8 - 2000

Современные программные комплексы в учебном процессе

Яков Клебанов, Андрей Давыдов, В.Л.Папировский, Константин Жеков

Быстрое развитие и внедрение вычислительной техники практически во все сферы жизни привело к тому, что сегодня грамотный специалист в любой области знаний должен хорошо ориентироваться в мире компьютеров и владеть необходимыми программными средствами. Современный инженер не мыслим без знания систем автоматизации проектирования — CAD (Computer Aided Design), автоматизированной подготовки производства — CAM (Computer Aided Manufacturing) и автоматизации инженерного анализа — CAE (Computer Aided Engineering). Такие CAD/CAM-системы, как Power Solution, Pro/Engineer, Unigraphics и Solids Works, широко используются для компьютерного моделирования изделий сложной формы, с последующим выпуском чертежей и генерацией управляющих программ для станков с ЧПУ. Однако эти специализированные пакеты численного моделирования не обладают развитыми средствами инженерного анализа. CAE-системы инженерного анализа (ABAQUS, ANSYS, COSMOS, I-DEAS, NASTRAN и др.) позволяют не только выполнить качественное моделирование систем различной физической природы, но и исследовать отклик этих систем на внешние воздействия в виде распределения напряжений, температур, скоростей, электромагнитных полей и т.д. Использование данных программ помогает проектным организациям сократить цикл разработки, снизить стоимость изделий и повысить качество продукции. В связи с этим одной из самых актуальных задач высшей школы является подготовка специалистов, владеющих современными программными комплексами инженерного анализа.

Среди наиболее распространенных комплексов следует назвать программу ANSYS, использующую метод конечных элементов. Многоцелевая направленность этой программы, независимость от аппаратных средств, средства геометрического моделирования на базе B-сплайнов (технология NURBS), совместимость с CAD/CAM/CAE-системами ведущих производителей и дружественный интерфейс привели к тому, что именно ANSYS в настоящее время используется во многих вузах для обучения студентов и выполнения научно-исследовательских работ.

Программа ANSYS может быть положена в основу подготовки студентов различных специальностей — начиная с выполнения курсовых работ первокурсниками и заканчивая дипломными проектами. На первом курсе студент может ознакомиться с возможностями геометрического моделирования сложных конструкций. Далее, в курсе теоретической механики, с помощью ANSYS могут решаться задачи статики, кинематики и динамики. Решение целого ряда задач может быть освоено студентами и при изучении общеинженерных и специальных дисциплин. Благодаря наличию в ANSYS модулей теплового и гидроаэродинамического анализа, а также анализа электромагнитных, электрических полей и пьезоэлектрических явлений программа также может быть использована при подготовке специалистов по ряду специальностей большинства факультетов технических университетов.

В настоящее время лицензионная версия ANSYS установлена на ряде кафедр СамГТУ (г.Самара), а в компьютерном классе Вычислительного центра университета установлена учебная версия программы.

На кафедре «Теоретическая механика» накоплен большой опыт использования ANSYS в базовом курсе кафедры, где проводятся лабораторные работы с использованием этой программы. А с 1997 года в учебные планы ряда специальностей машиностроительного факультета вводятся новые дисциплины, полностью ориентированные на изучение ANSYS.

Так, например, в 1997 году для магистров пятого курса кафедры «Технология машиностроения» был разработан и введен новый курс «Моделирование процессов механической обработки и сборки», рассчитанный на 272 часа в двух семестрах и включающий в себя лекции и лабораторные работы. В 9-м семестре — зачет, в 10-м — экзамен. Кроме того, в 10-м семестре студенты готовят курсовой проект, в котором используют возможности программы для моделирования сложных процессов механической обработки и сборки. В качестве иллюстрации можно назвать лишь несколько тем этих проектов, выполненных в прошлом году: «Расчет деформаций дорожек качения подшипников от действия технологических остаточных напряжений», «Исследование напряженно-деформированного состояния в абразивных кругах», «Динамический анализ головки цангового механизма при закреплении в ней детали на шлифовальном станке», «Моделирование дробеструйной обработки», «Компьютерное моделирование процесса поверхностного пластического деформирования сферическим индентором». Отметим, что последняя из названных работ заняла третье место во Всероссийском конкурсе-выставке «Компьютерный инжиниринг». Итоги конкурса были подведены в Москве на традиционных Гагаринских чтениях, а с апреля по август 1999 года эта работа была помещена в Интернете, где любой желающий мог с нею ознакомиться.

Кроме того, результаты, полученные студентами в курсовых проектах, используются ими и в магистерских работах. В прошлом году состоялся выпуск первых магистров, изучающих ANSYS. Дипломные работы, выполненные с использованием ANSYS, явно выигрывали по сравнению с работами, в которых эта программа не применялась.

В 1998 году уже для студентов 2-го курса большинства специальностей машиностроительного факультета был введен новый курс «Прикладные задачи механики». Программа рассчитана на один семестр и включает в себя лекции и лабораторные работы объемом 119 часов. Группы делятся пополам, и два преподавателя проводят лабораторные работы в компьютерных классах Вычислительного центра, причем каждый студент работает за отдельным компьютером. Цель этого курса — научить студентов использовать ANSYS для решения прикладных задач механики. В дальнейшем они могут применять полученные навыки при изучении сопротивления материалов, теории машин и механизмов, деталей машин и различных специальных дисциплин.

В прошлом году к внедрению ANSYS в учебный процесс подключилась кафедра «Высшей и прикладной математики». Были выделены дополнительные часы для проведения лабораторных работ по курсу «Численные методы решения краевых задач» со студентами 4-го курса специальности «Прикладная математика».

В нашем университете работают с ANSYS и на нефтетехнологическом факультете. Там программа используется преподавателями и аспирантами при выполнении научно-исследовательских работ, а также некоторыми студентами в их дипломных проектах.

На кафедре «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» нефтетехнологического факультета, обучающей одну группу студентов числом 18-20 человек на каждом курсе, для небольшой группы наиболее успевающих студентов (три-пять человек) 4-го курса читается курс введения в ANSYS. Студентам даются такие темы курсовых проектов (впоследствии перерастающие в темы дипломных проектов), в которых задачу просто невозможно или очень трудоемко решить традиционными методами. Студенты, выполняющие курсовые и дипломные проекты с применением ANSYS, получают индивидуальные консультации по углубленному изучению необходимых разделов программы.

Таким образом, за последние два года студентами были исследованы несущие способности мачт подъемников, используемых при капитальном ремонте нефтяных скважин. Установлены причины разрушения мачт подъемника УПТ1-50 и даны рекомендации по их совершенствованию. Произведен сравнительный анализ несущей способности мачт подъемников УПТ1-50 и А-50 и выявлены причины большей несущей способности мачты подъемника А-50.

С помощью программы ANSYS спроектировано несколько мачт коробчатой конструкции для подъемников текущего и капитального ремонта скважин.

Первые выпускники кафедры, владеющие программой ANSYS, уже работают на производстве, и мы имеем сведения о том, что некоторые предприятия заинтересованы во внедрении этой программы для решения своих задач.

На кафедре планируется обучение всех студентов методу конечных элементов и программе ANSYS в рамках курса «Расчет и конструкция бурового и нефтепромыслового оборудования».

Аспирантами кафедры выполняются более сложные исследования напряженного состояния резьбовых соединений обсадных труб и пластин теплообменников.

Кафедра оказывает помощь организациям в проектировании переходов трубопроводов через железнодорожные пути, реки и прочие препятствия. При этом программа ANSYS используется и для расчета футляров этих трубопроводов.

На кафедре «Теоретическая механика» ANSYS используется также в научных исследованиях. Под руководством профессора Я.М.Клебанова был разработан новый, эффективный метод решения физически нелинейных задач механики деформируемого твердого тела, основанный на методе подконструкций и аппроксимирующих обобщенных моделях нелинейного деформирования. Основные теоретические положения, алгоритм и практическая реализация разработанного метода были представлены на 8-й Международной конференции и выставке «Simulating Real Life: Software with No Boundaries». Эта работа получила высокую оценку и была признана лучшей в секции нелинейных задач. Мы получили приглашение принять участие в следующей конференции «Simulation: Leading Design into the New Millennium» (Pittsburgh, USA), которая пройдет 28-30 августа этого года. В настоящее время профессор Я.М.Клебанов выполняет научную работу в одном из университетов США и ведет переговоры с фирмой ANSYS об использовании разработанного нами метода в последующие версии этой программы.

В заключение хочется отметить, что во внедрении современных программных комплексов инженерного анализа в учебный процесс заинтересованы как вузы, так и разработчики и дистрибьюторы этого программного обеспечения. Естественно, представители фирм хотят, чтобы как можно больше специалистов работали с их программным обеспечением, чтобы выпускники вузов работали на своих предприятиях именно с этими программами. А вузы, благодаря использованию таких программ в учебном процессе, внедряют методы активного обучения на базе компьютерной техники и повышают уровень подготовки специалистов, а также интерес студентов к изучаемым дисциплинам.

«САПР и графика» 8'2000