов. Структура исходных данных для МСЭ. Модель типовых подструктур и их иерархия, набор массивов топологии, модель граничных условий.

 

Тема 8. Статистическое моделирование (8ч, СРС -3ч).

Метод наихудшего случая в проектировании сложных технических систем. Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). Применение метода Монте-Карло для вычисления одномерных интегралов (три способа). Использование метода Монте-Карло для вычисления кратных интегралов. Требуемое число операций. Сравнение с кубатурными формулами. Получение случайных чисел с заданным законом распределения. Алгоритм Лемера (алгоритм мультипликативного сравнения). Другие способы получения случайных чисел с заданным законом распределения. Применение метода Монте-Карло для решения задач, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных. Применение метода Монте-Карло для решения вероятностных задач и задач смешанного типа.

 

Тема 9. Аналоговое (аппаратурное ) моделирование (4ч, СРС -1ч).

Краткие сведения об АВМ и основных блоках. Моделирование динамических систем. Прямой метод. Метод вспомогательной переменной. Метод последовательного интегрирования. Аналоговое моделирование сигналов и шумов. Моделирование случайных сигналов и помех. Статистическая обработка результатов моделирования. Достоинства и недостатки аналогового моделирования, сфера применения.

 

Тема10. Промышленные САЕ-системы. (2ч., СРС-1ч)

Обзор современных САЕ-систем. Системы Nastran, AnSys, Cosmos, Marc, ДИАНА. Структура и логика их построения. Особенности и ограничения. Обеспечение многоцелевой направленности комплексов. Построение моделей. Связь САЕ-систем с CAD-системами типа Solid Edge, Solid Works Проблемы экспорта и импорта данных. Промышленные препроцессоры Femap, DesignSpace. Работа в промышленных САЕ-системах. Современное состояние рынка CAD/CAM/CAE – систем. Основные экономические показатели ведущих фирм-разработчиков CAD/CAM/CAE – систем.

 

Семестр 10 (32ч, СРС 42ч).

 

10 семестр

 

2.2. Лабораторные занятия. (136ч., СРС - 92ч.)

Семестр 8 (32ч, СРС 14ч).

 

Цикл лабораторных работ по освоению системы Femap-Nastran – 28ч (к темам 2,3,6).

 

Лабораторная работа №1. «Этапы расчета в Nastran. Диалоговые окна FEMAP» – 4ч.

Лабораторная работа №2. «Материалы и сортаменты. Создание простых объектов»-4ч

Лабораторная работа №3. «Элементы и узлы. Копирование элементов и узлов»-4ч

Лабораторная работа №4. «Построение сетки на геометрических объектах» -4ч

Лабораторная работа №5. «Нагрузки и граничные условия»-4ч

Лабораторная работа №6. «Работа с результатами расчетов)»-4ч

 

Исследовательские лабораторные работы -8ч.

 

Лабораторная работа №7. Исследование влияния типа конечного элемента на результаты расчета в САЕ Nastran. – 4ч., (к темам 1, 2).

Лабораторная работа №8. Триангуляция области методом Рапперта – 4ч. (к теме 3)

 

Семестр 9 (16ч, СРС 6ч).

 

Лабораторная работа №9 Решение задач в AnSys. – 8ч. (к темам 7,10).

Лабораторная работа №10. Метод суперэлементов в AnSys – 8ч. (к темам 7,10).

 

Семестр 10 (88ч, СРС 42ч).

 

10 семестр

 

 

2.3.        Курсовые работы (СРС 32ч).

 

Семестр 8. (СРС 16ч).

Курсовая работа предназначена для закрепления теоретических знаний студентов по темам 1, 3,4, 5.

Целью КР является:

углублённое знакомство студентов с САЕ - системами (учебной системой Sigma и коммерческой системой конечно-элементного анализа Nastran; исследование работы алгоритма МКЭ в системе Nastran на примере реализации учебной САЕ Sigma, получение навыков разработки отдельных подсистем и модулей для системы Sigma на основе других алгоритмов; изучение и применение методов обработки результатов численного эксперимента; приобретение опыта в практических вопросах проектирования математического обеспечения и конструирования соответствующих алгоритмов для САЕ - систем.

КР выполняется на базе учебного программного комплекса Sigma «Исследование напряженно-деформированного состояния объекта», вычислительный блок которого реализует метод конечного элемента и системы NASTRAN.

 

В задачу КР входит освоение алгоритмов триангуляции и оптимизации сетки конечных элементов (метода изопараметрических координат, алгоритмов Рапперта и фронтального метода), методов оценки качества сетки, применение методов обработки результатов численного анализа, освоение методов технологии разреженных матриц, включая способы хранения и приведения матриц.

Тема КР состоит в модификации индивидуального для каждого студента задания, выполненного в курсовом проекте 7-го семестра дисциплины 2Модели и методы анализа проектных решений», с целью получения более сложной задачи (другой вид триангуляции области, иной тип конечного элемента, другой алгоритма разнесения внешней нагрузки и т.п.). На основе более сложной задачи проводится исследование эффективности использованного метода триангуляции, способа хранения и приведения матриц.

Решается задача обработки результатов численного эксперимента, проведенного студентом.

 

Семестр 9. (СРС 16ч).

 

Курсовая работа является завершающей самостоятельной работой по циклу дисциплин, связанной с моделированием, носит творческий характер и имеет несколько типов заданий, которые студент может выбрать по своему желанию, сообразуясь со своими знаниями и наклонностями. Студент может сам предложить тему для курсовой работы.
1-ый тип задания.

Заключается в написании подпрограммы (или нескольких подпрограмм) базового программного комплекса Sigma, реализующей подход или алгоритм, отличный от существующего. Конечным результатом выполнения расчетной работы является работающая подпрограмма или подпрограммы в составе программной системы. Студенту может быть предложено написать (модифицировать) программу, реализующую один из следующих алгоритмов: алгоритмы упорядочения разреженных матриц большой размерности; алгоритмы формирования подходящей схемы хранения подобных матриц; алгоритмы анализа результатов решения задачи; алгоритмы разделения области на конечные элементы и т.д.

2-ой тип задания.

Заключается в написании программы или нескольких подпрограмм для модификации комплексов Sigma, Ferma или других подобных систем, используемых при обучении на каф. 609. В качестве задания может быть предложено дополнение комплексов новыми функциями и возможностями, изменение интерфейса и т.п.
3-ий тип задания.

Исследование возможностей коммерческих САПР, САЕ-систем и перспективных программных систем разного назначения, полезных для целей обучения на каф. 609 с выпуском методических указаний по их освоению и использованию.

4-ый тип задания.

Создание оригинальных программных систем разного направления, перспективных в плане обучения студентов.

 

Раздел 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

3.1 Рекомендуемая литература

3.1. Рекомендуемая литература

3.1.1. Учебная и методическая литература

Кунву Ли. Основы САПР CAD/CAM/CAE- Питер, 2004.

Норенков автоматизированного проектирования. – М: Из-во МВТУ, 2002. (Имеется в наличии в НТБ МАИ).

Шимкевич конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. – М.: ДМК Пресс, 2001. (Имеется в электронном виде).

, , AnSys в руках инженера. - М.: УРСС, 2003.

А.Джордж, Дж. Лю Численное решение больших разреженных систем уравнений - М: Мир, 1984. (Имеется в наличии в НТБ МАИ).

10 семестр

3.1.2.. Другие виды литературы

Технология разреженных матриц. – М.: Мир, 1988.

-К., -Л. Метод конечных элементов и САПР. – М.: Мир, 1989.

AnSys в примерах и задачах. – М.: Компьютер пресс, 2002.

10 семестр

3.«Монографии , ГОСТы , статьи и т. п.»

2. Технические и другие средства обучения.

 

При проведении лабораторных занятий и выполнении КР используются как компьютерный класс кафедры 609, так и личные компьютеры студентов, установленные дома.

В качестве программных средств, используемых для обучения, используются учебная САЕ-система Sigma, разработанная студентами каф. 609, коммерческие системы Nastran , Femap AnSys.

Дополнительно для консультаций используется Интернет, сайт кафедры 609 и страница сайта факультета №6 www.mai6.ru.

 

10 семестр