Рабочая программа составлена на основе Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 010701 «Физика»

Скачать 154.78 Kb.

Название	Рабочая программа составлена на основе Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 010701 «Физика»
Тип	Рабочая программа

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Рабочая программа

Рабочая программа составлена на основе Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 010701 – «Физика»

Рабочая программа разработана старшим преподавателем, к.ф.-м.н., Кульшой Олегом Евгеньевичем и ст. преподавателем М.Н. Домничем (кафедра физики и геофизики Филиала МГУ в городе Севастополе).

курс – I, II

семесты – II, III, IV

лекций – нет

лабораторных занятий – 116 часов

форма контроля теоретического курса – нет

форма контроля практических занятий – зачеты

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………	3
Тематический план……………………………………………………………	5
План лабораторных занятий……………………………………………….....	6
Самостоятельная работа студентов………………………………………..	8
Рекомендованная литература (основная и дополнительная)…………….	9
Система итогового контроля знаний………………………………………..	10

Введение

1.1. Цель изучения дисциплины.
Учебная дисциплина «Специальный практикум на ЭВМ» имеет целью формирование у студентов навыков численного моделирования физических задач и проведения инженерных расчётов. Она разделена на три части и содержит 18 тем. Первая часть посвящена применению программы Matlab в компьютерном моделировании. В ней рассматривается ряд задач механики и молекулярной физики, на примере которых студенты учатся проходить последовательность: постановка физической задачи – формулировка соответствующей математической модели – реализация её численным методом – анализ и визуализация результатов моделирования. При этом для более полной и наглядной имитации рассматриваемых в моделях процессов широко используются возможности Matlab в создании анимации. Во второй части студенты знакомятся с Simulink, расширением пакета Matlab, представляющим собой интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа динамических систем. Студенты учатся использовать важнейшее преимущество этой программы – принцип модульности, т.е. выстраивать модель сложной системы как совокупность существенно более простых взаимодействующих друг с другом подсистем - блоков Simulink. В третьей части студенты учатся пользоваться конечно-элементным пакетом моделирования ANSYS – одной из лучших компьютерных программ для проведения инженерных расчётов, которые могут относиться практически к любому разделу физики.

1.2. Задачи дисциплины.
Во время прохождения практикума студенты осваивают основные положения и методы работы в универсальных системах компьютерного моделирования физических процессов.

1.3. Место дисциплины в профессиональной подготовке выпускника.
«Специальный практикум на ЭВМ» относиться к блоку дисциплин по информационным технологиям направления «Физика и геофизика». К данному блоку относятся также, «Компьютерные методы в физике», «Специальный физико-технический практикум» и ряд других дисциплин.

1.4. Требования к уровню освоения дисциплины.
В результате усвоения материала курса «Специальный практикум на ЭВМ» студенты должны уметь

Правильно формулировать задачи для проведения численных расчетов, исходя из знаний в области физики и математики, полученных в процессе изучения соответствующих дисциплин.
Правильно выбирать программную среду проведения численных расчетов различных физических явлений. Разбираться в алгоритмах и численных методах, предлагаемых той или иной системе компьютерного моделирования.
Строить сплошные и дискретные модели, адекватные решаемым задачам.

В Matlab:

Уметь использовать вычислительные возможности Matlab в решении линейных и нелинейных алгебраических уравнений и систем уравнений, вычислении определённых интегралов, дифференцировании функций, интерполяции функций и аппроксимации экспериментальных данных, решении систем обыкновенных дифференциальных уравнений.
Использовать графические средства Matlab: строить двумерные и трехмерные графики, создавать анимационные изображения, имитирующие поведение моделируемых систем.
Уметь создавать удобный пользовательский интерфейс для демонстрации результатов моделирования.

В Simulink:

Знать назначение основных блоков для конструирования систем.
Создавать модели простых динамических систем.

В ANSYS:

Уметь строить геометрические модели с использованием внутренних средств ANSYS. Выполнять основные логические операции над геометрическими объектами.
Создавать конечно-элементные модели с использованием алгоритмов построения как свободной, так и упорядоченной сетки. Реформировать созданные модели.
Уметь задавать граничные условия для решения физических задач различного типа.
Уметь получать решение простых учебных задач механики твердых тел, гидродинамики, теории упругости и теплопроводности.
Уметь визуализировать полученные результаты, в частности, строить контурные и векторные графики исследуемых величин, выводить данные в различных сечениях трехмерных моделей, получать информацию об интересующих величинах вдоль заданных кривых.
Обладать основными навыками работы с базами данных в ANSYS: сохранение в базе данных геометрической и конечно-элементной моделей и решения, загрузка информации из базы данных. Уметь сохранять информацию о модели и решении в виде графических и анимационных файлов.

1.5. Распределение по семестрам.
2 семестр: практические занятия – 32 ч, зачет, курсовая работа

3 семестр: практические занятия – 36 ч, зачет

4 семестр: практические занятия – 48 ч, зачет, курсовая работа

Тематический план.

№ п/п	Название темы	Количество часов
№ п/п	Название темы	Семинары	Практ. занятия	Самост. работа
Численное моделирование в Matlab
1	Моделирование задач механики.	4	16	8
2	Прямое имитационное моделирование. Перколяция (задача о протекании).	2	2	4
3	Модели молекулярной физики	2	6	8
Работа в Simulink
4	Начало работы в Simulink	1	3
5	Генерирование импульсного сигнала.	1	3
6	Блоки математических операций.	2	2
7	Модель системы, заданная дифференциальным уравнением	2	2
8	Редактор дифференциальных уравнений DEE.	1	3
9	Подсистемы в Simulink	1	3
10	Преобразование Фурье в Matlab.	2	2
11	Библиотека SimPowerSystems.	1	3
12	Нелинейные элементы.	1	3
Инженерные расчёты в ANSYS
13	Построение геометрических моделей в ANSYS.	2	6
14	Основные методы построения сетки.		6
15	Обработка результатов и работа с базами данных ANSYS.		4
16	Особенности решения задач теории упругости	2	8	4
17	Особенности решения задач гидродинамики	2	8	4
18	Особенности решения задач теплофизики	2	8	4
Всего, часов		28	88	32
Форма итогового контроля – зачет

План лабораторных занятий.

Тема 1. Моделирование задач механики.

Движение тела, брошенного под углом к горизонту с учётом силы сопротивления. Движение пружинного маятника с затуханием. Падение тела в вязкой среде с учётом силы Архимеда. Математический маятник с жёстким стержнем: нелинейная задача. Движение частиц в центральном поле.

Тема 2. Прямое имитационное моделирование.

Перколяция (задача о протекании).

Тема 3. Модели молекулярной физики.

Случайные блуждания. Броуновское движение. Диффузия.

Тема 4. Начало работы в Simulink.

Основные блоки Simulink. Примеры построения Simulink-моделей. Установка параметров расчета и его выполнение

Тема 5. Генерирование импульсного сигнала.

Генерирование импульсного сигнала. Библиотека Continuous – аналоговые блоки. Nonlinear - нелинейные блоки.

Тема 6. Блоки математических операций.

Библиотека Math – блоки математических операций. Использование передаточной функции Transfer Function.

Тема 7. Модель системы, заданная дифференциальным уравнением.

Блок алгебраического контура Algebraic Constraint. Модель системы, заданная дифференциальным уравнением.

Тема 8. Редактор дифференциальных уравнений DEE.

Пример решения дифференциальных уравнений c помощью Simulink.

Тема 9. Подсистемы в Simulink.

Классификация подсистем в Simulink. Создание подсистем с помощью блока Subsystem. Создание подсистем посредством команды меню Create Subsystem. Настройка параметров подсистем. Маскирование подсистем в Simulink.

Тема 10. Преобразование Фурье в Matlab.

Теоретические основы. Реализация преобразования Фурье с помощью функции fft. Получение амплитудного и фазового спектра сигнала.

Тема 11. Библиотека SimPowerSystems.

Использование Simulink LTI-Viewer для анализа динамических систем. Основные блоки библиотеки SimPowerSystems. Примеры построения SPS-моделей. RC-фильтр низких частот

Тема 12. Нелинейные элементы.

Создание электротехнических блоков пользователя. Модель катушки с насыщением (насыщающийся реактор). Свойства операционного усилителя.

Тема 13. Построение геометрических моделей в ANSYS.

Студентам предлагается построить несколько геометрических моделей, используя восходящее и нисходящее моделирование. Построить модель болта с резьбой, используя различные системы координат и циклы при построении опорных точек.
Тема 14. Основные методы построения сетки.

Студентам предлагается построить гексагональную упорядоченную сетку в шаре и усеченном конусе методом вращения и методом деления объемов. После этого предлагается выполнить построение гексагональной упорядоченной сетки в прямоугольном блоке с “ручкой” в виде половины тора.
Тема 15. Обработка результатов и работа с базами данных ANSYS.

Студентам предлагается решить классическую задачу теории упругости (изгиб консольной балки). После этого на примере этой задачи провести детальную обработку результатов, используя средства ANSYS (построение контурных и векторных графиков, построение сечений, анимация, построение линейных графиков, операции с линейными графиками, таблицы элементов).
Тема 16. Особенности решения задач теории упругости в ANSYS.

Студентам предлагается решить несколько задач теории упругости (деформация прямоугольной пластины, расчет собственных частот и собственных колебаний прямоугольной пластины, расчет вынужденных колебаний прямоугольной пластины).
Тема 17. Особенности решения задач гидродинамики в ANSYS.

Студентам предлагается решить несколько задач гидродинамики (расчет различных режимов обтекания шара в аэродинамической трубе, течение в трубе с переменным диаметром).
Тема 18. Особенности решения задач теплофизики в ANSYS.

Студентам предлагается решить несколько задач теплофизики (стационарный нагрев составной плиты из разных материалов, нестационарный нагрев однородной плиты с отверстием, термомеханическая задача о деформации склеенных брусков вследствие теплового расширения).

Самостоятельная работа студентов.

Самостоятельная работа студентов складывается из следующих составляющих:

1. Работа с конспектом лекций, рекомендованной и дополнительной литературой для понимания и закрепления материала, изложенного на лекциях.

2. Самостоятельное изучение элементов интерфейса используемых программных комплексов в дополнение к изученным на занятиях в аудитории.

3. Решение домашних заданий.

4. Выполнение тематических самостоятельных работ на практических занятиях в аудтории.

Для организации самостоятельной работы студентам предоставляются электронные варианты программ занятий, учебников, задачников и учебно-методических пособий.

Рекомендованная литература.

5.1. Основная литература

Плохотников К.Э. и др. Методы разработки курсовых работ. Моделирование, вычисления, программирование на С/С++ и MATLAB, виртуализация, образцы лучших студенческих курсовых работ: Учебное пособие / Под общ. ред. К.Э. Плохотникова. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2006.
Г. Л. Коткин, В. С. Черкасский. Компьютерное моделирование физических процессов с использованием Matlab. – Новосибирск, 2001.
Гулд, Я. Тоболчик. Компьютерное моделирование в физике. В 2-х частях (пер. с aнгл.) — M.: Mup, 1990.
В.Дьяконов, В.Круглов. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. Питер. 2001.
Черных И.В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений / Под общ. ред к. т. н. В. Г. Потемкина. - М: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003.
Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство. - М., Едиториал, 2003.
Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров. Справочное пособие. –М.: Машиностроение, 2004.
Басов К. А. Графический интерфейс комплекса ANSYS. - М.: ДМК Пресс, 2006.

5.2. Дополнительная литература.

Калиткин Н.Н. Численные методы. — М.: Наука 1978 г.
Н.С.Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М.Кобельков. Численные методы. – М.: Наука, 1987
Конюхов А. В. О сновы анализа конструкций в ANSYS. Казань, КГУ, 2001.
Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах. КомпьютерПресс. 2002.

Система итогового контроля знаний.

6.1. Итоговый контроль знаний осуществляется во время проведения зачётов в конце каждого семестра. Зачёт получают студенты, успешно выполнившие домашние задания и тематические работы на аудиторных занятиях. Приобретённые знания и навыки демонстрируются на сдаче курсовых работ в конце 2-го 4-го семестров.

6.2. Примерные темы курсовых работ.

2-й семестр

Исходя из законов Кеплера, воспроизвести динамику солнечной системы.
Пусть лёгкий шероховатый шарик помещен во вращающийся сосуд. Изучить и изобразить поведение шарика в зависимости от угловой скорости вращения сосуда и его формы.
Построить графическую модель траектории движения маятника Фуко на различных широтах поверхности Земли.
Построить программу, изображающую упругий улар пары тел треугольной формы. Треугольники считать равносторонними и одинаковыми.
Осуществить вычислительный эксперимент по определению уравнения состояния идеального газа, состоящего из N атомов. Рассмотреть случаи N=1,10, 10², 10⁵.Уравнение состояния связывает три величины: давление, объём и температуру. В качестве объёма выбрать сосуд цилиндрической формы, в который вдвигается поршень.
Осуществляя вычислительный эксперимент, изучить распределение скоростей в модели идеального газа для сосуда в форме тетраэдра.
Бесконечно длинная прямоугольная пластинка кладется на поверхность смачивающей ее жидкости, увлекая за собой некоторое количество жидкости. Найти и визуализировать профиль боковой поверхности жидкости, устанавливающейся под влиянием капиллярных сил и силы тяжести, при различных расстояниях пластинки от поверхности жидкости

Смоделировать и визуализировать динамику маятника Максвелла.

4-й семестр
1. Моделирование изгиба арочного моста под действием нагрузки с учетом линейных и нелинейных свойств материалов.

В работе предлагается исследовать линейные деформации арочного моста и выявить слабые места конструкции. Рассмотреть нелинейные деформации в билинейном приближении и сравнить их с линейным приближением. В качестве модели предлагается взять конструкцию реального моста.
2. Вынужденный теплообмен от поверхности твердого тела в жидкости.

В работе предлагается исследовать зависимость потока тепла с поверхности твердого тела от скорости обдува. В качестве модели предлагается взять сферическое или цилиндрическое тело, нагреваемое постоянной мощностью, которое помещено в трубу заполненную жидкостью.

3. Исследование механических деформаций тел с учетом нелинейных свойств материалов.

В работе предлагается исследовать деформацию тела, описываемого моделью с линейными свойствами. Определить размеры области, где деформация неоднородна.

Исследовать деформации тела, описываемого моделью с билинейными свойствами. Сравнить две модели: кинематическую и изотропную.

Исследовать деформацию тела, описываемого моделью тела с полилинейными свойствами. Получить остаточные деформации, сравнить результат моделирования с теоретическими данными.

4. Решение контактных задач теории упругости.

В работе предлагается решить несколько вариантов контактных задач с различными типами контактов. Выяснить, какие сложности обычно возникают при решении контактных задач и каковы пути их преодоления.

5. Обтекание тел различной формы, вычисление силы сопротивления, выбор оптимальной формы для торпеды.

В работе предлагается исследовать обтекания торпеды, болида и капли потоком набегающей жидкости. В качестве модели предлагается взять трубу, с помещенными туда объектами различной формы. Определить силу сопротивления и найти коэффициент лобового сопротивления для каждого из тел. Сравнить полученные результаты для различных тел.
6. Исследование резонансного возбуждения механических конструкций.

В работе предлагается исследовать колебания балки прямоугольного сечения под воздействием вынуждающей силы. Рассмотреть варианты закрепления балки с одного и с двух концов. Для нахождения резонансов предлагается предварительно решить задачу на нахождение собственных частот и соответствующих им мод колебаний.

7. Моделирование импульсного нагрева твердого тела и расчет тепловых деформаций в нестационарном случае.

В работе предлагается исследовать явления, возникающие при нагреве твердого тела кратковременным импульсом тепла большой мощности. В качестве модели предлагается прямоугольник, на одну из граней которого подается мощный поток тепла.
8. Исследование оптимальной формы профиля крыла самолета.

Необходимо построить несколько профилей крыла самолета, воспользовавшись вспомогательной литературой по аэродинамическим свойствам тел. Произвести расчет подъемной силы, лобового сопротивления и аэродинамического качества крыла, поместив крыло в трубу с движущимся воздухом. Также необходимо исследовать зависимость этих параметров от положения крыла и скорости набегающего потока.

	Рабочая программа учебной дисциплины Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности...		Рабочая программа техника и технология видеофильма для студентов,... Рабочая программа составлена на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования подготовки...
	Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры «оптические информационные технологии» Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта (051700) высшего профессионального образования...		Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры «оптические информационные технологии» Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта (051700) высшего профессионального образования...
	Эпидемиология Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального...		Основная образовательная программа высшего профессионального образования Основная образовательная программа составлена на основе государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования...
	Основная образовательная программа высшего профессионального образования Основная образовательная программа составлена на основе государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования...		Рабочая программа учебной дисциплины составлена на основании требований... «Об утверждении и введении в действие федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования...
	Рабочая учебная программа по дисциплине «Психодиагностика» для студентов... Рабочая программа составлена на основе примерной программы по дисциплине в соответствии с требованиями Государственного образовательного...		Рабочая программа по учебному предмету «Физика» «Физика» для 7-9-х классов составлена в соответствии с требованиями федерального государственного образовательного стандарта, с учетом...
	Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению...		Рабочая учебная программа по дисциплине «Профилактика наркомании... Рабочая программа составлена на основе примерной программы по дисциплине в соответствии с требованиями Государственного образовательного...
	Рабочая программа учебной дисциплины Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению...		Рабочая программа по дисциплине “Лазерные системы и технологии ”... Рабочая программа составлена на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования подготовки...
	Рабочая программа учебной дисциплины Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального...		Рабочая программа учебной дисциплины (рпуд) Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального...

Рабочая программа составлена на основе Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 010701 «Физика»

Похожие: