2871
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Н.П. Сидоров
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям, практическим занятиям (включая рекомендации по организации
самостоятельной работы и выполнению расчётно-графических работ)
по дисциплине «Численное моделирование гидротехнических сооружений» по направлению подготовки 08.04.01 «Строительство»,
направленность «Гидротехническое строительство»
Нижний Новгород
2016
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Н.П. Сидоров
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям, практическим занятиям (включая рекомендации по организации
самостоятельной работы и выполнению расчётно-графических работ)
по дисциплине «Численное моделирование гидротехнических сооружений» по направлению подготовки 08.04.01 «Строительство»,
направленность «Гидротехническое строительство»
Нижний Новгород
2016
УДК 627:004
Сидоров Н.П. Численное моделирование гидротехнических сооружений. [Элек-
тронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / Н.П. Сидоров; Нижегор. гос. архитектур. - строит.
ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 21 с; ил. 1 электрон. опт. диск (CD-RW)
Приведены рекомендации по подготовке к лекциям и практическим занятий по дисциплине «Численное моделирование гидротехнических сооружений». Представлены рассматриваемые на занятиях темы, и основные положения по их освоению, как в теоре-
тической части, формирующие составляющие компетенций знания, так и в практической частях, по выполнению расчётно-графических работ, формирующих умения и владения.
Также приводятся темы графических работ и контрольные вопросы итогового испытания на экзамене.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к практическим занятиям по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Гидротехническое строи-
тельство.
© Н.П. Сидоров, 2016 © ННГАСУ, 2016.
Оглавление
1. |
Общие положения.......................................................................................................... |
5 |
|
|
1.1 |
Цели изучения дисциплины и результаты обучения............................................. |
5 |
|
1.2 |
Содержание дисциплины........................................................................................ |
5 |
|
1.3 |
Порядок освоения материала.................................................................................. |
7 |
|
Использование стандартных программно-вычислительных комплексов для |
||
расчётов и моделирования работы гидротехнических сооружений....................................... |
8 |
||
2. |
Методические указания по подготовке к лекциям....................................................... |
9 |
|
|
2.2 |
Общие рекомендации по изучению материала лекций ......................................... |
9 |
3. |
Методические указания по подготовке к практическим занятиям............................ |
14 |
|
|
3.1 |
Общие рекомендации по подготовке к практическим занятиям......................... |
14 |
|
3.2 |
Общие рекомендации по изучению материала практической части .................. |
14 |
|
3.3 |
Темы расчётно-графических работ (РГР)............................................................. |
15 |
|
3.4 |
Требования к расчётно-графическим работам..................................................... |
16 |
4. |
Методические указания по организации самостоятельной работы........................... |
17 |
|
|
4.1 |
Общие рекомендации для самостоятельной работы............................................ |
17 |
|
4.2 |
Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы............................ |
19 |
|
4.3. Перечень ресурсов информационно – телекоммуникационной сети «интернет» |
||
(далее - сеть «интернет»), необходимых для освоения дисциплины................................... |
20 |
1. Общие положения
1.1 Цели изучения дисциплины и результаты обучения
Целями освоения учебной дисциплины Б1.В.ДВ.2.1 Численное моделирование гидро-
технических сооружений являются:
Подготовка выпускника к решению профессиональных задач по численному (компью-
терному) моделированию поведения конструкций и сооружений, выбору адекватных расчёт-
ных моделей исследуемых объектов, анализу возможностей программно-вычислительных комплексов расчёта и проектирования конструкций и сооружений, разработки, верификации и программная реализации методов расчёта и мониторинга строительных конструкций.
1.2 Содержание дисциплины
Материал дисциплины сгруппирован по следующим разделам: 1. Понятие моделирования. Виды моделирования
Математическое (численное) моделирование. Понятие модели и моделирования. Ви-
ды моделирования. Требования к модели. Классификация моделей. Физическая, математиче-
ская (численная) и компьютерная модели
2. Численное моделирование работы гидротехнических сооружений с использованием современных программных комплексов
Современные средства компьютерного моделирования и расчёта строительных конст-
рукций и сооружений. Функции программных комплексов NASTRAN, DYTRAN, ANSYS,
SCAD, Plaxis
3. Комплексные модели природной среды и экосистем расположения гидротехниче-
ских сооружений Географические информационные системы (ГИС) Сфера применения ГИС в гид-
ротехническом строительстве. Функциональные виды ГИС. Представление географической информации картами ГИС. Типы слоёв ГИС. Пространственная привязка и системы коорди-
нат в ГИС. Проекции используемы в картографии и ГИС. Основные типы и элементы гео-
графической информации ГИС. Численные модели природной среды расположения ГС на основе ГИС
5
4. Численные методы Понятие численных методов. Численные методы при решении инженерных задач
гидротехники. Примеры расчётов. Уравнения в частных производных, определяющие мате-
матические и физические модели работы ГС: Лапласа; Фурье; Пуассона; Фурье-Киргофа;
уравнения гидродинамики Навье-Стокса и Сен-Венана. Метод конечных разностей (МКР) –
дискретизация дифференциальных уравнений, разностные сетки, явные и неявные схемы,
краевые и граничные условия. Основные принципы метода конечных элементов (МКЭ). Ме-
тоды решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ): прямые – Гаусса, LU
разложения, прогонки трёх диагональных матриц; итерационные – МПИ, Зейделя, Релакса-
ций. Этапы решения задач численными методами и создания компьютерной модели иссле-
дуемого процесса.
5. Использование стандартных программно-вычислительных комплексов для расчётов и моделирования работы гидротехнических сооружений
Программно-вычислительный комплексы в области расчёта геотехнических сооруже-
ний Plaxis.
Создание в Plaxis численной модели геотехнического объекта: конечно-элементной сетки и краевых условий. Численное моделирование этапов работы и нагружения геотехни-
ческого объекта. Графический вывод и анализ результатов моделирования.
В рамках раздела 5 выполняется РГР 1. Расчёт устойчивости гидротехнического со-
оружений методом компьютерного моделирования в программном комплексе Plaxis, осно-
ванном на численных методах.
6. Разработка компьютерных средств численного моделирования и расчёта гидротех-
нических сооружений Разработка математической модели процесса и алгоритма расчёта.
Разработка средств компьютеризации моделирования и расчёта: рабочая среда объ-
ектно-ориентированного языка программирования, принципы программирования в нём; объ-
екты их свойства и события; типы переменных; стандартные процедуры и функции; опера-
торы математические, логические, циклические; компиляция программы; отладка програм-
мы; создание новых типов переменных; динамические и статические массивы и операции с ними; параллельно исполняемые процедуры и вычисления; запись данных в файл и чтение из файла. Верификация методики и программного средства. Расчётные исследования с помо-
щью разработанного программного средства В рамках раздела 6 выполняется РГР 2. Разра-
ботка программно-вычислительного средства.
6
1.3 Порядок освоения материала
Студенту предлагается ознакомиться с программой дисциплины, озвучивается список рекомендованной литературы, включающий учебники, нормативные издания, учебные посо-
бия по дисциплине, подготовленные в ННГАСУ, периодическую литературу.
Часовой объем курса делится на аудиторный и самостоятельный, основными формами его реализации являются лекционные и практические занятия, а также формы самостоятель-
ной работы: выполнение расчётно-графических работ и подготовка к экзамену.
Аудиторные занятия по данной дисциплине проводятся в виде лекционных и практи-
ческих занятий, на которых каждый студент обеспечен рабочим местом за компьютером с необходимым набором программ, что позволяет во время занятий как опробовать излагае-
мый преподавателем теоретический материал, так и выполнить основные этапы расчётно-
графической работы. Представляемый в мультимедийной форме теоретический материал по-
зволяет в сжатые сроки представить значительный объем структурированной информации,
сопровождаемой многими наглядными примерами и иллюстрациями.
Практические занятия дают возможность студенту освоить: возможности моделиро-
вания в программно-вычислительных комплексах расчёта и проектирования конструкций и сооружений; приёмы программирования, получить помощь преподавателя в составлении ма-
тематической модели, алгоритма и текста разрабатываемой компьютерной программы, кото-
рую затем студент заканчивает при самостоятельной работе. В итоге оформляется отчёт по расчётно-графическим работам (РГР).
Преподаватели кафедры при проведении лекций и практических занятий по дисцип-
лине используют различные методики и формы работы: тестирование, фронтальный опрос,
эвристическую беседу и др. Обязательно используются мультимедиа.
На первом занятии для сдачи итогового экзамена студентам выдаётся список подгото-
вительных вопросов, охватывающих весь спектр тем по дисциплине. Непосредственно перед экзаменом проводится консультация, на которой рассматриваются содержательные и орга-
низационные вопросы.
Материал дисциплины изучается в соответствии с порядком, определённым в сле-
дующей таблице 1.1.
7
|
|
Таблица 1.1 |
|
Порядок освоения дисциплины |
|
|
|
|
№ |
Раздел дисциплины |
№№ предшест- |
|
|
вующих разде- |
|
|
лов |
|
|
|
1 |
Понятие моделирования. Виды моделирования |
- |
|
|
|
2 |
Численное моделирование работы гидротехнических сооружений с |
1 |
|
использованием современных программных комплексов |
|
|
|
|
3 |
Комплексные модели природной среды и экосистем расположения |
- |
|
гидротехнических сооружений. Географические информационные |
|
|
системы (ГИС) |
|
|
|
|
4 |
Численные методы |
1,2 |
|
|
|
5 |
Использование стандартных программно-вычислительных комплек- |
1,2,4 |
|
сов для расчётов и моделирования работы гидротехнических соору- |
|
|
жений |
|
|
|
|
6 |
Разработка компьютерных средств численного моделирования и рас- |
1, 2 |
|
чёта гидротехнических сооружений |
|
|
|
|
8
2. Методические указания по подготовке к лекциям
Аудиторные занятия по дисциплине предусмотрены в форме лекций и практических занятий. На лекциях изучается теоретическая часть курса, а на практических занятиях соот-
ветственно практическая часть.
Теоретическая часть представляется преподавателем в устной форме, а также с помо-
щью презентаций передаёт обучаемым знания по основным, фундаментальным вопросам изучаемой дисциплины.
Назначение лекций и теоретической части состоит в том, чтобы доходчиво изложить основные положения изучаемой дисциплины, ориентировать на наиболее важные вопросы учебной дисциплины и оказать помощь в овладении необходимых знаний и применения их на практике. Таким образом, в основном формируется составляющая компетенций – знания.
При подготовке к лекционным занятиям студенты должны ознакомиться с презентаци-
ей, предлагаемой преподавателем, отметить непонятные термины и положения, подготовить вопросы с целью уточнения правильности понимания. Рекомендуется приходить на лекцию подготовленным, так как в этом случае лекция может быть проведена в интерактивном ре-
жиме, что способствует повышению эффективности лекционных занятий.
2.2 Общие рекомендации по изучению материала лекций
Раздел 1. Понятие моделирования. Виды моделирования — 1 лекция.
Цель: вызвать интерес к изучению курса, сформировать представление об численном моделировании как важном профессиональном инструменте расчётного обоснования при проектировании конструкций и сооружений.
На занятиях рассматриваются
Математическое (численное) моделирование. Понятие модели и моделирования. Виды моделирования. Требования к модели. Классификация моделей. Физическая, математическая
(численная) и компьютерная модели.
Контрольные вопросы
1.Понятие модели и моделирования. Требования к модели.
2.Классификация моделей по различным основаниям.
3.Физическая, математическая (численная) и компьютерная модели процессов.
9
Раздел 2. Численное моделирование работы гидротехнических сооружений с ис-
пользованием современных программных комплексов — 1 лекция.
Цель: Сформировать у студентов представление о круге расчётных задач, решаемых методами численного моделирования, существующих программных продуктах общего на-
значения и их функциях.
На занятиях рассматриваются
Современные средства компьютерного моделирования и расчёта строительных конст-
рукций и сооружений. Функции программных комплексов NASTRAN, DYTRAN, ANSYS, SCAD, Plaxis; Программы разработанные на кафедре ГС ННГАСУ (NORD, Talik, Filtr, Stream2D и др).
Контрольные вопросы к разделу 2
1.Современные средства компьютерного моделирования и расчёта строительных конструкций и сооружений. Функции программного комплекса NASTRAN.
2.Функции программного комплекса DYTRAN.
3.Функции программного комплекса ANSYS.
4.Назначение программного комплекса Plaxis.
Раздел 3. Комплексные модели природной среды и экосистем расположения гид-
ротехнических сооружений. Географические информационные системы (ГИС) — 2
лекции.
Цель: Показать студентам классы задач при проектировании и эксплуатации гидротех-
нических сооружений и гидроэнергетических объектов, решаемых на географической ин-
формационной основе с применением Географических информационных систем.
На занятиях рассматриваются:
-сфера применения ГИС в гидротехническом строительстве;
-функциональные виды ГИС;
-представление географической информации картами ГИС;
-типы слоёв ГИС;
-пространственная привязка и системы координат в ГИС;
-проекции, используемые в картографии и ГИС
-основные типы и элементы географической информации ГИС.
Контрольные вопросы к разделу 3
1. Географические информационные системы (ГИС), сфера применения.
10