2844

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Н.П. Сидоров

КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ В ГИДРОТЕХНИКЕ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям, практическим занятиям (включая рекомендации по организации

самостоятельной работы и выполнению расчётно-графических работ)

по дисциплине «Компьютеризация моделирования в гидротехнике» по направлению подготовки 08.04.01 «Строительство»,

направленность «Гидротехническое строительство»

Нижний Новгород

2016

УДК 721:004

Сидоров Н.П. Компьютеризация моделирования в гидротехнике. [Электронный ре-

сурс]: учеб.- метод. пос. / Н.П. Сидоров; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н.

Новгород: ННГАСУ, 2016. – 20 с; ил. 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Приведены рекомендации по подготовке к лекциям и практическим занятий по дисциплине «Компьютеризация моделирования в гидротехнике». Представлены рассмат-

риваемые на занятиях темы, и основные положения по их освоению, как в теоретической части, формирующие составляющие компетенций знания, так и в практической частях, по выполнению расчётно-графических работ, формирующих умения и владения. Также при-

водятся темы графических работ и контрольные вопросы итогового испытания на экзаме-

не.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекциям и практиче-

ским занятиям по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Гидротехни-

ческое строительство.

© Н.П. Сидоров, 2016 © ННГАСУ, 2016.

Оглавление

1. Общие положения

1.1 Цели изучения дисциплины и результаты обучения

Целями освоения учебной Б1.В.ДВ.1.1 Компьютеризация моделирования в гидротех-

нике являются:

подготовка выпускника к решению профессиональных задач: разработки и верифика-

ции методов и программно-вычислительных средств для расчётного обоснования и монито-

ринга объекта проектирования методами компьютерного (численного) моделирования; рас-

чётное обеспечение проектной и рабочей документации, в том числе с использованием уни-

версальных и специализированных программно-вычислительных комплексов, и систем ав-

томатизированного проектирования.

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. Современные технологии компьютерного моделирования и расчёта строительных конструкций и сооружений

Современные средства компьютерного моделирования и расчёта строительных конст-

рукций и сооружений. Функции программных комплексов NASTRAN, DYTRAN, ANSYS,

SCAD, Plaxis

3. Компьютерные модели природной среды и экосистем расположения гидротехниче-

ских сооружений. Географические информационные системы (ГИС)

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 в основе компьютерных моделей 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. Компьютеризация моделирования гидротехнических сооружений с использованием стандартных программно-вычислительных комплексов

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 и верификация программно-вычислительных средств для компьютери-

зации математического моделирования гидротехнического сооружения Разработка математической модели процесса и алгоритма расчёта. Разработка средств

компьютеризации моделирования и расчёта: рабочая среда объектно-ориентированного язы-

ка программирования, принципы программирования в нём; объекты их свойства и события;

типы переменных; стандартные процедуры и функции; операторы математические, логиче-

ские, циклические; компиляция программы; отладка программы; создание новых типов пе-

ременных; динамические и статические массивы и операции с ними; параллельно исполняе-

мые процедуры и вычисления; запись данных в файл и чтение из файла. Верификация мето-

дики и программного средства. Расчётные исследования с помощью разработанного про-

граммного средства

6

В рамках раздела 6 выполняется РГР 2. Разработка программно-вычислительного средства.

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 последовательности выделенных разделов.

7

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 компьютер-

ном 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.

8

Раздел 2. Современные технологии компьютерного моделирования и расчёта

строительных конструкций и сооружений — 1 лекция.

Цель: Сформировать у студентов представление о круге расчётных задач, решаемых методами компьютерного (математического) моделирования, существующих программных продуктах общего назначения 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. Компьютерные модели природной среды и экосистем расположения гид-

ротехнических сооружений. Географические информационные системы (ГИС) — 2

лекции.

Цель: Показать студентам компьютерные модели природной среды и экосистем распо-

ложения гидротехнических сооружений, требующих применяя географической информаци-

онной основы.

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.

9

2.Функциональные виды ГИС.

3.Представление географической информации картами ГИС.

4.Типы слоёв ГИС. Основные типы и элементы географической информации ГИС.

5.Пространственная привязка и системы координат в ГИС. Проекции используемы в картографии и ГИС.

Раздел 4. Численные методы в основе компьютерных моделей – 7 лекций.

Цель: Дать студентам понимание того, что такое численный метод расчёта и моделиро-

вания сооружений и объектов, основных этапах исследования с его применением.

На занятиях рассматриваются:

-понятие численных методов;

-численные методы при решении инженерных задач гидротехники; примеры расчё-

тов;

-уравнения в частных производных, определяющие математические 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 (граничные и начальные) условия;

-метод конечных элементов (МКЭ);

-методы решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ): прямые – Га-

усса, LU разложения, прогонки трёх диагональных матриц;

-итерационные методы решения СЛАУ – МПИ, Зейделя, Релаксаций и сравнение их результативности.

-этапы решения задач численными методами и создания компьютерной модели ис-

следуемого процесса..

Контрольные вопросы к разделу 4

1. Определения аналитических и графических методов. Понятия численного метода.

Решение уравнений методом деления отрезка пополам.

2. Основные уравнения гидротехники в частных производных. Уравнения Лапласа,

Фурье, Пуассона, Фурье-Киргофа.

3. Основные уравнения гидротехники в частных производных. Уравнения гидродина-

мики Навье-Стокса и Сен-Венана.

4. Основные этапы метода конечных разностей МКР.

10