Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Modelowanie w technologii materiałów
Tok studiów:
2016/2017
Kod:
MME-1-705-s
Wydział:
Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Metalurgia
Semestr:
7
Profil kształcenia:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma i tryb studiów:
Stacjonarne
Osoba odpowiedzialna:
Pietrzyk Maciej (Maciej.Pietrzyk@agh.edu.pl)
Osoby prowadzące:
Pernach Monika (pernach@agh.edu.pl)
Pietrzyk Maciej (Maciej.Pietrzyk@agh.edu.pl)
Krótka charakterystyka modułu

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 i rozumie zjawiska fizyczne związane z transportem masy energii i pędu, rozkładami naprężeń i odkształceń ME1A_W01 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Udział w dyskusji
M_W002 Zna etapy tworzenia modeli numerycznych oraz metody, techniki i narzędzia przeznaczone do ich realizacji ME1A_W19 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Udział w dyskusji
M_W003 Ma poszerzoną i pogłębioną wiedzę na temat wybranych procesów fizycznych ME1A_W10, ME1A_W08, ME1A_W09 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Udział w dyskusji
Umiejętności
M_U001 Potrafi wybrać najlepsze dla danego procesu rozwiązanie numeryczne i na tej podstawie przygotować, wykonać oraz zweryfikować model ME1A_U07, ME1A_U19 Aktywność na zajęciach,
Wykonanie projektu
M_U002 Potrafi dokonać krytycznej analizy, poprawnie zinterpretować wyniki symulacji i prawidłowo je zaprezentować ME1A_U03 Aktywność na zajęciach,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Kompetencje społeczne
M_K001 Potrafi zaplanować pracę zespołową i rozdzielić zadania oraz oszacować czas realizacji ME1A_K04 Aktywność na zajęciach,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
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 i rozumie zjawiska fizyczne związane z transportem masy energii i pędu, rozkładami naprężeń i odkształceń + - - - - - - - - - -
M_W002 Zna etapy tworzenia modeli numerycznych oraz metody, techniki i narzędzia przeznaczone do ich realizacji + - - - - - - - - - -
M_W003 Ma poszerzoną i pogłębioną wiedzę na temat wybranych procesów fizycznych + - - - - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Potrafi wybrać najlepsze dla danego procesu rozwiązanie numeryczne i na tej podstawie przygotować, wykonać oraz zweryfikować model + - + - - - - - - - -
M_U002 Potrafi dokonać krytycznej analizy, poprawnie zinterpretować wyniki symulacji i prawidłowo je zaprezentować + - + - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Potrafi zaplanować pracę zespołową i rozdzielić zadania oraz oszacować czas realizacji - - + - - - - - - - -
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład:
  1. Wykład 1. Zadania modelowania procesów fizycznych

    Cel:
    Poznanie procesów przetwórstwa materiałów oraz zrozumienie roli modelowania w ich projektowaniu.

    • Materiały inżynierskie i ich własności (metale, ceramika, szkło, polimery, elastomery, kompozyty)
    • Klasyfikacja procesów przetwórstwa materiałów (Odlewanie, Walcowanie, Kucie, Ciągnienie, Tłoczenie, Tiksoforming, Hydroforming, itp.)
    • Rola modelowania w projektowaniu nowych materiałów i przetwórstwa materiałów

  2. Wykład 2. Od modelu fizycznego do modelu numerycznego – część I.

    Cel:
    Poznanie etapów realizacji modelowania numerycznego.

    • Klasyfikacja modeli ze względu na różne kryteria (wymiar, obszar, modelowana wielkość itp.)
    • Modele dynamiczne i statyczne, modele stacjonarne i niestacjonarne, modele o parametrach skupionych i rozłożonych.
    • Konstrukcja różnych siatek obliczeniowych.
    • Uproszczenia stosowane w modelowaniu (redukcja wymiarów, analiza wrażliwości, zaniedbywanie nieznaczących czynników itp.)

  3. Wykład 3. Od modelu fizycznego do modelu numerycznego – część II.

    Cel:
    Poznanie etapów realizacji modelowania numerycznego.

    • Model fizyczny – model obliczeniowy – model matematyczny.
    • Problem kontinuum i wstęp do homogenizacji.
    • Kalibracja i skalowanie modelu.
    • Obliczenia i weryfikacja wyników.
    • Dobór algorytmu obliczeniowego do rozwiązywanego zjawiska (stabilność numeryczna, kryteria stabilności)
    • Modelowanie proste i odwrotne

  4. Wykład 4. Opis stanu naprężenia i stanu odkształcenia w numerycznym modelowaniu i sformułowanie problemu w formie równania różniczkowego cząstkowego

    Cel:
    Opanowanie podstawowych definicji z zakresu teorii sprężystości oraz zrozumienie zjawisk związanych z rozkładami naprężeń i odkształceń w materiale. Zrozumienie problemu definicji naprężeń i odkształceń w modelowaniu rzeczywistych materiałów.

    • Próba rozciągania jako narzędzie interpretacji zachowania się odkształcanego materiału (miary odkształcenia i naprężenia, model Hollomona, kryterium Considere’a, własności wytrzymałościowe i plastyczne oraz ich miary)
    • Definicja i rodzaje naprężeń, definicja naprężeń w aspekcie kontinuum, ciągłość materiału, idea wieloskalowości
    • Niezmienniki tensora naprężeń i ich rola w modelowaniu procesów fizycznych
    • Miary odkształcenia oraz sformułowanie Lagrange’a i Eulera opisu kinetyki odkształcenia
    • Interpretacja odkształceń na przykładzie problemu dwuwymiarowego.
    • Tensor odkształceń skończonych, tensor deformacji Greena (Cauchy’ego) i tensor odkształceń nieskończenie małych
    • Równania równowagi naprężeń.
    • Przepływ cieczy, równania Naviera-Stokesa

  5. Wykład 5. Numeryczne sformułowanie problemu transportu ciepła i masy

    Cel:
    Pogłębienie wiedzy na temat zjawisk związanych z transportem masy energii i pędu oraz metod rozwiązywania równań, które opisują pole wielkości skalarnej.

    • Prawo Fouriera i prawo Ficka
    • Równanie transportu ciepła lub masy.
    • Metody przejścia od równania różniczkowego cząstkowego do postaci całkowej: metoda wariacyjna, metoda ważonych residuum.
    • Własności termofizyczne materiałów, sposoby ich wyznaczania i wprowadzania do modeli numerycznych.
    • Warunki brzegowe dla równania transportu ciepła lub masy: Dirichleta, Neumanna, Fouriera

  6. Wykład 6. Numeryczne sformułowanie problemu z teorii plastyczności i przepływów

    Cel:
    Opanowanie podstawowych definicji z zakresu teorii plastyczności oraz metod znajdowania przybliżonych rozwiązań równań różniczkowych, które opisują pole wielkości wektorowej

    • Teoria odkształceniowa i teoria plastycznego płynięcia.
    • Kryteria plastyczności.
    • Twierdzenie Greena, twierdzenie Ostrogradskiego, pochodna całki względem czasu, pochodna materiałowa funkcji skalarnej, funkcji wektorowej i tensora, prawo zachowania masy, zasada stałej objętości, prawo zachowania momentu pędu
    • Metody przejścia od równania różniczkowego cząstkowego do postaci całkowej: metoda wariacyjna, metoda ważonych residuum,
    • Zasada pracy wirtualnej, zasada ekstremum
    • Rodzaje warunków brzegowych. Warunki brzegowe dla równań równowagi naprężeń: Dirichleta, Neumanna.

  7. Wykład 7. Prawa konstytutywne – prawa plastycznego płynięcia

    Cel:
    Opanowanie podstawowych równań z zakresu teorii plastycznego płynięcia i zasady ich uwzględnienia w modelach numerycznych jako prawa konstytutywne.

    • Potencjał plastyczny
    • Sprężysto-plastyczne prawo plastycznego płynięcia Prandtla-Reussa
    • Prawo plastycznego płynięcia Levy-Misesa
    • Lepkoplastyczne prawo plastycznego płynięcia Nortona-Hoffa

  8. Wykład 8. Możliwości zastosowania i ograniczenia metod numerycznych – część I

    Cel:
    Poznanie etapów tworzenia modeli numerycznych oraz metod, technik i narzędzi przeznaczonych do ich realizacji. Zdobycie wiedzy na temat możliwości zastosowania komercyjnych programów w modelowaniu procesów fizycznych
    • Konstrukcja różnych siatek obliczeniowych.
    • Definiowanie warunków brzegowych i początkowych.
    • Schematy całkowania po czasie
    • Metoda różnic skończonych
    • Metoda elementów skończonych
    • Przegląd programów komercyjnych służących do rozwiązywania problemów inżynierskich (Abakus, Adina, Forge, Matlab, itp.)

  9. Wykład 9. Możliwości zastosowania i ograniczenia metod numerycznych – część II

    Cel:
    Poznanie historycznych etapów tworzenia modeli numerycznych oraz metod, technik i narzędzi przeznaczonych do ich realizacji. Ocena kosztów obliczeń i możliwości obliczeniowych różnych modeli.

    • Metoda różniczkowego równania równowagi
    • Metoda górnej oceny
    • Klasyfikacja modeli w aspekcie kosztów obliczeń i możliwości obliczeniowych
    • Zasady doboru najlepszego modelu do rozwiązywanego problemu

  10. Wykład 10. Modele reologiczne materiałów – część I ciała stałe

    Cel:
    Poznanie modeli reologicznych ciał stałych, ich możliwości stosowania i ograniczeń.

    • Prawo konstytutywne a model reologiczny
    • Model zmiennych wewnętrznych
    • Modele reologiczne szkła, pełzanie, relaksacja naprężeń
    • Modele reologiczne polimerów
    • Próby plastometryczne i ich interpretacja
    • Analiza wrażliwości i odwrotna

  11. Wykład 11. Modele reologiczne materiałów – część II materiały niemetaliczne

    Cel:
    Poznanie cech charakterystycznych modeli reologicznych materiałów niemetalicznych, ich możliwości stosowania i ograniczeń.

    • Modele reologiczne tworzyw sztucznych
    • Modele materiałów stosowane w geologii

  12. Wykład 12. Modele reologiczne materiałów – część III płyny

    Cel:
    Poznanie modeli reologicznych płynów, ich możliwości stosowania i ograniczeń. Poznanie istotnych dla modelowania parametrów przepływu cieczy.

    • Lepkość jako podstawowa własność cieczy, ciecz newtonowska i nienewtonowska.
    • Przepływ laminarny i zjawisko turbulencji, modele turbulencji.
    • Przepływ zawiesin, zjawisko tiksotropii

  13. Wykład 13. Modele własności użytkowych materiałów

    Cel: Zdobycie wiedzy na temat możliwości przewidywania przez modele numeryczne różnych własności użytkowych materiałów.

    • Kryteria pękania
    • Kryteria zmęczeniowe
    • Odporność na ścieranie i zużycie narzędzi w wyniku ścierania i w wyniku zmęczenia materiału
    • Modele innych własności użytkowych materiałów
    • Wprowadzenie modeli własności użytkowych materiałów do modeli numerycznych

  14. Wykład 14. Modele przemian w ciałach stałych

    Cel:
    Poznanie modeli numerycznych przemian w ciałach stałych oraz zdobycie wiedzy o trendach rozwojowych i nowych osiągnięciach z zakresu numerycznego modelowania procesów.

    • Modelowanie przemian fazowych
    • Równanie Avrami’ego, teoria addytywności
    • Metoda pola faz
    • Równanie Halla-Petcha
    • Włączenie modeli rozwoju mikrostruktury i przemian fazowych do modeli numerycznych procesów fizycznych
    • Metoda Monte Carlo
    • Metoda dynamiki molekularnej i pochodne
    • Metoda gazu siatkowego
    • Algorytmy genetyczne i metody inspirowane naturą.

Ćwiczenia laboratoryjne:

W ramach ćwiczeń laboratoryjnych wykonywane będą symulacje numeryczne wybranych procesów fizycznych w środowisku Matlab

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 129 godz
Punkty ECTS za moduł 5 ECTS
Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych 28 godz
Przygotowanie do zajęć 20 godz
Wykonanie projektu 25 godz
Udział w wykładach 28 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 25 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 3 godz
Pozostałe informacje
Sposób obliczania oceny końcowej:

Ocena z laboratorium stanowi średnią arytmetyczna z ocen za sprawozdania z poszczególnych ćwiczeń uwzględniających aktywność studenta na zajęciach oraz wykazanie się wiedzą przekazywaną na wykładach.
Ocena końcowa obliczana jest jako średnia ważona oceny z laboratorium (40%) i egzaminu (60%)

Wymagania wstępne i dodatkowe:

Zgodnie z Regulaminem Studiów AGH podstawowym terminem uzyskania zaliczenia jest ostatni dzień zajęć w danym semestrze. Termin zaliczenia poprawkowego (tryb i warunki ustala prowadzący moduł na zajęciach początkowych) nie może być późniejszy niż ostatni termin egzaminu w sesji poprawkowej (dla przedmiotów kończących się egzaminem) lub ostatni dzień trwania semestru (dla przedmiotów niekończących się egzaminem).

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

Literatura:

Griebel M., Knapek S., Zumbusch G. Numerical Simulation in Molecular Dynamics. Springer 2007.
Kincaid D., Cheney W., Analiza numeryczna, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2010
Milenin A., Podstawy metody elementów skończonych – zagadnienia termomechaniczne, Wydawnictwa AGH, Kraków, 2010.
Pietrzyk M., Metody numeryczne w przeróbce plastyczne metali, skrypt AGH 1303, Kraków, 1992
Kuziak R., Modelowanie zmian struktury i przemian fazowych zachodzących w procesach obróbki cieplno-plastycznej stali, IMŻ Gliwice, 2005.
Kędzierski Z., Przemiany fazowe w układach skondensowanych, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków, 2003
Skrzat A. Modelowanie liniowych i nieliniowych problemów mechaniki ciała stałego i przepływów ciepła w programie ABAQUS, Oficyna Wyd. Politechniki Rzeszowskiej, 2010

Pomoce naukowe:
Środowisko obliczeniowe MATLAB (dostęp w pracowniach komputerowych)
Abaqus – Licencja systemu w ACK CYFRONET AGH

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

1. Pietrzyk M., Kusiak J., Kuziak R., Madej Ł., Szeliga D., Gołąb R., Conventional and multiscale modelling of microstructure evolution during laminar cooling of DP steel strips, Metallurgical and Materials Transactions B, 46B, 2014, 497-506.
2. Madej Ł., Szyndler J., Trębacz L., Pietrzyk M., Numerical modelling of manufacturing of lightweight components – selected issues, Procedia CIRP 18, 2014, 232 – 237.
3. Pernach M., Bzowski K., Pietrzyk M., Numerical modelling of phase transformation in DP steel after hot rolling and laminar cooling, Journal for Multiscale Computational Engineering, 12, 2014, 397–410.
4. Kusiak J., Sztangret Ł., Pietrzyk M., Effective strategies of metamodelling of industrial metallurgical processes, Advances in Engineering Software, 89, 2015, 90-97.
5. Milenin I., Pernach M., Pietrzyk M., Application of the control theory for modelling austenite-ferrite phase transformation in steels, Computer Methods in Materials Science, 15, 2015, 327-335.

Pozostałe publikacje znajdują się na stronie: http://www.bpp.agh.edu.pl/

Informacje dodatkowe:

Brak