Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Komputerowe wspomaganie w Inżynierii Materiałowej
Course of study:
2019/2020
Code:
MIMT-2-102-s
Faculty of:
Metals Engineering and Industrial Computer Science
Study level:
Second-cycle studies
Specialty:
-
Field of study:
Materials Science
Semester:
1
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Course homepage:
 
Responsible teacher:
dr hab. inż. Filipek Robert (rof@agh.edu.pl)
Module summary

Potrafi: sformułować model bazujący na równaniach transportu masy, energii i pędu oraz zastosować odpowiednie równania konstytutywne, warunki początkowe i brzegowe dla opisu wybranych technologii otrzymywania materiałów; sformułować i rozwiązać wybrane zagadnienia odwrotne i na tej podstawie wyznaczyć współczynniki dyfuzji i przewodzenia ciepła; wykorzystać metody numeryczne oraz dobrać odpowiednie narzędzia komputerowe do rozwiązywania zagadnień technicznych i opracowania wyników badań.

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, a w szczególności modelowania na rozwój nowoczesnych technologii. Prawidłowo interpretuje i rozstrzyga problemy technologiczne z wykorzystaniem technik obliczeniowych. IMT2A_K03 Completion of laboratory classes,
Project,
Test,
Activity during classes
Skills: he can
M_U001 Potrafi wykorzystać metody matematyczne oraz dobrać odpowiednie narzędzia komputerowe do rozwiązywania zagadnień technicznych i opracowania wyników badań IMT2A_U02 Completion of laboratory classes,
Project,
Test,
Activity during classes
M_U002 Potrafi sformułować model bazujący na równaniach bilansu masy, energii i pędu oraz zastosować odpowiednie równania konstytutywne, warunki początkowe i brzegowe dla opisu wybranych technologii otrzymywania materiałów. Potrafi stosować techniki przetwarzania obrazu do analizy struktur materiałów. IMT2A_U04 Completion of laboratory classes,
Project,
Test,
Activity during classes
Knowledge: he knows and understands
M_W001 Ma poszerzoną wiedzę w zakresie matematyki wyższej obejmującą: m.in. wybrane równania różniczkowe zwyczaje i cząstkowe opisujące procesy transportu, istnienie i jednoznaczność problemów początkowych, brzegowych oraz początkowo-brzegowych, zagadnienia optymalizacji oraz metody ich rozwiązywania. IMT2A_W01 Project,
Completion of laboratory classes,
Test,
Activity during classes
M_W002 Ma wiedzę nt. technik i narzędzi programowania z wykorzystaniem programowania równoległego, wykorzystania maszyn wieloprocesorowych, klastrów obliczeniowych i innych zaawansowanych technik obliczeniowych. IMT2A_W02 Completion of laboratory classes,
Project,
Test,
Activity during classes
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
60 30 0 0 30 0 0 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, a w szczególności modelowania na rozwój nowoczesnych technologii. Prawidłowo interpretuje i rozstrzyga problemy technologiczne z wykorzystaniem technik obliczeniowych. + - - + - - - - - - -
Skills
M_U001 Potrafi wykorzystać metody matematyczne oraz dobrać odpowiednie narzędzia komputerowe do rozwiązywania zagadnień technicznych i opracowania wyników badań + - - + - - - - - - -
M_U002 Potrafi sformułować model bazujący na równaniach bilansu masy, energii i pędu oraz zastosować odpowiednie równania konstytutywne, warunki początkowe i brzegowe dla opisu wybranych technologii otrzymywania materiałów. Potrafi stosować techniki przetwarzania obrazu do analizy struktur materiałów. + - - + - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Ma poszerzoną wiedzę w zakresie matematyki wyższej obejmującą: m.in. wybrane równania różniczkowe zwyczaje i cząstkowe opisujące procesy transportu, 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. + - - + - - - - - - -
Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 145 h
Module ECTS credits 5 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 60 h
Preparation for classes 40 h
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 10 h
Realization of independently performed tasks 30 h
Contact hours 5 h
Module content
Lectures (30h):

1. Modelowanie fenomenologiczne w inżynierii materiałów (2h)
Ośrodek ciągły. Prawa zachowania masy, energii i pędu. Równania konstytutywne. Warunki początkowe i brzegowe. Zagadnienia z ruchomym brzegiem.

2. Wybrane modele w inżynierii materiałów I (2h)
Transport chlorków w materiałach cementowych i ich wpływ na czas eksploatacji i bezpieczeństwo użytkowania konstrukcji żelbetowych. Łączenie materiałów w elektronice metodą lutowania dyfuzyjnego. Limit detekcji elektrod jonoselektywnych stosowanych w analizie klinicznej i ochronie środowiska.

3. Wybrane modele w inżynierii materiałów II (2h)
Wyznaczenie zużycia wyłożenia gara wielkiego pieca na podstawie pomiarów temperatury. Wyznaczenie przepuszczalności mikroporowatych materiałów węglowych na podstawie prawa Darcy’ego oraz rozwiązania równań mechaniki płynów z uwzględnieniem rzeczywistej struktury porowatej materiału. Optymalizacja parametrów metody SHS wytwarzania zaawansowanych ceramicznych materiałów funkcjonalnych.

4. Metody numerycznego rozwiązywania problemów w inżynierii materiałów (2h)
Metoda elementów skończonych: i) dla problemów stacjonarnych (na przykładzie transportu ciepła), ii) Dla problemów niestacjonarnych (na przykładzie transportu masy) – metoda Galerkina. Triangulacja obszarów 1D, 2D i 3D. Dobór kroku czasowego. Błędy w obliczeniach numerycznych.

5. Metody odwrotne w inżynierii materiałów (2h)
Sformułowanie problemu odwrotnego. Metody optymalizacji funkcji wielu zmiennych. Wyznaczanie współczynników transportowych dla problemów transportu masy i ciepła. Wyznaczanie geometrii obszaru na podstawie pomiarów temperatury (optymalizacja topologiczna).

6. Wykorzystanie maszyn wieloprocesorowych, klastrów obliczeniowych i zaawansowanych technik obliczeniowych (programowanie równoległe) w inżynierii materiałów (2h)
Wizyta w centrum obliczeniowym ACK Cyfronet AGH.

7. Sieci neuronowe w inżynierii materiałów (2h)
Wielowarstwowe sieci neuronowe i algorytmy uczenia się. Wykorzystanie sieci neuronowych do wyliczania parametrów procesów i właściwości fizykochemicznych materiałów.

8. Podstawy przetwarzania obrazu (3h)
Zapis obrazu cyfrowego, próbkowanie i kwantyzacja. Podstawowe przekształcenia poziomów szarości. Operacje na histogramach. Przekształcenia obrazów w wykorzystaniem operacji arytmetycznych i logicznych. Podstawy filtrowania obrazów. Filtry liniowe i statystyczne. Filtrowanie w dziedzinie częstotliwości. Typy szumów na obrazach i ich filtrowanie. Przetwarzanie obrazów w różnych modelach kolorów.

9. Wykorzystanie aplikacji w analizie obrazów (3h)
Podstawy obsługi. Wykorzystanie dodatkowych bibliotek. Matlab, Octave, ImageJ, GIMP

10. Ilościowa analiza obrazów (2h)
Detekcja nieciągłości na obrazach. Metody segmentacji obrazów. Opis elementów obrazów za pomocą deskryptorów. Deskryptory granic i tekstur. Deskryptory relacyjne. Analiza struktur w inżynierii materiałowej (detekcja ziaren faz, detekcja węglików, klasyfikacja, rozkład wielkości, orientacja)

11. Technika poszerzania głębi ostrości focus stacking (2h)

12. Zastosowanie programu Microsoft Excel do obliczeń inżynierskich (2h)
Podstawy języka VBA, automatyzacja obliczeń przy wykorzystaniu języka VBA, rejestracja makropoleceń. Tworzenie funkcji i procedur w VBA.

13. Zastosowanie programu Microsoft Excel do obliczeń inżynierskich (2h)
Numeryczne obliczanie całek oznaczonych – metoda prostokątów, metoda trapezów, metoda Simpsona.

14. Zastosowanie programu Microsoft Excel do obliczeń inżynierskich (2h)
Obliczanie hartowności stali. Obliczanie grubości warstwy nawęglonej.

Project classes (30h):

1. Transport chlorków w materiałach cementowych i ich wpływ na czas eksploatacji i bezpieczeństwo użytkowania konstrukcji żelbetowych (4h).
Model dyfuzyjny transportu chlorków. Model dyfuzyjno-reakcyjny z uwzględnieniem chlorków swobodnych i związanych. Zagadnienie odwrotne i wyznaczanie współczynników dyfuzji i parametrów kinetycznych wiązania chlorków.

2. Łączenie materiałów w elektronice metodą lutowania dyfuzyjnego (2h).
Model wzrostu warstw międzymetalicznych dla wybranych układów materiał lutowany/lutowie. Rozwiązanie problemu z ruchomym brzegiem. Sformułowanie zagadnienia odwrotnego i wyznaczenie współczynników dyfuzji reakcyjnej.

3. Limit detekcji elektrod jonoselektywnych stosowanych w analizie klinicznej i ochronie środowiska (4h).
Model transportu jonów w membranach jonoselektywnych typu ion-exchange i neutral-carrier (strumień Nernsta–Plancka, dyfuzja + elektro-migracja, warunki brzegowe Changa–Jaffégo). Obliczenia krzywych kalibracji oraz wyznaczenie limitu detekcji elektrod jonoselektywnych.

4. Wyznaczenie zużycia wyłożenia gara wielkiego pieca na podstawie pomiarów temperatury (2h).
Model transportu ciepła w geometrii 2D. Sformułowanie i rozwiązanie problemu optymalizacji topologicznej na przykładzie wyznaczania geometrii brzegu w oparciu o pomiary temperatury.

5. Optymalizacja parametrów metody SHS wytwarzania zaawansowanych ceramicznych materiałów funkcjonalnych (2h).
Model procesu samorozwijającej się syntezy wysokotemperaturowej (SHS) (transport ciepła w próbce oraz otoczeniu, równania dynamiki gazu w komorze reakcyjnej, kinetyka reakcji SHS, warunki brzegowe uwzględniające konwekcję i promieniowanie). Symulacje w geometrii 3D. Sformułowanie zagadnienia odwrotnego i wyznaczenie parametrów kinetycznych reakcji SHS.

6. Kolokwium z zakresu modelowania procesów (2h).

7. Przetwarzanie obrazów mikroskopowych zgładów metalograficznych stali (2h)
Detekcja składników strukturalnych na obrazach uzyskanych za pomocą mikroskopu świetlnego.

8. Poszerzanie głębi ostrości (focus stacking) (2h)
Wykorzystanie metody poszerzania głębi ostrości dla próbek metalograficznych o zaokrąglonych krawędziach.

9. Analiza obrazów materiałów ceramicznych (2h).
Badanie rozkładu wielkości ziaren w materiale ceramicznym.

10. Rentgenowska tomografia komputerowa materiałów ogniotrwałych.
Przetwarzanie zbioru obrazów uzyskanych z tomografii komputerowej w celu wizualizacji 3D struktury porów.

11. Zastosowanie podprogramów Visual Basic w arkuszu kalkulacyjnym do obliczeń inżynierskich (2h).

12. Numeryczne rozwiązywanie całek oznaczonych i równań różniczkowych (2h)

13. Analiza numeryczna hartowności stali oraz wyznaczanie profilu warstwy nawęglonej (2h).

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.
  • Project classes: Studenci wykonują zadany projekt samodzielnie, bez większej ingerencji prowadzącego. Ma to wykształcić poczucie odpowiedzialności za pracę w grupie oraz odpowiedzialności za podejmowane decyzje.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

Warunkami koniecznymi uzyskania zaliczenia są:
1. Uzyskanie oceny co najmniej 3.0 z ćwiczeń projektowych
2. Uzyskanie oceny co najmniej 3.0 z kolokwium obejmującego treści wykładów

Participation rules in classes:
  • Lectures:
    – Attendance is mandatory: Yes
    – 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.
  • Project classes:
    – Attendance is mandatory: Yes
    – 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.
Method of calculating the final grade:

Podstawą oceny przedmiotu jest ocena uzyskana z ćwiczeń projektowych. Ocena z projektu uwzględnia: wyniki kolokwiów, oceny z projektów oraz ocenę za aktywność studenta na zajęciach.

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

Wszystkie nieobecności na zajęciach projektowych student winien odrobić. Sposób odrabiania zajęć ustala prowadzący indywidualnie ze studentem. Maksymalna liczba zajęć, które student może odrabiać wynosi 2.

Prerequisites and additional requirements:

Student powinien posiadać podstawową wiedzę z zakresu inżynierii materiałowej oraz ukończone kursy podstawowe z matematyki, fizyki, chemii i technologii informacyjnych.

Recommended literature and teaching resources:

1. R. Filipek, Modeling and inverse methods in materials engineering, Wydawnictwo Naukowe AKAPIT, Kraków, 2019.
2. R. Filipek, K. Szyszkiewicz-Warzecha, Metody matematyczne dla ceramików, AGH, Kraków, 2013.
3. M. Rappaz, M. Bellet, M. Deville, R. Snyder, Numerical Modelling in Materials Science and Engineering, Springer 2003.
4. A. Quarterioni, Numerical Models for Differential Problems, Springer 2009.
5. J. Taler, P. Duda, Rozwiązywanie prostych I odwrotnych zagadnień przewodzenia ciepła, WNT 2003.
6. J. Korol: Excel krok po kroku, WYd. Mikom, 1995.
7. K. Przybyłowicz: Metaloznawstwo, WNT, Warszawa, 1992.
8. J.C. Russ, The image processing Handbook – 5th edition, Wyd. CRC Press Taylor & Francis Group, 2007.
9. F.Y. Shih, Image processing and pattern recognition: fundamentals and techniques, Wyd. IEEE Press, Hoboken: John Wiley & Sons, 2010.
10. R. Tadeusiewicz, M. Flasiński, Rozpoznawanie obrazów, Wyd. Współczesna Nauka i Technika, Informatyka, PWN, W-wa 2000.
11. Z. Wróbel, R. Koprowski, Praktyka przetwarzania obrazów z zadaniami w programie Matlab, Wyd. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, 2008.

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

1. R. Filipek, Modeling and inverse methods in materials engineering, Wydawnictwo Naukowe AKAPIT, Kraków, 2019.
2. J. Stec, J. Tarasiuk, S. Nagy, R. Smulski, J. Gluch, R. Filipek, “Non-destructive investigations of pore morphology of micropore carbon materials”, Ceramics international, 45, (2019), 3483-3491, doi: 10.1016/j.ceramint.2018.11.006.
3. R. Filipek, K. Szyszkiewicz, “Inverse methods in corrosion research and materials degradation”, Ochrona przed Korozją, 60 (10), (2017), 358–363.
4. A. Wierzbicka-Miernik, K. Miernik, R. Filipek, K. Szyszkiewicz, “Kinetics of intermetallic phase growth and determination of diffusion coefficients in solid–solid-state reaction between Cu and (Sn+1at.%Ni) pads”, J Mater Sci, 52, (2017), 10533–10544.
5. 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.
6. 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.
7. P. Jurczak-Kaczor, M. Sułowski, Zastosowanie języka VBA do analizy krzywych rozciągania materiałów spiekanych — Application of VBA language to analyse the stress-strain curves of sintered steels, Rudy i Metale Nieżelazne Recykling, 59(11), (2014), 545–553.
8. A. Romanowska-Pawliczek, A. Siwek, M. Głowacki, M. Warmuzek, Image recognition, identification and classification algorithms in cast alloys microstructure analysis, IMETI 2011, The 4th International Multi-conference on Engineering and Technological Innovation, July 19th–July 22nd, 2011, Orlando, Florida, USA, proceedings, Vol. 2 eds. Nagib Callaos et al., International Institute of Informatics and Systemics, cop. 2011, ISBN: 978-1-936338-37-5, 50–55.

Additional information:

None