книги / Методические указания по освоению дисциплины CAE-модули современных САПР и современные высокопроизводительные вычислительные системы для магистров по направлению 15.04.05 Констр

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по освоению дисциплины «CAE-модули современных САПР и современные высокопроизводительные вычислительные системы» для магистрантов по направлению 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2018

1

Составитель В.Я. Модорский

М54

Рецензент доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой ИТМ В.В. Карманов (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Методические указания по освоению дисциплины «CAE-модули соМ54 временных САПР и современные высокопроизводительные вычислительные системы» для магистров по направлению 15.04.05 «Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств» / сост. В.Я. Модорский. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та,

2018. – 18 с.

Приведен список тем учебной дисциплины со ссылками на основную и дополнительную литературу.

Предназначено для магистрантов.

Утверждены на заседании кафедры инновационных технологий машиностроения: протокол № 16 от 31.02.2018 г.

© ПНИПУ, 2018

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Представлена часть учебно-методического комплекса дисциплины «CAE-модули современных САПР и современные высокопроизводительные вычислительные системы» – методические указания для магистрантов по направлению 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

Одним из видов изучения дисциплины является самостоятельная работа по программе курса с использованием учебников, учебных пособий, презентаций, конспектов лекций.

Самостоятельная работа организуется в соответствии с использованными в учебном процессе формами учебных занятий. При выполнении самостоятельной работы магистрант готовит себя к успешному выполнению контрольно-измерительных мероприятий по курсу и, что самое важное, повышает эффективность получения профессиональных знаний, необходимых при написании магистерской работы.

Самостоятельной работой рекомендуется заниматься системно. Изучаемый материал конспектировать, обдумывать, использовать на практике получаемые значения, навыки и умения. При возникновении трудностей по тем или иным вопросам искать ответы следует путем обсуждения их с преподавателем.

Методические указания по дисциплине «CAE-модули современных САПР и современные высокопроизводительные вычислительные системы» в лекционной и практической части обучения содержат краткое изложение программы и контрольные вопросы.

4

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ МАГИСТРАНТАМ

ПО ОСВОЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ «CAE-МОДУЛИ СОВРЕМЕННЫХ САПР И СОВРЕМЕННЫЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ»

1. Цели и задачи дисциплины

Цели учебной дисциплины – обеспечение базы инженерной подготовки магистра-инженера, теоретическая и практическая подготовка

вобласти современных систем автоматизированного проектирования, изучение нелинейных моделей физических процессов, развитие инженерного мышления, приобретение навыков решения прикладных задач

вобласти численного моделирования процессов с применением САD, CAM, CAE-модулей.

Задачи учебной дисциплины:

•изучение основ реализации численных методов решения инженерных прикладных задач; основ работы в САD, CAM, CAE-модулях современных систем автоматизированного проектирования;

•формирование умения разрабатывать геометрическую модель изделий машиностроения, их элементов, технологического оборудования; ставить и решать прикладные исследовательские задачи с применением высокопроизводительных вычислительных систем и современных систем автоматизированного проектирования;

•формирование навыков работы в интегрированных средах систем инженерного анализа, подготовки и проведения вычислительных экспериментов с применением высокопроизводительных вычислительных систем и современных систем автоматизированного проектирования.

Предметомосвоения дисциплины являются следующиеобъекты:

•САD, CAM, CAE-модули;

•модельные задачи газовой динамики;

•модельные задачи механики деформируемого твердого тела;

•высокопроизводительные вычислительные системы.

В результате изучения дисциплины обучающийся должен демонстрировать следующие результаты:

5

знать:

– физические и математические основы численных методов;

– основы газовой динамики, механики деформированного твердого тела;

– виды инженерного анализа в CAE-системах;

– алгоритм работы в САD, CAM, CAE-модулях;

– основы технологий высокопроизводительных вычислений;

уметь:

–выполнять разработку функциональной структуры и геометрии изделий машиностроения;

–проводить анализ нелинейных процессов на основе модельных за-

дач для оценки напряженно-деформированного состояния изделий

иэлементов технологического оборудования;

–ставить и решать прикладные исследовательские задачи с применением высокопроизводительных вычислительных систем и современных систем автоматизированного проектирования;

владеть:

–навыками подготовки и проведения вычислительных экспериментов с применением высокопроизводительных вычислительных систем

исовременных систем автоматизированного проектирования;

–навыками решения модельных динамических задач газовой динамики и механики деформируемого твердого тела;

–навыками оценки результатов выполненных исследований;

–навыками написания и оформления научно-технических отчетов, обзоров и публикаций.

2. Организация учебного процесса

Учебным планом для магистрантов предусмотрены следующие занятия и аттестации по дисциплине «CAE-модули современных САПР и современные высокопроизводительные вычислительные системы»:

лекции – 8 часов; практические занятия – 44 часа;

контроль самостоятельной работы – 4 часа; самостоятельная работа студентов – 52 часа; экзамен.

6

На лекциях излагаются основные положения и более сложные темы курса. Остальные темы изучаются магистрантами самостоятельно.

Обязательным является выполнение магистрантами всех практических заданий, предусмотренных программой курса. Магистранты, пропустившие и не отработавшие практики, к экзамену не допускаются.

На практических занятиях изучаются методики численных расчетов инженерных прикладных задач и основы работы в САD, CAM, CAE-модулях с применением высокопроизводительных вычислительных систем, проводится промежуточный контроль по пройденным разделам курса.

Аттестация магистрантов по курсу включает:

•текущий опрос для анализа усвоения материала предыдущих лекций;

•контрольную работу;

•выполнение практических и индивидуальных работ;

•экзамен.

3. Лекции, практики и контрольные вопросы Содержание разделов и тем учебной дисциплины

Модуль 1. CAE-модули современных САПР

Раздел 1. Основы CAE-модули современных САПР. Л – 3 ч, ПЗ – 8 ч, СРС – 6 ч.

Тема 1. Введение. Основные понятия курса. Предмет и задачи курса. Основные понятия, термины и определения. Основные понятия.

Тема 2. Алгоритм реализации решения инженерных задач с применением CAD, CAE, САМ-модулей современных систем автоматизированного проектирования. Функциональные возможности современных CAD и CAE систем. Инженерные методы расчета газодинамики, инженерные методы расчета динамики конструкций. Виды инженерного анализа в CAE-системах. Линейные и нелинейные задачи.

Тема 3. Технологии изготовления изделий машиностроения на высокотехнологичном оборудовании с применением CAD и CAE систем. CAE-модули, интегрированные в САПР и самостоятельные CAE-приложения.

7

Модуль 2. Основы численного моделирования и вычислительный эксперимент

Раздел 2. Основы численного моделирования и вычислительный эксперимент. Л – 3 ч, ПЗ – 20 ч, СРС – 24 ч.

Тема 4. Основы численного моделирования. Методы численного моделирования: метод крупных частиц, метод конечных объемов, метод конечных разностей.

Тема 5. Метод крупных частиц в области газовой динамики и деформируемого твердого тела.

Тема 6. Этапы вычислительного эксперимента. Решение инженерных задач с применением CAD и CAE систем. Типовой интерфейс и функциональные возможности CAE-систем. Ознакомление с системами анализа методом конечных элементов ANSYS и конечных объемов Flow Vision – функциональным назначением и структурой программного обеспечения, интерфейсом приложений и видами решаемых задач.

Модуль 3. Современные высокопроизводительные вычислительные системы

Раздел 2. Современные высокопроизводительные вычислительные системы. Л – 2 ч, ПЗ – 16 ч, СРС – 22 ч.

Тема 7. Высокопроизводительные вычислительные системы. Краткий обзор параллельных вычислительных систем и их классификация. Общая характеристика многопроцессорных вычислительных систем. Структура современных многопроцессорных вычислительных комплексов, организация работы кластеров, виды решаемых задач. Оценка эффективности параллельных вычислений.

Практические занятия

Перечень тем практических занятий представлен в таблице.

1Определение алгоритма решения инженерных задач с применением CAD и CAE модулей современных систем автоматизированного проектирования

8

Типовые вопросы текущего контроля по модулю 1

1.Что такое CAD, CAE, САМ-модули?

2.Функциональные возможности современных CAD-систем?

3.Функциональные возможности современных CAМ-систем?

4.Функциональные возможности современных CAЕ-систем?

5.Назовите инженерные методы расчета газодинамики?

6.Назовите инженерные методы расчета динамики конструкций?

7.Что такое линейные и нелинейные задачи?

8.Отечественные и зарубежные CAD, CAE, САМ-модули, достоинства и недостатки.

9.Этапы процесса проектирования.

10.Перспективы развития CAD, CAE, САМ-модулей?

Типовые вопросы текущего контроля по модулю 2

1.Назовите основные численные методы решения задач?

2.Запишите разностные уравнения, реализующие законы сохранения в газовой динамике.

3.Запишите разностные уравнения, реализующие законы сохранения в механике деформируемого твердого тела.

4.Что такое математическая модель?

5.Что такое граничные условия? Что такое система допущений?

9

6.Что называется разностной схемой для решения обыкновенных дифференциальных уравнений?

7.Какие задачи для уравнений в частных производных называются стационарными, а какие нестационарными?

8.Назовите основные модельные задачи газовой динамики.

9.Назовите основные модельные задачи механики деформируемого твердого тела.

10.Назовите основные этапы метода крупных частиц.

11.Охарактеризуйте каждый этап метода крупных частиц.

12.Назовите особенности метода конечных элементов, области его применения.

13.Назовите особенности метода контрольных объемов, области его применения.

14.Перечислите, что входит в алгоритм реализации решения междисциплинарных задач на базе метода крупных частиц.

15.Что такое сеточная модель, адаптивная сетка?

16.С чем связано использование узловой системы координат?

Типовые вопросы текущего контроля по модулю 3

1.Что такое высокопроизводительные вычисления?

2.Какие требования предъявляются к программно-аппаратной системе для высокопроизводительных вычислений?

3.Классификация компьютеров.

4.Что такое производительность вычислительного устройства (компьютера)?

5.Какие основных технологии организации высокопроизводительных вычислений выделяют?

5.Что такое суперкомпьютер?

6.Какие архитектуры вычислительных систем бывают?

7.Что представляют собой симметричные мультипроцессорные системы (SMP)?

8.Что представляют собой массивно-параллельные системы (MPP)?

9.Что представляют собой параллельно-векторные системы (PVP)?

10.Что представляют собой системы с неоднородным доступом

кпамяти (NUMA)?

11.Как определяется пиковая производительность для многопроцессорных и многоядерных систем, к которым относятся вычислительные кластеры?

10