Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Komputerowe wspomaganie w inżynierii materiałowej
Tok studiów:
2019/2020
Kod:
CIMT-2-204-MF-s
Wydział:
Inżynierii Materiałowej i Ceramiki
Poziom studiów:
Studia II stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Inżynieria Materiałowa
Semestr:
2
Profil:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Prowadzący moduł:
dr hab. inż. Filipek Robert (rof@agh.edu.pl)
Treści programowe zapewniające uzyskanie efektów uczenia się dla modułu zajęć

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.

Opis efektów uczenia się dla modułu zajęć
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Powiązania z KEU Sposób weryfikacji i oceny efektów uczenia się osiągniętych przez studenta w ramach poszczególnych form zajęć i dla całego modułu zajęć
Wiedza: zna i rozumie
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 Zaliczenie laboratorium,
Projekt,
Kolokwium,
Aktywność na zajęciach
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 Zaliczenie laboratorium,
Kolokwium,
Aktywność na zajęciach
Umiejętności: potrafi
M_U001 Potrafi wykorzystać metody matematyczne oraz dobrać odpowiednie narzędzia komputerowe do rozwiązywania zagadnień technicznych i opracowania wyników badań IMT2A_U02 Zaliczenie laboratorium,
Kolokwium,
Aktywność na zajęciach
M_U002 Potrafi sformułować model transportu 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 Zaliczenie laboratorium,
Kolokwium,
Aktywność na zajęciach
Kompetencje społeczne: jest gotów do
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 Zaliczenie laboratorium,
Kolokwium,
Aktywność na zajęciach
Liczba godzin zajęć w ramach poszczególnych form zajęć:
SUMA (godz.)
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
60 30 0 0 30 0 0 0 0 0 0 0
Matryca kierunkowych efektów uczenia się w odniesieniu do form zajęć i sposobu zaliczenia, które pozwalają na ich uzyskanie
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Forma zajęć dydaktycznych
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
Wiedza
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. + - - + - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Potrafi wykorzystać metody matematyczne oraz dobrać odpowiednie narzędzia komputerowe do rozwiązywania zagadnień technicznych i opracowania wyników badań + - - + - - - - - - -
M_U002 Potrafi sformułować model transportu 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. + - - + - - - - - - -
Kompetencje społeczne
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. + - - + - - - - - - -
Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 147 godz
Punkty ECTS za moduł 5 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 60 godz
Przygotowanie do zajęć 40 godz
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 10 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 30 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 2 godz
Dodatkowe godziny kontaktowe 5 godz
Szczegółowe treści kształcenia w ramach poszczególnych form zajęć (szczegółowy program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład (30h):
Wykład (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.

Ćwiczenia projektowe (30h):
Ćwiczenia projektowe

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 (2h)
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)

Pozostałe informacje
Metody i techniki kształcenia:
  • Wykład: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji multimedialnej w połączeniu z klasycznym wykładem tablicowym wzbogaconymi o pokazy odnoszące się do prezentowanych zagadnień.
  • Ćwiczenia projektowe: Nie określono
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

Zasady udziału w zajęciach:
  • Wykład:
    – Obecność obowiązkowa: Nie
    – Zasady udziału w zajęciach: 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.
  • Ćwiczenia projektowe:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: Nie określono
Sposób obliczania oceny końcowej:

Podstawą oceny przedmiotu jest średnia arytmetyczna ocena uzyskana z kolokwium z wykładu i 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.

Wymagania wstępne i dodatkowe, z uwzględnieniem sekwencyjności modułów :

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

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

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.

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

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.

Informacje dodatkowe:

Brak