Министерство образования и науки РФ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Самарский государственный университет»

Механико-математический факультет

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по научной работе А.Ф.Крутов «»_ 2011 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

«Использование МКЭ-пакета ANSYS для решения задач механики деформируемого твердого тела»

(ОД.А.05; цикл «Дисциплины по выбору аспиранта»

основной образовательной программы подготовки аспиранта по отрасли Физико-математические науки, специальность 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела) Самара Рабочая программа составлена на основании паспорта научной специальности 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела; в соответствии с Программой-минимум кандидатского экзамена по специальности 01.02.04 «Механика деформируемого твердого тела» по физико-математическим наукам утвержденной приказом Министерства образования и науки РФ № 274 от 08.10.2007 г., и учебным планом СамГУ по основной образовательной программе аспирантской подготовки.

Составитель рабочей программы: Степанова Лариса Валентиновна, доцент, доктор физикоматематических наук.

Рабочая программа утверждена на заседании ученого совета механико-математического факультета протокол № 1 от 31.08.2011 г.

Председатель ученого совета «_»2011 г. С.Я.Новиков (подпись)

СОГЛАСОВАНО:

Начальник отдела послевузовского профессионального образования «_»2011 г. Л.А.Круглова (подпись) 1. Цели и задачи дисциплины, ее место в системе подготовки аспиранта, требования к уровню освоения содержания дисциплины 1.1. Цели и задачи изучения дисциплины Цели дисциплины – 1) знакомство с многоцелевым программным комплексом ANSYS, предназначенным для решения задач механики деформируемого твердого тела, механики жидкости и газа, теплопереноса, электромагнетизма, оптимизации, а также связанных задач механики деформируемого твердого тела и теплопереноса, механики деформируемого твердого тела и механики жидкости и газа;

2) знакомство с процедурами вычисления коэффициентов интенсивности напряжений и других параметров механики разрушения;

3) овладение особенностями расчета параметров механики разрушения в упругих и упругопластических телах при статической и термомеханической нагрузке с использованием пакета ANSYS;

4) овладение внутренним языком параметрического программирования высокого уровня (APDL), с помощью которого пользователь получает возможность встраивать в ANSYS любые процедуры, элементы, решатели, модифицировать и дополнять возможности ANSYS.

В результате освоения курса аспирант должен получить навыки вычислений и расчет на прочность (жесткость, долговечность) с использованием современных информационных технологий;

выработать умения организовать самостоятельный профессиональный трудовой процесс, работать в профессиональных коллективах и обеспечивать работу данных коллективов соответствующими материалами; принимать организационные решения в стандартных ситуациях и нести за них ответственность.

Задачами дисциплины являются: 1) актуализация теоретических знаний, полученных при изучении курсов «Механика хрупкого разрушения» и «Механика разрушения упруго-пластических тел»; 2) приобретение практических навыков работы с программным комплексом ANSYS; 3) овладение навыками работы с современными системами автоматизированного инженерного анализа; 4) овладение навыками работы с языком параметрического программирования APDL макроса, т.е. на базе новейших информационных технологий.

1.2. Требования к уровню подготовки аспиранта, завершившего изучение данной дисциплины В результате освоения учебной дисциплины обучающийся должен:

Иметь представление:

• о разрушении как о комплексной проблеме, лежащей на стыке физики твердого тела, механики сплошных сред и материаловедения;

• о прочности материалов, о критериях разрушения материалов, о критериях длительной и усталостной прочности;

• о накоплении повреждений при упругопластическом разрушении;

• об основных результатах механики разрушения упругопластических сред;

• о математическом аппарате исследования задач механики разрушения упругопластических тел;

• о практическом применении механики разрушения упругопластических тел.

Знать:

• основные результаты математической теории механики разрушения;

• основные методы исследования задач механики разрушения;

• основные результаты решений краевых задач теории трещин;

• последние достижения экспериментальной механики деформируемого твердого тела и глубоко понимать эффекты, сопровождающие деформацию твердого тела.

• показать в "работе" математические методы решения задач механики упругопластического • привести краткий анализ полученных результатов;

• ориентироваться в современных алгоритмах компьютерной математики, совершенствовать, углублять и развивать математическую теорию и физико-математические модели, лежащие • самостоятельно работать со специальной математической литературой, посвященной механике деформируемого твердого тела.

Быть способным:

• владеть математическими методами механики хрупкого разрушения на основе глубоких знаний теории разрушения;

• к интенсивной научно-исследовательской и научно-изыскательской деятельности;

• к самостоятельному решению проблем механики разрушения;

• к собственному видению прикладного аспекта в теоретических результатах исследования проблем разрушения и прочности;

• к применению экспериментальных результатов;

• к самостоятельному освоению специальной научной литературы по механике разрушения;

• создавать и исследовать новые математические модели реальных тел и конструкций;

• находить из определяющих экспериментов материальных функций (функционалов, постоянных) в моделях реальных тел и сред;

• ориентироваться в современных алгоритмах компьютерной математики, совершенствовать, углублять и развивать математическую теорию и физико-математические модели, лежащие 1.3.Связь с предшествующими дисциплинами Курс предполагает наличие у аспирантов знаний по теории обыкновенных дифференциальных уравнений, уравнений в частных производных, курсов математического анализа, механике сплошных сред, механике деформируемого твердого тела.

1.4.Связь с последующими дисциплинами Знания и навыки, полученные аспирантами при изучении данного курса, необходимы при подготовке и написании диссертации по специальности 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела.

2. Содержание дисциплины 2.1. Объем дисциплины и виды учебной работы (в часах и зачетных единицах) Форма обучения (вид отчетности) 1-3 годы аспирантуры; вид отчетности – экзамен кандидатского минимума.

Трудоемкость изучения дисциплины Обязательная аудиторная учебная нагрузка (всего) в том числе:

Лекции Семинары практические занятия Самостоятельная работа аспиранта (всего) в том числе:

Подготовка к практическим занятиям Подготовка реферата Подготовка эссе Изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку 2.2. Разделы дисциплины и виды занятий нечного элемента для решения задач механики деформируемого твердого тела.

нечного элемента для решения задач механики разрушения.

в конечно-элементном комплексе ABACUS 2.3. Лекционный курс.

Основы метода конечного элемента. Использование метода конечного элемента для решения задач механики деформируемого твердого тела.

Критерии механики разрушения. Коэффициент интенсивности напряжений. Энергетический инвариантный интеграл. Рост трещины при циклическом нагружении. Аппроксимация диаграммы деформирования материала. Методы расчета коэффициента интенсивности напряжений. Упругая задача. Упругопластическая задача. Термоупругая задача. Использование метода конечного элемента для решения задач механики разрушения.

Модель пластины с центральной трещиной при растяжении. Модель пластины с краевыми трещинами при растяжении. Модель прямоугольного образца с краевой трещиной при трехточечном изгибе. Модель прямоугольного образца с краевой трещиной при растяжении. Модель компактного образца при внецентренном растяжении. Модель цилиндрического образца с кольцевой трещиной при растяжении. Модель С-образного образца при при внецентренном растяжении. Модель пластины с боковой наклонной трещиной при растяжении. Макрос для вычисления J-интеграла в симметричных задачах. Макрос для вычисления J-интеграла в несимметричных задачах.

2.4. Практические (семинарские) занятия – не предусмотрены.

3. Организация текущего и промежуточного контроля знаний 3.1. Контрольные работы – не предусмотрены.

3.2. Список вопросов для промежуточного тестирования – не предусмотрено.

3.3. Самостоятельная работа Изучение учебного материала, перенесенного с аудиторных занятий на самостоятельную проработку.

Выявление информационных ресурсов в научных библиотеках и сети Internet по следующим направлениям:

• библиография по механике деформируемого твердого тела;

• публикации (в том числе электронные) источников по механике деформируемого твердого тела;

• научно-исследовательская литература по механике деформируемого твердого тела.

Конспектирование и реферирование первоисточников и научно-исследовательской литературы по тематическим блокам.

Темы, вынесенные на самостоятельное изучение аспирантами:

Раздел 1. Основные положения метода конечных элементов.

Тема 1. Введение. Роль вычислительных комплексов в расчетах на прочность.

Основные этапы численного исследования прочности конструкций. Построение физической модели.

Построение математической модели. Матричная форма записи основных соотношений теории упругости. Плоские (двумерные) задачи. Основные соотношения между напряжениями, деформациями и температурой. Соотношения между деформациями и смещениями. Уравнения равновесия. Граничные условия. Идея и область применения метода конечных элементов. Основные этапы практической реализации метода. Конечные элементы. Построение сетки конечных элементов.

Точность расчетов.

Тема 2. Типы конечных элементов. Стержневой и балочный элементы.

Типы конечных элементов. Линейный упругий элемент. Матрица жесткости. Система упругих элементов. Матрица жесткости системы элементов. Стержневой элемент. Матрица жесткости стержневого элемента. Учет распределенной нагрузки.

Тема 3. Плоские задачи. Конечные элементы для плоских задач.

Функции формы конечных элементов и матрица жесткости. Линейный плоский треугольный элемент. Квадратичный треугольный элемент. Линейный четырехугольный элемент. Преобразование нагрузки. Пластины и оболочки. Основные соотношения теории пластин и оболочек. Основные положения теории тонких пластин. Основные положения теории толстых пластин. Конечные элементы для пластин и оболочек.

Раздел 2. Практическое применение метода конечных элементов. Программный комплекс ANSYS.

Тема 4. Общее описание программного комплекса.

Составные части комплекса и их назначение. Вход в программу. Основные этапы решения задачи.

Препроцессорная подготовка. Выбор координатной системы. Способы построения геометрической модели. Построение сетки. Приложение нагрузок и получение решения. Постпроцессорная обработка. Типы основных файлов, создаваемых и используемых программой.

Тема 5. Методика работы с программой при решении статических прочностных задач.

Полоса с отверстием. Постановка задачи. Построение модели. Построение сетки. Приложение нагрузок и получение решения. Обработка, печать и сохранение результатов. Примеры: консольная балка, плоский изгиб балки, кручение стержней, температурные напряжения, статический анализ уголкового кронштейна, пространственные задачи, толстостенный цилиндр под действием внутреннего давления, статический анализ изогнутого стержня. Наиболее употребительные команды ANSYS.

3.3.1. Поддержка самостоятельной работы:

• Список литературы и источников для обязательного прочтения.

• Полнотекстовые базы данных и ресурсы, доступ к которым обеспечен из кампусной сети СамГУ (сайт научной библиотеки СамГУ, URL: http://weblib.samsu.ru/level23.html):

1. Издания Самарского государственного университета 2. Полнотекстовая БД диссертаций РГБ 3. Научная электронная библиотека РФФИ (Elibrary) 4. Университетская библиотека ONLINE 5. Университетская информационная система Россия 6. ЭБС «БиблиоТЕХ»

7. Коллекция журналов издательства Оксфордского университета 8. Словари и справочники издательства Оксфордского университета 9. Реферативный журнал ВИНИТИ 10. Полнотекстовые статьи из коллекции журналов по математике Научной электронной библиотеки РФФИ (E-library), к которым имеется доступ в сети Интернет: «доклады РАН»; «Известия РАН, Механика твердого тела»; «Известия РАН. Механика жидкости и газа»; «Прикладная математика и механика»; «Прикладная механика и техническая физика»; «Математические заметки»; «Журнал вычислительной математики и математической физики»; «Теоретическая и математическая физика»; «Дифференциальные уравнения»; «Вестник Самарского государственного университета. Серия естественные науки»; «Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки»; «Журнал Сибирского федерального университета.

Серия: Математика и физика»; «Труды Математического института им. В.А.Стеклова РАН».

3.3.2. Тематика рефератов – не предусмотрены.

Итоговый контроль проводится в виде экзамена кандидатского минимума.

4. Технические средства обучения и контроля, использование ЭВМ (Перечень обучающих, контролирующих и расчетных программ, диафильмов, слайдфильмов, кино- и телефильмов).

Лицензионный программный комплекс ANSYS 12.0;

Сайт научной библиотеки СамГУ, с доступом к электронному каталогу и полнотекстовым базам данных – URL: http://weblib.samsu.ru/level23.html 5.Активные методы обучения (деловые игры, научные проекты) не предусмотрены.

6. Материальное обеспечение дисциплины (Современные приборы, установки (стенды), необходимость специализированных лабораторий и классов) • Лицензионный программный комплекс ANSYS 12.0;

• Компьютерные классы, оснащенные компьютерами класса Pentium 4 с выходом в Интернет и в локальную сеть Самарского государственного университета, а также принтеры, сканеры и ксероксы.

7. Литература 7.1. Основная 1. Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения на базе компьютерных технологий. Практикум. СПб: БХВ-Петербург, 2007. 464 с.

2. Степанова Л.В. Математические методы механики разрушения. М.: Физматлит, 2009. 336 с.

3. Степанова Л.В., Федина М.Е. Связанные задачи теории ползучести и механики поврежденности.

Самара: Изд-во «Самарский университет». 2006. 92 с.

4. Степанова Л.В. Математические методы механики разрушения. Самара: Издательство «Самарский университет», 2006. 232 с. (80 экз.). (гриф. Минобразования) 5. Астафьев В.И., Радаев Ю.Н., Степанова Л.В. Нелинейная механика разрушения. Самара.: Изд-во Самарский университет, 2001. 632 с. (гриф. Минобразования) 6. Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения твердых тел. Санкт-Петербург. Изд-во «Профессия», 2002. 320 с.

7. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство. М.: Издательство ЛКИ, 2009. 456 с.

8. Морозов Е.М., Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения. М.: Издательство ЛКИ, 2010. 256 c.

7.2. Дополнительная 1. Матвиенко Ю.Г., Модели и критерии механики разрушения. М.: Физматлит, 2006. 328 с.

2. Левин В.А., Морозов Е.М., Матвиенко Ю.Г. Избранные нелинейные задачи механики разрушения.

М.: Физматлит, 2004. 408 с.

3.Астафьев В.И., Радаев Ю.Н., Степанова Л.В. Прикладные задачи механики разрушения. Самара:

Изд-во Самарский университет, 1999. 195 с. (30 экз.) 4. Керштейн И.М., Клюшников В.Д., Ломакин Е.В., Шестериков С.А. Основы экспериментальной механики разрушения. М.: Изд-во Московского университета, 1989. 140 с. (4 экз.) 5. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. М.: Наука, 1974. 312 с. (1 экз.) 6. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. М.: Наука, 1985. 504 с. ( экз.) 7. Морозов Е.М., Муйземнек А.Ю., Шадский А.С. ANSYS в руках инженера. Механика разрушения М.: Издательство ЛКИ, 2008. 456 с.

7. 3. Учебно-методические материалы по дисциплине 1. Степанова Л.В. Математические методы механики разрушения. М.: Физматлит, 2009. 336 с.

2. Астафьев В.И., Радаев Ю.Н., Степанова Л.В. Нелинейная механика разрушения. Самара. Издво "Самарский университет". 2001. 632 с. (гриф. Минобразования).

3. Степанова Л.В., Федина М.Е. Связанные задачи теории ползучести и механики поврежденности. Самара. Изд-во "Самарский университет". 2006. 92 с. (60 экз.).

4. Степанова Л.В. Математические методы механики разрушения. Самара: Издательство «Самарский университет», 2006. 232 с. (80 экз.) (гриф. Минобразования).

5. Астафьев В.И., Радаев Ю.Н., Степанова Л.В. Прикладные задачи механики Самара. Изд-во "Самарский университет". 1999. 195 с. (50 экз.).

6. Электронная библиотека «Мир математических уравнений» http://eqworld.ipmnet.ru 7. www.mati.ru/education/facult5/kafedral/site - сайт кафедры «Механика материалов и конструкций» Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского (МАТИ). Кафедра ведет преподавание курсов «Сопротивление материалов», «Прочность конструкций», «Механика разрушения», «Экспериментальная механика», «Вероятностные методы расчета прочности конструкций», «Использование ЭВМ в задачах механики», «Малоцикловая усталость», «Нелинейная механика разрушения».

8. http://www.ipmnet.ru/lab_12_ru.html - сайт лаборатории моделирования в механике деформируемого твердого тела Института проблем механики РАН. Заведующий лабораторией – А.В.

Манжиров. В лаборатории сформировано и активно развивается новое научное направление – механика растущих тел. Обширные исследования проводятся в области механики контактных взаимодействий и теории концентраций напряжений под руководством В.М. Александрова.

Еще одно направление лаборатории связано с разработкой моделей сплошной среды, описывающих деформацию и разрушение неупругих материалов, которое возглавляет проф. В.Н.

9. http://pent.sopro.susu.ac.ru/W/ej/index.html - электронный журнал «Динамика, прочность и изностойкость машин». Журнал публикует результаты экспериментальных и расчетных исследований в области прочности и надежности машин и конструкций различных типов.

10. http://www/mysopromat.ru/cgi-bin/index.cgi -сайт «Мой сопромат», на сайте размещены учебные курсы, статьи, полнотекстовые версии книг по механике, научные статьи.

11. http://cde.tsogu.ru/&par=lab&id=222 – Центр Дистанционного образования Тюменского государственного нефтегазового университета. На сайте имеется виртуальный лабораторный практикум, который может быть использован для проведения виртуальной лабораторной работы «Испытание образцов на усталость (растяжение/сжатие)».

12. http://library.krasn.ru – Библиотека Института вычислительного моделирования СО РАН. В библиотеке содержатся полнотекстовые журналы и реферативные базы данных.

13. www.ruscommech.ru/history.html - Российский Национальный комитет по теоретической и прикладной механике.

14. Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения на базе компьютерных технологий.

Практикум. Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2007. 464 с. Приведены лабораторные работы по механике разрушения твердых тел.

15. www.math.rsu.ru/mexmat/elasticity/index.php сайт кафедры теории упругости Ростовского государственного университета. Основатель кафедры – доктор физико-математических наук, академик РАН профессор Ворович И.И. Основные направления: общая теория и методы решения задач деформирования и устойчивости тонкостенных конструкций; нелинейные среды сложной структуры.

ДОПОЛНЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ В РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЕ

за _/_ учебный год В рабочую программу курса цикла ОД.А.05, «Использование МКЭ-пакета ANSYS для решения задач МДТТ», цикл «Дисциплины по выбору аспиранта» основной образовательной программы подготовки аспиранта по отрасли Физико-математические науки, специальность 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела, вносятся следующие дополнения и изменения: