Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Systemy CAD/CAE
Tok studiów:
2014/2015
Kod:
IIN-1-786-s
Wydział:
Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Informatyka
Semestr:
7
Profil kształcenia:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma i tryb studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Osoba odpowiedzialna:
Paszyński Maciej (paszynsk@agh.edu.pl)
Osoby prowadzące:
Paszyński Maciej (paszynsk@agh.edu.pl)
Krótka charakterystyka modułu

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z zagadnieniami projektowania oprogramowania i wykonywania symulacji w Systemach CAD/CAE za pomocą metody elementów oraz metody różnic skończonych.

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń)
Wiedza
M_W001 Zna zasadę działania metody różnic skończonych IN1A_W01, IN1A_W02, IN1A_W10 Wykonanie projektu
M_W002 Zna zasadę działania metody elementów skończonych IN1A_W01, IN1A_W02, IN1A_W10 Wykonanie projektu
M_W003 Zna metody modelowania sekwenyjncyh i rozproszonych systemów CAD IN1A_W01, IN1A_W02, IN1A_W10 Wykonanie projektu
M_W004 Zna metody modelowania sekwencyjnych i rozproszonych systemów CAE IN1A_W01, IN1A_W02, IN1A_W10 Wykonanie projektu
M_W005 Zna metody modelowania geometrii w systemach CAD IN1A_W01, IN1A_W02, IN1A_W10 Wykonanie projektu
Umiejętności
M_U006 Potrafi rozwiązać problem inżynierski za pomocą metody różnic skończnych IN1A_U03, IN1A_U07, IN1A_U08, IN1A_U01, IN1A_U02, IN1A_U09 Wykonanie projektu
M_U007 Potrafi rozwiązać problem inżynierski za pomocą metody elementów skończnych IN1A_U03, IN1A_U07, IN1A_U08, IN1A_U01, IN1A_U02, IN1A_U09 Wykonanie projektu
Kompetencje społeczne
M_K008 Orientuje się w charakterystyce dostępnych bibliotek numerycznych i potrafi efektywnie z nich korzystać IN1A_K02, IN1A_K03 Wykonanie projektu
M_K009 Orientuje się w charakterystyce dostępnych systemów CAE i potrafi efektywnie z nich korzystać IN1A_K02, IN1A_K03 Wykonanie projektu
Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Inne
E-learning
Wiedza
M_W001 Zna zasadę działania metody różnic skończonych + - + - - - - - - - -
M_W002 Zna zasadę działania metody elementów skończonych + - + - - - - - - - -
M_W003 Zna metody modelowania sekwenyjncyh i rozproszonych systemów CAD + - + - - - - - - - -
M_W004 Zna metody modelowania sekwencyjnych i rozproszonych systemów CAE + - + - - - - - - - -
M_W005 Zna metody modelowania geometrii w systemach CAD + - + - - - - - - - -
Umiejętności
M_U006 Potrafi rozwiązać problem inżynierski za pomocą metody różnic skończnych + - + - - - - - - - -
M_U007 Potrafi rozwiązać problem inżynierski za pomocą metody elementów skończnych + - + - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K008 Orientuje się w charakterystyce dostępnych bibliotek numerycznych i potrafi efektywnie z nich korzystać + - + - - - - - - - -
M_K009 Orientuje się w charakterystyce dostępnych systemów CAE i potrafi efektywnie z nich korzystać + - + - - - - - - - -
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład:

1. Wprowadzenie do CAD/CAE (2 godz.)
Znaczenie rynku CAD/CAE. Etapy proces projektowo-inżynieryjnego: projektowania geometrii, generacja parametrów materiałowych, generacja siatki obliczeniowej, dyskretyzacja za pomocą metody elementów lub metody różnic skończnych, rozwiązanie układu równań liniowych, analiza dokładności rozwiązania, adaptacje siatki, postprocessing.
2. Wprowadzenie do metod Computer Aided Engineering (obliczeń inżynieryjnych wspomaganych komputerowo). (2 godz.)
Podstawowe metody obliczeniowe. Jednowymiarowa metody różnic skończonych na przykładzie problemu transportu ciepła. Jednowymiarowa metoda elementów skończonych na przykładzie problemu transportu ciepła.
3. Zaawansowane metody Computer Aided Engineering (obliczeń inżynieryjnych wspomaganych komputerowo). (2 godz.)
Uogólnienie metody różnic skończonych na problemy dwu i trójwymiarwoe. Uogólnienie metody elementów skończonych na problemy dwuwymiarowe. Przykładowe zagadnienia dwuwymiarowego transportu ciepła.
4. Wprowadzenie do zagadnień Computer Aided Design (2 godz.).
Definicja B-splajnów oraz NURBS (Non-Uniiform Rational B-Splines) jako wielomianów używanych w systemach AutoCAD do generacji geometrii. Przykłady modelowania obiektów dwu i trój wymiarowych za pomocą B-splajnów oraz NURBS.
5. Wprowadzenie do metod integrowania CAD oraz CAE (2 godz.)
Jednowymiarowa isogeometryczna metoda elementów skończonych. Zmiana zmiennych na element wzorcowy w sformułowaniu wariacyjnych dla jednowymiarowej metody elementów skończonych. Zastosowanie tych samych wielomianów do przybliżania geometrii jak i do rozwiązywania sformułowania wariacyjnego. Przykłady jednowymiarowych izogeometrycznych problemów obliczeniowych
6. Zaawansowane metody integrowania CAD oraz CAE (2 godz.)
Dwuwymiarowa isogeometryczna metoda elementów skończonych. Zmiana zmiennych na element wzorcowy w sformułowaniu wariacyjnych dla dwuwymiarowej metody elementów skończonych. Zastosowanie tych samych wielomianów do przybliżania geometrii jak i do rozwiązywania sformułowania wariacyjnego. Przykłady dwuwymiarowych izogeometrycznych problemów obliczeniowych
7. Wprowadzenie do zastosowania gramatyk grafowych do modelowania systemów CAD (2 godz.).
Podstawowe definicje: Graf kompozycyjny programowalny, gramatyka kompozycyjna programowalna. Wyrażenie procesu generacji dwuwymiarowej siatki obliczeniowej zbudowanej z elementów prostokątnych za pomocą produkcji gramatyki grafowej. Wyrażenie procesu generacji dwuwymiarowej siatki obliczeniowej zbudowanej z elementów trójkątnych za pomocą produkcji gramatyki grafowej. Uogólnienie na skomplikowane geometrie.
8. Zastosowania gramatyk grafowych do modelowania adaptacji siatek obliczeniowych w systemach CAD (2 godz.).
Pojęcia podstawowe: reguły regularności siatki, reguła pojedynczego złamania elementu, reguła minimum. Wyrażenie procesu adaptacji dwuwymiarowej siatki obliczeniowej zbudowanej z elementów prostokątnych za pomocą produkcji gramatyki grafowej. Wyrażenie procesu adaptacji dwuwymiarowej siatki obliczeniowej zbudowanej z elementów trójkątnych za pomocą produkcji gramatyki grafowej.
9. Zaawansowane zastosowania gramatyk grafowych do modelowania systemów CAD (2 godz.).
Wyrażenie procesu generacji trójwymiarowej siatki obliczeniowej zbudowanej z elementów prostopadłościennych za pomocą produkcji gramatyki grafowej. Wyrażenie procesu adaptacji trójwymiarowej siatki obliczeniowej zbudowanej z elementów prostopadłościennych za pomocą produkcji gramatyki grafowej.
10. Wprowadzenie do rozproszonych systemów CAD (2 godz.)
Dekompozycja obszaru geometrycznego na poddziedziny. Algorytmy podziału obszaru geometrycznego: nested disections, Hilbert Space Filling Curve. Biblioteki METIS i ZOLTAN.
11. Balansowanie obciążeń w rozproszonych systemach CAE (2 godz.)
Oszacowania kosztu złożoności dla przetwarzania CAD/CAE. Algorytmy balansowania obciążeń. Problemy balansowania obciążeń podczas wykonywania adaptacji siatki obliczeniowej.
12. Wprowadzenie do zastosowanie sieci Petri w modelowania współbieżnych systemów CAD (2 godz.).
Pojęcia podstawowe: sieć Petri, graf osiągalności, badanie własności sieci Petriego. Zastosowanie programu open source PIPE (Platform Independent Petri net editor).
13. Zastosowanie sieci Petri w modelowania współbieżnych systemów CAD (2 godz.).
Produkcje gramatyki grafowej jako tranzycie sieci Petri. Sieć Petri modelujące generacje dwuwymiarowej siatki obliczeniowej zbudowanej z elementów prostokątnych i trójkątnych. Sieć Petri generujące kolejność eliminacji stopni swobody w dwuwymiarowym algorytmie solwera wielofrontalnego.
14. Zastosowanie sieci Petriego do badania własności współbieżnych systemów CAD (2 godz.).
Sieć Petri modelująca anizotropowe adaptacje siatki dwu i trój wymiarowej. Propagacja adaptacji siatki wynikająca z reguł regularności siatki. Problem deadlocku podczas dwu i trój wymiarowych adaptacjach siatki.

Ćwiczenia laboratoryjne:

1. Zaimplementowanie jednowymiarowej metody różnic skończonych dla zagadnienia transportu ciepła (1 godz.).
2. Łączenie jednowymiarowego kodu obliczeniowego z solwerem MUMPS (1 godz.)..
3. Zaimplementowanie dwuwymiarowej metody różnic skończnych dla zagadnienia transportu ciepła (1 godz.).
4. Łączenie dwuwymiarowego kodu obliczeniowego z solwerem MUMPS (1 godz.)..
5. Zaimplementowanie trójwymiarowej metody różnic skończnych dla zagadnienia transportu ciepła (1 godz.).
6. Łączenie trójwymiarowego kodu obliczeniowego z solwerem MUMPS (1 godz.)..
7. Analiza dokładności rozwiązania za pomocą algorytmu solwera wielofrontalnego MUMPS dla problemów jednowymiarowych (1 godz.).
8. Analiza dokładności rozwiązania za pomocą algorytmu solwera wielofrontalnego MUMPS dla problemów dwuwymiarowych (1 godz.).
9. Analiza dokładności rozwiązania za pomocą algorytmu solwera wielofrontalnego MUMPS dla problemów trójwymiarowych (1 godz.).
10. Modelowania geometrii w systemie hp2d (1 godz.)
11. Generacja siatki obliczeniowej w systemie hp2d (1 godz.)
12. Modelowanie sformułowania wariacyjnego i warunków brzegowych dla zagadnień transportu ciepła w systemie hp2d (1 godz.).
13. Podłączenie solwera MUMPS do systemu hp2d (1 godz.).
14. Analiza dokładności rozwiązania za pomocą algorytmu solwera wielofrontalnego MUMPS dla problemów dwuwymiarowych w systemie hp2d(1 godz.).

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 75 godz
Punkty ECTS za moduł 3 ECTS
Udział w wykładach 28 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 13 godz
Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych 14 godz
Przygotowanie sprawozdania, pracy pisemnej, prezentacji, itp. 20 godz
Pozostałe informacje
Sposób obliczania oceny końcowej:

1. Aby uzyskać pozytywną ocenę końcową niezbędne jest uzyskanie pozytywnej oceny z laboratorium.
2. Podczas laboratorium wykonywane są ćwiczenia z projektowania siatek obliczeniowych, programowania obliczeń w systemie hp2d, wynik każdego laboratorium jest oceniany podczas prowadzącego który weryfikuje poprawność wykonania ćwiczenia (czy kod działa) oraz zrozumienie tematyki przez studenta.
2. Wyznaczmy ocenę końcową na podstawie zależności:
if sr>4.75 then OK:=5.0 else
if sr>4.25 then OK:=4.5 else
if sr>3.75 then OK:=4.0 else
if sr>3.25 then OK:=3.5 else OK:=3
3. Jeżeli pozytywną ocenę z laboratorium uzyskano w pierwszym terminie oraz ocena końcowa jest mniejsza niż 5.0 to ocena końcowa jest podnoszona o 0.5

Wymagania wstępne i dodatkowe:

Znajomość matematyki (równania różniczkowe i różnicowe, elementarna algebra macierzy),
podstawowa znajomość programowania w C/C++

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

1. J. Cottrell, T.J.R.Hughes, Y. Bazilevs, Isogeometric Analysis: Toward Integration of CAD and FEA, 2009
2. Demkowicz L. Computing with hp-Adaptive Finite Elements. Vol. 1: One and Two Dimensional Elliptic and Maxwell Problems, Chapmann & Hall / CRC Press 2006
3. Demkowicz L. Kurtz J., Pardo D., Paszyński M., Rachowicz W., Zdunek A., Computing with hp-Adaptive Finite Elements. Vol. 2: Frontiers: Three Dimensional Elliptic and Maxwell Problems with Applications, Chapmann & Hall / CRC Press 2007

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

1 Maciej Paszynski, Jason Kurtz, Leszek Demkowicz, Parallel Fully Automatic hp-Adaptive 2D Finite Element Package. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 195 (2006) 711-741.
2 Maciej Paszynski, Leszek Demkowicz, Parallel Fully Automatic hp-Adaptive 3D Finite Element Package. Engineering with Computers, 22 (2006) 255-276.
3 Pawel Matuszyk, Maciej Paszynski, Fully automatic hp adaptive finite element method for the Stokes problem in two dimensions. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 197 (2008) 4549-4558.
4 Nathan Collier, David Pardo, Lisandro Dalcin, Maciej Paszynski, Victor Calo, The cost of continuity: A study of the performance of isogeometric finite elements using direct solvers. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 213-216 (2012) 353-361.
5 Maciej Paszynski, Victor Calo, David Pardo, A direct solver with reutilization of previously-computed LU factorizations for h-adaptive finite element grids with point singularities. Computers and Mathematics with
Applications, 65, 8 (2013) 1140-1151.

Informacje dodatkowe:

Brak