Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Advanced materials modeling
Course of study:
2019/2020
Code:
CIMT-2-225-s
Faculty of:
Materials Science and Ceramics
Study level:
Second-cycle studies
Specialty:
-
Field of study:
Materials Science
Semester:
2
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
English
Form and type of study:
Full-time studies
Course homepage:
 
Responsible teacher:
dr hab. inż. Filipek Robert (rof@agh.edu.pl)
Module summary

Fundamental knowledge on phenomenological modelling and numerical methods.
Formulation and solution of selected inverse problems.
Application of COMSOL Multiphysics to solution of selected mass, energy and momentum problems in 1D, 2D and 3D geometries.

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Social competence: is able to
M_K001 Rozumie znaczenie wpływu inżynierii materiałowej na rozwój nowoczesnych technologii. Rozumie potrzebę dokształcania się oraz podnoszenia swoich kompetencji zawodowych i społecznych IMT2A_K01, IMT2A_K03 Activity during classes,
Examination,
Test,
Scientific paper,
Completion of laboratory classes
Skills: he can
M_U001 Potrafi komunikować się w języku matematyki ze specjalistami z różnych dziedzin, w tym także z przemysłu. IMT2A_U04 Activity during classes,
Examination,
Test,
Scientific paper,
Involvement in teamwork
Knowledge: he knows and understands
M_W001 Ma poszerzoną wiedzę w zakresie matematyki wyższej obejmującą: m.in. równania różniczkowe zwyczaje i cząstkowe, istnienie i jednoznaczność problemów początkowych, brzegowych oraz początkowo-brzegowych, zagadnienia optymalizacji oraz metody ich rozwiązywania IMT2A_W01 Activity during classes,
Examination,
Test,
Scientific paper
M_W002 Ma wiedzę nt. technik i narzędzi programowania z wykorzystaniem programowania równoległego, wykorzystania maszyn wieloprocesorowych, klastrów obliczeniowych i innych zaawansowanych technik obliczeniowych. Ma poszerzoną wiedzę w zakresie metod obliczeniowych i narzędzi informatycznych niezbędnych do projektowania materiałów i modelowania procesów. IMT2A_W02 Activity during classes,
Examination,
Test,
Scientific paper
Number of hours for each form of classes:
Sum (hours)
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
30 15 0 0 0 0 15 0 0 0 0 0
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
Social competence
M_K001 Rozumie znaczenie wpływu inżynierii materiałowej na rozwój nowoczesnych technologii. Rozumie potrzebę dokształcania się oraz podnoszenia swoich kompetencji zawodowych i społecznych + - - - - + - - - - -
Skills
M_U001 Potrafi komunikować się w języku matematyki ze specjalistami z różnych dziedzin, w tym także z przemysłu. + - - - - + - - - - -
Knowledge
M_W001 Ma poszerzoną wiedzę w zakresie matematyki wyższej obejmującą: m.in. równania różniczkowe zwyczaje i cząstkowe, istnienie i jednoznaczność problemów początkowych, brzegowych oraz początkowo-brzegowych, zagadnienia optymalizacji oraz metody ich rozwiązywania + - - - - + - - - - -
M_W002 Ma wiedzę nt. technik i narzędzi programowania z wykorzystaniem programowania równoległego, wykorzystania maszyn wieloprocesorowych, klastrów obliczeniowych i innych zaawansowanych technik obliczeniowych. Ma poszerzoną wiedzę w zakresie metod obliczeniowych i narzędzi informatycznych niezbędnych do projektowania materiałów i modelowania procesów. + - - - - + - - - - -
Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 60 h
Module ECTS credits 2 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 30 h
Preparation for classes 10 h
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 5 h
Realization of independently performed tasks 8 h
Examination or Final test 2 h
Contact hours 5 h
Module content
Lectures (15h):

1) Selected ordinary and partial differential equations used in design and technology of materials.

2) Mass, energy and momentum balance equations. Constitutive equations. Initial and boundary conditions.

3) Steady-state and non-steady-state (evolutional) problems.

4) Specialized software for solving of mass, energy and momentum transport.

5) Numerical methods of solving of boundary and initial-boundary-value problems in materials science (finite difference method, method of lines, finite element methods, finite volume method).

6) Inverse problems and optimization tasks in materials science and methods of theirs solving.

7) Specialized software for solving inverse problems and optimization.

8) Methods and tools of parallel programming. Use of multiprocessor computers, clusters and advanced computer techniques for solving problems in materials science.

Seminar classes (15h):

Solutions of selected problems in materials science using specialized software: Comsol Multiphysics, Matlab, C/C++, VBA Excel in 1D, 2D i 3D geometries: gradient materials, ion-selective membranes, carbonation of steel, corrosion of rebars in concrete, ionic channels, optimization of furnace lining geometry bazed on thermocouple readings, diffusion soldering of electronic materials.

Additional information
Teaching methods and techniques:
  • Lectures: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji multimedialnej w połączeniu z klasycznym wykładem tablicowym wzbogaconymi o pokazy odnoszące się do prezentowanych zagadnień.
  • Seminar classes: Na zajęciach seminaryjnych podstawą jest prezentacja multimedialna oraz ustna prowadzona przez studentów. Kolejnym ważnym elementem kształcenia są odpowiedzi na powstałe pytania, a także dyskusja studentów nad prezentowanymi treściami.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

The necessary conditions for obtaining the course credit are:
1. Presence at least 75% of lectures
2. Obtaining a grade of at least 3.0 from the seminar

Participation rules in classes:
  • Lectures:
    – Attendance is mandatory: No
    – Participation rules in classes: Studenci uczestniczą w zajęciach poznając kolejne treści nauczania zgodnie z syllabusem przedmiotu. Studenci winni na bieżąco zadawać pytania i wyjaśniać wątpliwości. Rejestracja audiowizualna wykładu wymaga zgody prowadzącego.
  • Seminar classes:
    – Attendance is mandatory: Yes
    – Participation rules in classes: Studenci prezentują na forum grupy temat wskazany przez prowadzącego oraz uczestniczą w dyskusji nad tym tematem. Ocenie podlega zarówno wartość merytoryczna prezentacji, jak i tzw. kompetencje miękkie.
Method of calculating the final grade:

0.6*exam_note+0.4*seminar_note

Sposób i tryb wyrównywania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:

Each case will be discussed individually.

Prerequisites and additional requirements:

Basic skills in C/C++, VBA programing.

Recommended literature and teaching resources:

1. M. Rappaz, M. Bellet, M. Deville, Numerical Modeling In Materials Science and Engineering, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003
2. R.L. Burden, J.D. Faires, Numerical Analysis third edition, Prindle, Weber & Schmidt, Boston 1988.
3. A. Quarterioni, Numerical Models for Differential Problems, Springer 2009.
4. M.E. Glicksman, Diffusion in Solids, JohnWiley & Sons 2000.
5. D. Britz, Digital Simulation in Electrochemistry, Springer, 3rd Ed. 2005.
6. E.B. Tadmor, R.E. Miller, R.S. Elliott, MContinuum Mechanics and Thermodynamics: From Fundamental Concepts to Governing Equations, Cambridge University Press 2012.
7. H.P. Langtangen, Computational Partial Differential Equations, Springer; 2nd Ed. 2003.
8. P. Šolin, Partial Differential Equations and Finite Element Method, Wiley-Interscience, 2006.
9. P. A. Nikrityuk, Computational Thermo-Fluid Dynamics, in Materials Science and Engineering,Wiley-VCH 2011.
10. R. Filipek, Modeling and inverse methods in materials engineering, Wydawnictwo Naukowe AKAPIT, Kraków, 2019.

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

1. R. Filipek, “Interdiffusion in Multi-Component Systems Showing Variable Intrinsic Diffusivities”, Solid State Phenomena, 72, (2000), 165-170.
2. B. Bożek, R. Filipek, K. Holly, C.Mączka, “Distribution of Temperature in Three-Dimmensional Solids”, Opuscula Mathematica, 20, (2000) 27-40.
3. J. Nowacki, M. Danielewski, R. Filipek, “Brazed joints evaluation and computer modelling of mass transport in multi-component systems in the AuNi solder-14-5 PH joints”, J. Mat. Proc. Techn., 157-158, (2004), 213-220.
4. J. J. Jasielec, R. Filipek, K. Szyszkiewicz, J. Fausek, M. Danielewski, A. Lewenstam, „Computer simulations of electrodiffusion problems based on Nernst-Planck and Poisson equations”, Computational Materials Science, 63, (2012),75–90.
5. A. Wierzbicka-Miernik, K. Miernik, J. Wojewoda-Budka, K. Szyszkiewicz, R. Filipek, L. Litynska-Dobrzyńska, A. Kodentsov, P. Zięba, „Growth kinetics of the intermetallic phase in diffusion-soldered Cu-5 at.%Ni/Sn/Cu-5 at.%Ni interconnections, Materials Chemistry and Physics, 142 (2–3), (2013), 682–685.
6. K. Szyszkiewicz, J. J. Jasielec, M. Danielewski, A. Lewenstam, R. Filipek, “Modeling of Electrodiffusion Processes from Nano to Macro Scale”, Journal of The Electrochemical Society, 164 (11), (2017), E3559–E3568.
7. R. Filipek, Modeling and inverse methods in materials engineering, Wydawnictwo Naukowe AKAPIT, Kraków, 2019.

Additional information:

None