Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Metody modelowania i symulacji kinematyki i dynamiki z wykorzystaniem CAD i CAE
Course of study:
2019/2020
Code:
RMBM-2-107-KW-s
Faculty of:
Mechanical Engineering and Robotics
Study level:
Second-cycle studies
Specialty:
Komputerowe wspomaganie projektowania
Field of study:
Mechanical Engineering
Semester:
1
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Course homepage:
 
Responsible teacher:
dr inż. Gospodarczyk Piotr (piogos@agh.edu.pl)
Module summary

Na wykładach student uzyskuje wiedzę dotyczącą celów i zadań oraz możliwości i ograniczeń wykorzystania symulacji komputerowej w analizie kinematyki i dynamiki maszyn oraz procedury przygotowania modeli tych obiektów do symulacji, jej prowadzenia oraz analizy wyników. Na ćwiczeniach wykonuje zadania i nabywa umiejętności w rozwiązywaniu problemów adekwatności modeli do obiektów rzeczyw., jak więzy nadmiarowe, zbędne stopnie swobody, położenia osobliwe, charakt. napędów i sił dyssypatywnych.

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)
Skills: he can
M_U001 Umie zbudować model wirtualny prostego mechanizmu, poprzez przekształcenie wiązań geometrycznych modelu na złącza kinematyczne (w programie Autodesk Inventor). MBM2A_U18, MBM2A_U10 Examination,
Activity during classes
M_U002 Potrafi zdefiniować wymuszenia kinematyczne lub dynamiczne w modelu oraz odczytać podstawowe wielkości kinematyczne i dynamiczne jako wynik symulacji. MBM2A_U03, MBM2A_U20 Execution of laboratory classes,
Activity during classes
M_U003 Potrafi zinterpretować wyniki symulacji, modyfikować zmienne analizy, układy odniesienia, tworzyć nowe wielkości wyjściowe, jako funkcję istniejących parametrów. MBM2A_U18, MBM2A_U03 Examination,
Execution of laboratory classes
M_U004 Umie wykorzystać wyniki symulacji dynamicznej do analizy wytrzymałości wybranego elementu mechanizmu. MBM2A_U02, MBM2A_U01 Project
M_U005 Umie wykorzystać wyniki analizy do weryfikacji projektowanej maszyny w aspekcie wymaganych własności użytkowych (funkcjonalnych). MBM2A_U10 Activity during classes
M_U006 Umie dokonać wyboru kryteriów i wykorzystać wyniki symulacji dla optymalizacji lub polioptymalizacji konstrukcji projektowanej maszyny. MBM2A_U02, MBM2A_U18 Project
M_U007 Potrafi opracować raport z przeprowadzonej symulacji i przedstawić wyniki prac w formie prezentacji. MBM2A_U08, MBM2A_U24, MBM2A_U12 Activity during classes,
Presentation
Knowledge: he knows and understands
M_W001 Wie jaka jest rola modelowania w technice, a szczególnie w projektowaniu maszyn. Zna pojęcie modelu procesu i układu oraz zagadnienie adekwatności modelu w stosunku do obiektu rzeczywistego lub projektowanego – mechanizmu lub maszyny. Wie jakie są relacje pomiędzy modelami fizycznymi i matematycznymi opisującymi kinematykę i dynamikę układu mechanicznego MBM2A_W05, MBM2A_W04 Examination
M_W002 Wie na czym polegają badania symulacyjne i jakie rodzaje badań symulacyjnych można wyróżnić ze względu na cel i wykorzystywane narzędzia symulacji. Wie jakie są możliwości wykorzystania komputera jako narzędzia prowadzenia badań symulacyjnych i jaki jest ogólny schemat postępowania przy tworzeniu modelu symulacyjnego MBM2A_W05, MBM2A_W04 Examination
M_W003 Wie na czym polega wykorzystanie wirtualnego prototypowania w analizie i syntezie mechanizmów oraz projektowaniu maszyn i jakie aplikacje CAD i CAE można wykorzystywać dla jego realizacji. MBM2A_W05, MBM2A_W04, MBM2A_W02 Examination
M_W004 Wie jaka jest procedura przygotowania symulacji w środowisku symulacji dynamiki programu CAD na przykładzie programu Autodesk Inventor. Wie jak modelować pary kinematyczne wykorzystując tzw. złącza, jakie rodzaje złączy wykorzystywane są w programie oraz jak dokonywać konwersji więzów modelu 3D mechanizmu na złącza lub jak wykorzystać mechanizm automatycznej konwersji więzów. MBM2A_W05, MBM2A_W04, MBM2A_W02 Examination
M_W005 Wie jak modelować oddziaływanie sił zewnętrznych czynnych i dyssypatywnych oraz wymuszeń kinematycznych o dowolnych charakterystykach i jak wykorzystać znajomość charakterystyki silnika napędowego w modelu wymuszenia dynamicznego ruchu. Wie jak uwzględniać charakterystyki generatorów mocy tj. silników, generatorów sił tj siłowników MBM2A_W02 Examination
M_W006 Zna podstawy metodologii numerycznego rozwiązywania modeli matematycznych wykorzystywanej w programach komputerowych CAE i jakie są zasady interpretacji oraz prezentacji rozwiązań MBM2A_W05, MBM2A_W04, MBM2A_W02 Examination
M_W007 Wie jak uwzględniać w modelowaniu i interpretacji wyników symulacji problemy wynikające z występowania członów biernych - więzów nadmiarowych, zbędnych stopni swobody oraz położeń osobliwych MBM2A_W05, MBM2A_W04, MBM2A_W02 Examination
M_W008 Wie jak można wykorzystać wyniki symulacji dla weryfikacji rozwiązania konstrukcyjnego maszyny ze względów na kryteria oceny funkcjonalności, weryfikację wytrzymałości elementów, oraz jak wykorzystać symulacje w wybranych procedurach optymalizacji lub polioptymalizacji konstrukcji. MBM2A_W08, MBM2A_W05, MBM2A_W04, MBM2A_W02, MBM2A_W03 Examination
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
40 14 0 0 26 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
Skills
M_U001 Umie zbudować model wirtualny prostego mechanizmu, poprzez przekształcenie wiązań geometrycznych modelu na złącza kinematyczne (w programie Autodesk Inventor). - - - + - - - - - - -
M_U002 Potrafi zdefiniować wymuszenia kinematyczne lub dynamiczne w modelu oraz odczytać podstawowe wielkości kinematyczne i dynamiczne jako wynik symulacji. - - - + - - - - - - -
M_U003 Potrafi zinterpretować wyniki symulacji, modyfikować zmienne analizy, układy odniesienia, tworzyć nowe wielkości wyjściowe, jako funkcję istniejących parametrów. - - - + - - - - - - -
M_U004 Umie wykorzystać wyniki symulacji dynamicznej do analizy wytrzymałości wybranego elementu mechanizmu. - - - + - - - - - - -
M_U005 Umie wykorzystać wyniki analizy do weryfikacji projektowanej maszyny w aspekcie wymaganych własności użytkowych (funkcjonalnych). - - - + - - - - - - -
M_U006 Umie dokonać wyboru kryteriów i wykorzystać wyniki symulacji dla optymalizacji lub polioptymalizacji konstrukcji projektowanej maszyny. - - - + - - - - - - -
M_U007 Potrafi opracować raport z przeprowadzonej symulacji i przedstawić wyniki prac w formie prezentacji. - - - + - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Wie jaka jest rola modelowania w technice, a szczególnie w projektowaniu maszyn. Zna pojęcie modelu procesu i układu oraz zagadnienie adekwatności modelu w stosunku do obiektu rzeczywistego lub projektowanego – mechanizmu lub maszyny. Wie jakie są relacje pomiędzy modelami fizycznymi i matematycznymi opisującymi kinematykę i dynamikę układu mechanicznego + - - - - - - - - - -
M_W002 Wie na czym polegają badania symulacyjne i jakie rodzaje badań symulacyjnych można wyróżnić ze względu na cel i wykorzystywane narzędzia symulacji. Wie jakie są możliwości wykorzystania komputera jako narzędzia prowadzenia badań symulacyjnych i jaki jest ogólny schemat postępowania przy tworzeniu modelu symulacyjnego + - - - - - - - - - -
M_W003 Wie na czym polega wykorzystanie wirtualnego prototypowania w analizie i syntezie mechanizmów oraz projektowaniu maszyn i jakie aplikacje CAD i CAE można wykorzystywać dla jego realizacji. + - - - - - - - - - -
M_W004 Wie jaka jest procedura przygotowania symulacji w środowisku symulacji dynamiki programu CAD na przykładzie programu Autodesk Inventor. Wie jak modelować pary kinematyczne wykorzystując tzw. złącza, jakie rodzaje złączy wykorzystywane są w programie oraz jak dokonywać konwersji więzów modelu 3D mechanizmu na złącza lub jak wykorzystać mechanizm automatycznej konwersji więzów. + - - - - - - - - - -
M_W005 Wie jak modelować oddziaływanie sił zewnętrznych czynnych i dyssypatywnych oraz wymuszeń kinematycznych o dowolnych charakterystykach i jak wykorzystać znajomość charakterystyki silnika napędowego w modelu wymuszenia dynamicznego ruchu. Wie jak uwzględniać charakterystyki generatorów mocy tj. silników, generatorów sił tj siłowników + - - - - - - - - - -
M_W006 Zna podstawy metodologii numerycznego rozwiązywania modeli matematycznych wykorzystywanej w programach komputerowych CAE i jakie są zasady interpretacji oraz prezentacji rozwiązań + - - - - - - - - - -
M_W007 Wie jak uwzględniać w modelowaniu i interpretacji wyników symulacji problemy wynikające z występowania członów biernych - więzów nadmiarowych, zbędnych stopni swobody oraz położeń osobliwych + - - - - - - - - - -
M_W008 Wie jak można wykorzystać wyniki symulacji dla weryfikacji rozwiązania konstrukcyjnego maszyny ze względów na kryteria oceny funkcjonalności, weryfikację wytrzymałości elementów, oraz jak wykorzystać symulacje w wybranych procedurach optymalizacji lub polioptymalizacji konstrukcji. + - - - - - - - - - -
Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 107 h
Module ECTS credits 4 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 40 h
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 30 h
Realization of independently performed tasks 30 h
Examination or Final test 2 h
Contact hours 5 h
Module content
Lectures (14h):
  1. Wybrane zagadnienia modelowania i symulacji w projektowaniu

    Definicje modelu i symulacji. Rodzaje modeli fizycznych i matematycznych. Wykorzystanie wspomagania komputerowego w tworzeniu i rozwiązywaniu modeli matematycznych jako narzędzia badań symulacyjnych. Pojęcie i metody wirtualnego prototypowania. Cele i zadania oraz możliwości i ograniczenia wykorzystania symulacji komputerowej w analizie kinematyki i dynamiki układów fizycznych.

  2. Wybrane zagadnienia z zakresu analizy kinematyki i dynamiki mechanizmów wieloczłonowych

    Wybrane zagadnienia z zakresu Teorii Mechanizmów i Maszyn istotne z punktu widzenia wykorzystania przy definiowaniu połączeń części jako par kinematycznych łańcucha kinematycznego. Klasyfikacja i charakterystyka członów mechanizmu i par kinematycznych. Pojęcie grupy i systematyka grup kinetycznych. Modele matematyczne układów wieloczłonowych i metody rozwiązywania. Problemy wynikające z występowania członów biernych i więzów nadmiarowych oraz zbędnych stopni swobody i konfiguracji osobliwych.

  3. Analiza kinematyki i dynamiki kinematyki przy wykorzystaniu aplikacji komputerowych CAD i CAE

    Charakterystyka środowiska symulacji dynamiki programu Inventor jako aplikacji CAD-CAE do symulacji kinematyki i dynamiki maszyn. Zakres stosowania i ograniczenia. Możliwości stosowania dla modeli o wysokim stopniu abstrakcji jak też dla modeli bryłowych 3D tworzonych przy wykorzystaniu modelera CAD. Procedura postępowania cyklu symulacji od przygotowania modelu poprzez ustawienie parametrów symulacji, definiowanie połączeń, analizę łańcucha kinematycznego i grup kinematycznych, uruchomienie symulacji, do rejestracjijej wyników i ich interpretacji.

  4. Modelowanie i badania symulacyjne układów napędowych

    Modele dyskretne układów napędowych. Formułowanie układów równań ruchów. Modele opisu charakterystyk ich elementów jak silniki, sprzęgła, reduktory. Modele wieloczłonowe i zredukowane. Modele opisu oddziaływań sił wewnętrznych i zewnętrznych czynnych i biernych. Możliwości identyfikacji charakterystyk oporów zewnętrznych wynikających z realizacji procesów transportowych lub technologicznych.
    Konsultowanie samodzielnie wykonywanych projektów.

  5. Charakterystyka programów komputerowych do badań symulacyjnych kinematyki i dynamiki układów mechanicznych

    Charakterystyka aplikacji komputerowych do symulacji kinematyki i dynamiki opartych na modelach brył sztywnych. Charakterystyka aplikacji MES (Mechanical Event Simulation)programu Autodesk Simulation Multiphysics jako aplikacji opartej na integracji modeli opisu dynamiki brył sztywnych z modelami FEM dla brył odkształcalnych.
    Zagadnienie właściwego wyboru aplikacji komputerowej do określonego zadania symulacji możliwości i ograniczenia ich wykorzystania.

Project classes (26h):
  1. Analiza mechanizmów kinematyki i dynamiki na modelach o wysokim stopniu abstrakcji

    Wykonanie modelu łańcucha kinematycznego o wysokim stopniu abstrakcji w modelerze 3D CAD. Ustawienia symulacji i definiowanie parametrów członów oraz ich połączeń. Przeprowadzenie symulacji dyskusja i opracowanie jej wyników.
    Opracowanie prezentacji.
    Wydanie tematów projektów do samodzielnego wykonania.

  2. Analiza mechanizmów kinematyki i dynamiki na modelach bryłowych 3D

    Wykonanie w modelerze 3D CAD modeli bryłowych 3D i złożenie modelu mechanizmu w oparciu o model łańcucha kinematycznego o wysokim stopniu abstrakcji. Ustawienia symulacji i definiowanie połączeń. Przeprowadzenie symulacji dyskusja i opracowanie jej wyników.
    Opracowanie prezentacji.

  3. Badania modeli z elementami odkształcalnymi i połączeniami kontaktowymi

    Dla zadanego modelu mechanizmu wprowadzenie brakujących elementów podatnych i zdefiniowanie brakujących połączeń kontaktowych 2D lub 3D. Przeprowadzenie badania wrażliwości modelu na zmianę charakterystyk wybranych połączeń i parametrów elementów.
    Dyskusja wyników i opracowanie prezentacji.
    Konsultowanie samodzielnie wykonywanych projektów.

  4. Badania symulacyjne manipulatora

    Przeprowadzenie badań symulacyjnych manipulatora o zadanej strukturze i parametrach konstrukcyjnych. Przeprowadzenie badania wrażliwości modelu na zmianę charakterystyk wybranych połączeń i parametrów elementów. Wykorzystanie wyników badań dla polioptymalizacji konstrukcji ze względu na wybrane kryteria. Opracowanie prezentacji.
    Konsultowanie samodzielnie wykonywanych projektów.

  5. Badania symulacyjne układu napędowego

    Dobór modeli źródła mocy i pozostałych elementów układu napędowedowego. Zdefiniowanie charakterystyk tych elementów w środowisku symulacji dynamiki programu Inventor. Zdefiniowanie charakterystyk i parametrów sił oporów. Przeprowadznie symulacji. Dyskusja wyników i opracowanie prezentacji.
    Konsultowanie samodzielnie wykonywanych projektów.

  6. Prezentacja projektów

    Prezentacja projektów przez studentów. Dyskusja wyników i ocena projektów. Ocena prezentacji.

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:

Aby uzyskać pozytywną ocenę końcową niezbędne jest uzyskanie pozytywnej oceny z każdego z zadań projektowych i testów, wykonywanych w ramach ćwiczeń projektowych. Zaliczenie z pozytywną oceną samodzielnie wykonywanego projektu, oraz zdanie z pozytywną oceną egzaminu końcowego

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.
  • Project classes:
    – Attendance is mandatory: Yes
    – Participation rules in classes: Studenci wykonują prace praktyczne mające na celu uzyskanie kompetencji zakładanych przez syllabus. Ocenie podlega sposób wykonania projektu oraz efekt końcowy.
Method of calculating the final grade:

Ocena jest średnią ważoną ocen z ćwiczeń (waga – 0,35), projektu (waga – 0,25) i egzaminu (waga – 0,4).

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

Wyrównywanie zaległości odbywa się przez wykonanie dodatkowego zadania wydanego przez prowadzącego i zaliczenie go w terminie ustalonym przez prowadzącego. Zadania sprawdzające wykonywane jako samodzielne na zajęciach pod kontrolą prowadzącego odrabiane są w takim samym trybie w ustalonym przez prowadzącego terminie. Student ma prawo do dwóch dodatkowych terminów zaliczenia.

Prerequisites and additional requirements:

Zaliczone przedmioty z mechaniki i komputerowego wspomagania projektowania na minimum podstawowym poziomie.

Recommended literature and teaching resources:

1 Cannon jr. R.H. – Dynamika układów fizycznych, WNT Warszawa 1973 r.
2 Frączek J., Wojtyra M. : Kinematyka układów wieloczłonowych-metody obliczeniowe, WNT Warszawa 2008 r.
3 Osiński Zb. – Mechanika ogólna , Wydawnictwo Naukowe PWN,Warszawa 1994 r.
4 Wojtyra M., Frączek J.: Metoda układów wieloczłonowych w dynamice mechanizmów. Ćwiczenia z zastosowaniem programu ADAMS. OWPW, 2007.
Oprogramowanie firmy Autodesk – licencje w wersjach akademickich jak Inventor Professional, Autodesk Simulation Multiphysics dostępne do pobrania przez studentów na stronie firmy Autodesk.
Materiały pomocnicze i ćwiczenia do programu Autodesk Inventor Professional dostępne na stronie firmy Autodesk.

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

Additional scientific publications not specified

Additional information:

None