суббота, 19 мая 2012 г.

Доклад на конференции CADFEM

15 и 16 мая в Киеве проходила конференция по программным продуктам ANSYS/ANSOFT, проводимая группой компаний CADFEM  (CADFEM-CIS, КАДФЕМ Украина). О самой поездке и конференции я расскажу позже, а в данном сообщении презентация моего сообщения и некоторое количество комментариев к слайдам.

С продуктами компании ANSYS в ХПИ знакомы многие и давно. Уровень знакомства, конечно отличается. Так например, сотрудники центра "Тензор" или кафедры "Динамики и Прочности" имеют опыт работы уже существенно больше десятка лет. У многих знакомство состоялось с пятых версий, у некоторых - даже раньше. Были (а вернее бывали) и коммерческие и учебные лицензии. Однако, не всегда можно убедить ВУЗовское начальство в необходимости трат денег на ПО. Особенно если это деньги не малые.
Впрочем речь в презентации шла не об этом, а о том как используются программные продукты компании ANSYS в учебном процессе нашей кафедры. Раз так то далее ближе к теме.
Восемь лет назад была открыта специальность ИТП (информационные технологии проектирования), в рамках которой сотрудники центра "Тензор" принялись учить студентов тому что сами умеют. Так как центр занимался преимущественно вопросами прочности, то было принято решение готовить прочнистов.
На этом этапе возник вопрос что читать, как читать, в каком объеме и какой последовательности.
Наиболее распространенными на тот момент вариантами преподавания САПР вообще, и CAE (в т.ч. ANSYS) в частности, были:
  • Не преподаются, запрещаются к использованию
  • Не преподаются, самостоятельно изучаются студентами в рамках курсовых и дипломов
  • Преподаются с младших курсов в рамках «сопромата» и др.
  • Преподаются на старших курсах
Рассмотрим более подробно. Итак, первый вариант, к сожалению наиболее распространенный даже спустя почти десяток лет - это не преподается вообще никак. Ну нет САПРа и все тут. Причины такому поведению могут быть различны. Например отсутствие материально-технической базы, или преподавателей. Но в основном все дело в людях. потому, что часто не только ПО и современные методики не преподается, но и более того - запрещается к использованию. Исключительно по старинке, исключительно ручками...

Второй вариант более продвинут и заключается в том, что в рамках аудиторных занятий (лекционные, лабораторные, практические занятия) ПО не читается, но зато студентам милостиво разрешают изучить самостоятельно при выполнении курсовых и дипломных работ и проектов. Иногда не только разрешают, но и заставляют.  Может ли при этом студент получить консультацию по ПО от преподавателей - к сожалению под вопросом. Такие варианты работают, когда кафедры не могут найти в устоявшемся учебном процессе часы для современного ПО. Зачастую это действительно проблема. Но не редко, а обычно гораздо чаще, это встречается когда на кафедре есть амбиции, но при этом нет желания что-то самостоятельно изучать. Как оправдание предыдущему варианту, и как альтернативу можно сказать, что у преподавателей действительно не всегда есть время чтобы изучить все ПО, и поручая студентам те или иные вещи, иногда получается рассмотреть плюсы и минусы различного ПО, причем гораздо быстрее чем если бы этим занимался сам преподаватель (так как у него времени еще меньше чем у студента). Не редко такое бывает, когда студенты выполняют курсовые и дипломы вне стен родной кафедры. Собственно в рамках работы в научно-исследовательском центре "Тензор", студентам и приходилось самостоятельно (пусть и под руководством старших) изучать то или иное ПО для выполнения своих текущих задач.

Третий вариант часто продвигается "продвинутыми" преподавателями общеобразовательных кафедр. Кафедр через которые проходит практически весь институт. И вот в рамках такого обучения часть вещей переводят на современный лад. Иногда это затрагивает только вопросы 2D, иногда 3D CAD, а иногда даже доходит до CAE. И вот тут следует сделать некоторую паузу. Чем более сложные вещи внедряются в рамках таких курсов, тем больше слышится недовольства, что вместо инженеров умеющих думать готовятся "мартышки" умеющие только нажимать кнопки. Данное утверждение очень плотно укоренилось в мозгах многих и выбить его оттуда достаточно сложно. В целом данное утверждение не безосновательно, но происходит некоторая подмена понятий.  Компьютер не заменяет мозги, но и не отключает. Компьютер это лишь инструмент. И если он не работает  - значит надо задуматься о том правильно ли его используют в учебном процессе. Немного на эту тему написано тут. При очевидных минусах (уже названных) данный подход имеет и не менее очевидный плюс - чем раньше человек начинает - тем больше у него практики. А при наличии обширной и разносторонней практики в конечном итоге человек начинает думать, пусть и по другому. И да, мы считаем, что данный подход применим даже к ANSYS и прочим CAE продуктам. Однако тут следует добавить, что наибольшего результата, в таком случае, можно добиться при подготовке специальности с типовыми задачами. Проектирование редукторов, проектирование подъемно-транспортных машин, проектирование железнодорожного транспорта. Т.е. там где нет широкого разнообразия конструкций и принципиального различия методов исследования. Если же речь идет о CAD - то мы считаем, что это надо давать как можно раньше.

Последний вариант это преподавание на старших курсах. В нашем случае, когда речь идет о CAE и подготовке расчетчиков широкого профиля - это наиболее подходящий вариант. Нашим выпускникам, может прийтись считать крайне широкий класс конструкций, с принципиально различными условиями работы, а это значит, что не достаточно знать интерефейс и заменять "сопроматовские" формулы на аналогичную CAE модель. Это значит, что им придется самостоятельно выбирать наиболее подходящий вариант упрощений, подбирать теории по которым будет оцениваться работоспособность, а это значит серьезное знание фундаментальных дисциплин.

Именно по этому, "просчитав" все варианты мы пришли к выводу, что до четвертого курса CAE как такового не будет. Будет серьезная теория, будут расчеты руками, будет некоторое количество простых "тыкалок", чтобы студенты увидели что подобные задачи можно решать не только руками, и при этом получили более наглядные и понятные им результаты.. Но в основном - теория. Чтобы в дальнейшем было проще переходить на CAE, с младших курсов кроме теории дается приличное число часов на работу в CAD.

Раз определились как читать, что читать и в какой последовательности, то неплохо бы это озвучить.. Итак часы на теорию:
image 
"Жирным" выделены предметы, которые не всегда встречаются в рамках обучений конструкторов и проектировщиков: уравнения матфизики, теория упругости, механика сплошной среды, основы МКЭ. В таблице названия на "языке оригинала", но в принципе вроде проблем с пониманием быть особых не должно. Если будут - я переведу.

Как видно из таблицы на теорию отводится достаточно большое количество часов, и это еще не вся фундаментальная подготовка (отсутствует ТММ, детали машин и пр.).

Изучению программных комплексов у нас отводится тоже не мало часов. Так для обучения ANSYS'у выделены следующие дисциплины:
image
"Жирным" выделены предметы, в рамках которых читается "классический" ANSYS, ноне именуемый ANSYS APDL. Остальное под ANSYS Workbench. Как видно и под аудиторную работу отводится немало часов.

С часами разобрались. Однако часы не дают понимания, что читается в рамках предметов. Особенно если иногда присмотреться к названиям :)
Итак в рамках изучения ANSYS APDL студенты изучают:
  • Основы МКЭ: разрешающие уравнения для различных задач, типы элементов, принцип решения
  • Создание геометрии и КЭ сетки с линейными, поверхностными и трехмерными телами,
  • Импорт и доработка геометрии: упрощение разделение/объединение геометрии, извлечение срединной поверхности,
  • Pre-post processing, основы интерфейса, типы ГУ, вывод результатов
    Базовые анализы: линейная статика, модальный анализ, линейная устойчивость, контактные задачи, теплопередача
  • APDL, TCL/Tk

Если посмотреть на список вопросов, то видно что обучение происходит по классическому курсу ANSYS. Раньше, когда под ANSYS подразумевался продукт сейчас именуемый ANSYS APDL, а не Workbench, часов на классику было больше. Сейчас из-за изменения компанией ANSYS политики и благодаря полученному от компании CADFEM-CIS лицензии на ANSYS Academic Teaching  большее внимание уделяется новому флагману. В рамках обучения "классики" основной ключевой упор на последовательность действий, которая в WB иногда является несколько "завуалированным", кроме того "классика" требует чуть большего внимания со стороны пользователя, что заставляет студентов относиться к задачам более обдумано. Также студенты изучают основы работы с ANSYS Parametric Design Language (APDL) - собственно внутренним языком программирования ANSYS, который существенно расширяет расчетные возможности, ибо в классике без его знания делать по сути нечего. В классике же студенты выполняют курсовой и дипломную работу бакалавра (4 курс).
После чего ребята переходят к Workbench'у, и в нем уже изучают основы нового интерфейса:
  • Модуль Geometry: работа с эскизами, создание 3D элементов на базе эскизов, работа с параметрами, лечение геометрии, доработка и модификация геометрии
  • Модуль Meshing: patch conforming и patch independent, тетраэдальные сетки, hex dominant, sweep и multizone сетки, настройка параметров сетки и контроль качества

и расчетные возможности:
Типы расчетов:
  • базовые типы, 
  • Температурные задачи
  • Нелинейные статические задачи
  • Основы CFX
  • Задачи динамики
Под базовыми понимаются:
линейная статика, модальный анализ, линейная устойчивость, submodelling и основы модулей  design exploration и shape optimization.

В температурных задачах рассматриваются: стационарный/не стационарный теплообмен, учет нелинейных зависимостей материала и граничных условий.

В нелинейностях студенты изучают: контакт, эффекты упрочнения, гиперупругие материалы, геометрическая нелинейность, диганостика сходимости.

Что касается CFX'а: физика процесса, интерфейс пре/пост процессоров, расчет стационарных и переходных процессов, модели турбулентности, теплопередача.

При решении задач динамики рассматриваются: Модальный анализ, в т.ч. с учетом преднапряженного состояния; Гармонический анализ, сейсмика, задачи на случайные колебания; Переходные динамические задачи; Rigid Body Motion; Основы Explicit Dynamics.

Следует отметить, что основное время уделяется вопросам прочности и прочим задачам механики. Газодинамика, Explicit Dynamics, Композиты и ряд других вещей даются исключительно в ознакомительном объеме. Чтобы студенты представляли что такое тоже можно решать. Более детальное изучение требует и лучшей теоретической подготовки по данным вопросам и существенно большей практики. Что в рамках ограниченных часов в ВУЗе сделать тяжеловато.
Ну и если быть абсолютно честными то и нам (преподавательскому составу) нужно с данными задачами разобраться в большем объеме. При учете, что  на подобные вещи заказы бывают очень редко, наработок у нас существенно меньше чем по классическим задачам механики.

Более удобный интерфейс позволяет рассмотреть большее количество задачи делая основные акценты на физике процессов, а не борьбе с интерфейсом. Первый из курсовых на пятом курсе студенты выполняют в ANSYS Workbench, а вот дальнейшие работы уже в ПО на собственное усмотрение. Не смотря на, казалось бы, явные преимущества современного интерфейса пред "анархизмами," среди студентов находится немало и тех, кто для решения своей задачи выбирают "классику" или нечто другое. Некоторые выбирают даже ПО из тех, что ранее не изучались. А вот бесплатные CAE у нас пока не пользуются спросом.

Немаловажным вопросом является на базе чего мы все это читаем.
Классический ANSYS читается с использованием книг:
  • Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров. Справочное пособи
  • Басов К.А. ANSYS в примерах и задача
  • Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство.
Также в обучении используются материалы купленные у "прошлого" КАДФЕМа (покупались вместе с лицензией).
Также для методического обеспечения по классике в свое время сотрудниками кафедры был переведен интернет курс от канадского университета "Альберта".

При обучении ANSYS Workbench используются курсы разработанные компанией ANSYS. Как сказали представители CADFEM-CIS, доступ к ним могут получить все у кого есть TECS  (техническая поддержка). Всего там более 150 курсов. По какой-то причине нам данная возможность была не доступна, по этому мы использовали доступные ресурсы. В данном случае rutracker.org. Да, там устаревшие материалы... но, как говорится  нету арфы - бейте в бубен. Часть материалов уже переведена, часть еще требует перевода. Та часть которая переведена вычитывалась только один раз, а значит есть и корявости в переводе, и необходимость модификации курсов под часы и нашу программу обучения, но это уже дело дальнейшее. Будут лицензии - мы это продолжим. На счет делиться наработками. Мы не жадные, но тут два момента. Во первых исходники - не наши, и одно дело использовать для личных нужд, другое дело выкладывать в всеобщий доступ. Во вторых мы не привыкли выкладывать сырые вещи,  а они пока еще сыроваты. Впрочем  надеюсь в ближайшее время этот вопрос решим в ту или иную сторону.

Следующим вопросом, который может возникнуть это: где посмотреть на результаты работ наших студентов? А то часов много, умных слов еще больше, а результаты?
Мы стараемся выкладывать результаты работ курсовых и дипломных на блоге кафедры. Так как в последнее время резко увеличилась нагрузка (о причинах я уже рассказывал) мы не всегда находим время на блог, но в последнее время стараемся, чтобы студенты были заинтересованы сами в публикации своих материалов (тут приходится комбинировать кнут и пряник). Материалы публикуются студентами на студблоге. Надеемся также немного осовременить сайт кафедры и навести некоторый порядок, что облегчит жизнь и студентам, и нам, и возможно другим. В рамках презентации, которая встроена в данное сообщение, и содержит вышенаписанную информацию в тезисном виде, есть некоторое количество примеров студенческих работ. Это сделано для удобства, чтобы не пришлось далеко ходить. Ну а если представленная на слайдах информация Вас заинтересует настолько, что Вы захотите лучше познакомиться с работами студентов - милости просим на студблог и блог кафедры.

Также мы стараемся проводить семинары и конференции на которых пытаемся сделать работу по современным методикам и современному ПО более популярными. Казалось бы что это давно всем известно и все понимают преимущества... но как показывает практика семинаров - не все так радужно. в данном направлении. Ну и кроме того что мы организуем некоторые мероприятия (см.  тут), мы стараемся участвовать и в чужих мероприятиях, чтобы набираться дополнительного опыта, ну и конечно рассказывать немного о себе. Как в данном случае. При организации семинаров, мы не отказываемся от совместного проведения, или помощи в организации. Так например с КАДФЕМ Украина был проведен семинар в июне прошлого года. Или участвуем и не всегда пассивно в семинарах проводимых  ХНАДУ, НПП “ТИС” по продуктам Autodesk (даже не смотря на то, что ХНАДУ - вроде как с точки зрения высшего начальства является нашим конкурентом). Так что если у Вас есть вопросы или идеи - мы всегда готовы к сотрудничеству.
Собственно по слайдам все. Это была информация по  последнему смысловому слайду. Остальное - чисто иллюстративный материал в виде работ студентов.

Если посмотреть на работы студентов, то видно что над студентами мы "немного" "издеваемся". Это выражается в том, что мы заставляем делать вручную структурированную сетку, причем не всегда для простой геометрии. Заставляем упрощать геометрию, причем как сборки так и детали, чтобы они при сохранении точности "съедали" как можно меньше ресурсов ну и так далее.. Причина тому простая - мы пытаемся научить студентов что можно решить практически любую задачу даже если есть ограничение по ресурсам, а оно есть всегда.

Что следует заметить ANSYS - не единственный CAE используемый в учебном процессе, но можно сказать, что ему уделяется сейчас наибольшее внимание. Впрочем, в связи с ежегодным ужесточением борьбы с пиратством ключевым вопросом становится не только уровень компетенции в каком-то ПО, но и наличие лицензий. В этом плане инициатива CADFEM-CIS очень кстати. Особенно для ВУЗов, которые не хотят могут тратить деньги на лицензии (типа нашего ВУЗа). 

Было бы интересно почитать как внедрение ПО в учебный процесс происходит у Вас, и какие есть проблемы, вопросы.

Ну и напоследок сама презентация:




Комментариев нет:

Отправить комментарий

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...
Rambler's Top100