3855_kompyuternoe modelirovanie zadach mekhaniki poleta _kaile_78sem_sait_
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Московский физико-технический институт (государственный университет)»
«УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной и методической работе
Д.А. Зубцов
|
Рабочая программа дисциплины (модуля) |
по дисциплине: |
Компьютерное моделирование задач механики полета |
по направлению: |
Прикладная математика и информатика (бакалавриат) |
профиль подготовки: |
Прикладная математика и информатика (общий) |
факультет: |
аэромеханики и летательной техники |
кафедра: |
аэрофизического и летного эксперимента |
курс: |
4 |
квалификация: |
бакалавр |
Семестры, формы промежуточной аттестации:
7(Осенний) - Дифференцированный зачет 8(Весенний) - Дифференцированный зачет
Аудиторных часов: 102 всего, в том числе: лекции: 34 час.
практические (семинарские) занятия: 51 час. лабораторные занятия: 17 час.
Самостоятельная работа: 78 час.
Всего часов: 180, всего зач. ед.: 5
Программу составил: Ю.А. Завершнев, к.ф.м.н, старший научный сотрудник
Программа обсуждена на заседании кафедры
СОГЛАСОВАНО: |
|
Декан факультета аэромеханики и летательной техники |
В.В. Вышинский |
Начальник учебного управления |
И.Р. Гарайшина |
1. Цели и задачи
Цель дисциплины
Изучение основ моделирования на ПЭВМ движения авиационных и ракетно-космических летательных аппаратовэ.
Задачи дисциплины
–освоение студентами базовых знаний в области математического моделирования;
–приобретение навыков работы на ПЭВМ при моделировании полета ЛА;
–оказание помощи студентам в проведении собственных разработок преддипломного характера.
2.Место дисциплины (модуля) в структуре образовательной программы
Дисциплина «Компьютерное моделирование задач механики полета» относится к вариативной части образовательной программы
Дисциплина «Компьютерное моделирование задач механики полета » базируется на дисциплинах: Высшая алгебра и теория представлений; Дифференциальные уравнения; Математический анализ; Общая физика;
Методы математической физики в задачах тепло-массопереноса разряженного газа.
3. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю), соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной программы
Освоение дисциплины направлено на формирование следующих общекультурных, общепрофессиональных и профессиональных компетенций:
способность использовать основы философских знаний для формирования мировоззренческой позиции (ОК-1); способность анализировать основные этапы и закономерности исторического развития
общества для формирования гражданской позиции (ОК-2); способность использовать основы экономических знаний в различных сферах жизнедеятельности (ОК-3);
способность использовать основы правовых знаний в различных сферах жизнедеятельности
(ОК-4);
способность собирать, обрабатывать и интерпретировать данные современных научных исследований, необходимые для формирования выводов по соответствующим научным исследованиям (ПК-1); способность понимать, совершенствовать и применять современный математический аппарат
(ПК-2);
способность критически переосмысливать накопленный опыт, изменять при необходимости вид и характер своей профессиональной деятельности (ПК-3); способность работать в составе научно-исследовательского и производственного коллектива и решать задачи профессиональной деятельности (ПК-4);
способность осуществлять целенаправленный поиск информации о новейших научных и технологических достижениях в сети Интернет и из других источников (ПК-5); способность формировать суждения о значении и последствиях своей профессиональной деятельности с учетом социальных, профессиональных и этических позиций (ПК-6).
В результате освоения дисциплины обучающиеся должны
знать:
фундаментальные понятия, законы, теории классической и современной физики;
порядки численных величин, характерные для различных разделов физики;
современные проблемы физики, математики;
современное положении дел в разработке авиационной техники;
экспериментальные основы исследований полета ЛА с точки зрения моделирования соответствующих задач на ЭВМ.
уметь:
абстрагироваться от несущественного при моделировании реальных физических ситуаций;
пользоваться своими знаниями для решения фундаментальных и прикладных задач и технологических задач;
делать правильные выводы из сопоставления результатов теории и эксперимента;
производить численные оценки по порядку величины;
делать качественные выводы при переходе к предельным условиям в изучаемых проблемах;
видеть в технических задачах физическое содержание;
осваивать новые предметные области, теоретические подходы и экспериментальные методики;
эффективно использовать информационные технологии и компьютерную технику для достижения необходимых теоретических и прикладных результатов.
владеть:
навыками освоения большого объема информации;
культурой постановки и моделирования физических задач;
навыками грамотной обработки результатов опыта и сопоставления с теоретическими данными;
практикой исследования и решения теоретических и прикладных задач;
навыками применения ПЭВМ при моделировании задач механики полета.
4.Содержание дисциплины (модуля), структурированное по темам (разделам) с указанием отведенного на них количества академических часов и видов учебных занятий
4.1. Разделы дисциплины (модуля) и трудоемкости по видам учебных занятий
|
|
|
|
|
|
|
|
Виды учебных занятий, включая самостоятельную |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
работу |
|
|
№ |
|
Тема (раздел) дисциплины |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Практич. |
Лаборат. |
Задания, |
Самост. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Лекции |
(семинар.) |
курсовые |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
задания |
работы |
работы |
работа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Введение, |
моделирование |
систем |
и |
|
|
|
|
|
|||
1 |
процессов – этап разработки новой |
|
3 |
|
|
|
4 |
|||||
|
техники. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Критерии |
подобия |
и |
технология |
|
|
|
|
|
|||
2 |
моделирования. |
|
|
П-теорема. |
2 |
|
|
|
4 |
|||
Взаимосвязь |
физического |
и |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
математического моделирования. |
|
|
|
|
|
|
|||||
3 |
Цели |
и |
задачи |
компьютерного |
1 |
1 |
|
|
4 |
|||
моделирования полета ЛА. |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Роль |
программных |
комплексов |
|
|
|
|
|
||||
4 |
MatLab, |
Simu-link |
и |
др. при |
1 |
2 |
|
|
4 |
|||
моделировании |
|
задач |
полета. |
|
|
|||||||
|
Сравнительная |
|
оценка |
их |
|
|
|
|
|
|||
|
возможностей и областей применения. |
|
|
|
|
|
|
Объектно–ориентированное |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
5 |
программирование и его реализация в |
7 |
2 |
|
|
4 |
|||||||
|
системе MatLab. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Постановка |
задачи |
моделирования |
|
|
|
|
|
|||||
6 |
полета |
современного |
реактивного |
2 |
|
|
|
4 |
|||||
|
самолета. Этапы реализации проекта. |
|
|
|
|
|
|||||||
|
Описание характеристик |
атмосферы; |
|
|
|
|
|
||||||
|
представление |
аэродинамических |
|
|
|
|
|
||||||
|
характеристик, заданных в табличной |
|
|
|
|
|
|||||||
7 |
форме; |
описание работы |
силовой |
6 |
2 |
|
|
4 |
|||||
|
установки, |
имитация |
управления |
|
|
|
|
|
|||||
|
самолетом. Структура моделирующей |
|
|
|
|
|
|||||||
|
программы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение |
задачи |
моделирования |
на |
|
|
|
|
|
||||
|
примере |
полета |
транспортного |
|
|
|
|
|
|||||
8 |
самолета |
|
типа |
Ил-76Т |
с |
12 |
10 |
|
|
4 |
|||
использованием |
системы |
MatLab. |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Отладка |
моделирующей |
программы |
|
|
|
|
|
|||||
|
в компьютерном классе. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
9 |
Моделирование |
типовых |
|
режимов |
|
2 |
2 |
|
4 |
||||
полета самолета ИЛ76Т. |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Понятие |
о |
|
системе |
Simulink. |
|
|
|
|
|
|||
10 |
Моделирование |
коротко |
и |
|
3 |
1 |
|
4 |
|||||
|
длиннопериодических движений. |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Особенности |
|
|
компьютерной |
|
|
|
|
|
||||
11 |
математики. |
Множество |
машинных |
|
2 |
1 |
|
4 |
|||||
чисел, их свойства. Без ошибочные |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
вычисления. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Классическая |
интерполяция |
и |
ее |
|
|
|
|
|
||||
12 |
недостатки, явление Рунге. Сплайн |
|
4 |
2 |
|
4 |
|||||||
интерполяция, роль краевых условий. |
|
|
|||||||||||
|
Экстремальное |
свойство |
сплайнов, |
|
|
|
|
|
|||||
|
механическая интерпретация. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Методы |
аппроксимации |
табличных |
|
|
|
|
|
|||||
13 |
данных. |
|
|
Аппроксимационные |
|
7 |
2 |
|
4 |
||||
(сглаживающие) |
|
|
сплайны. |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Согласованное дифференцирование. |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Понятие о вейвлет–анализе. Вейвлеты |
|
|
|
|
|
|||||||
14 |
в MathLab и MathCAD. |
Работа |
с |
|
3 |
2 |
|
4 |
|||||
|
“зашумленными” данными. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Роль |
методов |
|
численного |
|
|
|
|
|
||||
|
интегрирования систем ОДУ в задачах |
|
|
|
|
|
|||||||
|
механики полета, нежесткие и жесткие |
|
|
|
|
|
|||||||
15 |
задачи; |
2-D |
и |
3-D |
визуализация |
|
6 |
2 |
|
4 |
|||
|
решений. Средства СКМ Math-CAD, |
|
|
|
|
|
|||||||
|
MatLab и Simulink для моделирования |
|
|
|
|
|
|||||||
|
динамических процессов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Постановка |
задачи |
моделирования |
|
|
|
|
|
|||||
16 |
полета объектов ракетно–космической |
|
1 |
2 |
|
4 |
|||||||
техники. |
Использование |
данных |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Астрономического Ежегодника (АЕ). |
|
|
|
|
|
|
Решение |
задачи моделирования |
на |
|
|
|
|
|
||
|
примере |
полета |
|
космического |
|
|
|
|
|
|
17 |
аппарата Луна-9 с |
использованием |
|
6 |
3 |
|
14 |
|||
системы |
Math-Cad. |
Отладка |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
моделирующей |
программы |
в |
|
|
|
|
|
||
|
компьютерном классе. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Итого часов |
|
|
|
|
34 |
51 |
17 |
|
78 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Подготовка к экзамену |
|
|
|
0 час. |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Общая трудоёмкость |
|
|
|
180 час., 5 зач.ед. |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.2.Содержание дисциплины (модуля), структурированное по темам (разделам)
Семестр: 7 (Осенний)
1. Введение, моделирование систем и процессов – этап разработки новой техники.
На ряде примеров по схеме ”от простого к сложному “ рассматривается применение моделирования при решении важных научно-технических проблем. Выделятся основные показатели классификации: аналогия и подобие, физическое и математическое моделирова-ние. Формулируются цели и задачи изучения дисциплины.
2. Критерии подобия и технология моделирования. П-теорема. Взаимосвязь физического и математического моделирования.
Современное определение основных единиц измерения в системе СИ. П-теорема. Основные критерии аэромеханического подобия.
3. Цели и задачи компьютерного моделирования полета ЛА.
Варианты практического применения компьютерного моделирования.
4. Роль программных комплексов MatLab, Simu-link и др. при моделировании задач полета. Сравнительная оценка их возможностей и областей применения.
Сравнительная оценка их возможностей и областей применения.
Общие сведения о системах компьютерного моделирования (СКМ), в том числе установленных в компьютерном классе.
5. Объектно–ориентированное программирование и его реализация в системе MatLab.
Изучение объектно–ориентированного программирования (ООП) в объеме, необходимом для решения учебных задач.
6. Постановка задачи моделирования полета современного реактивного самолета. Этапы реализации проекта.
Основные факторы, учитываемые при моделировании.
7. Описание характеристик атмосферы; представление аэродинамических характеристик, заданных в табличной форме; описание работы силовой установки, имитаци
Математическая формулировка задачи.
8. Решение задачи моделирования на примере полета транспортного самолета типа Ил-76Т с использованием системы MatLab. Отладка моделирующей программы
Решение задачи моделирования на примере продольного движения тяжелого неманевренного самолета типа Ил-76Т.
Семестр: 8 (Весенний)
9. Моделирование типовых режимов полета самолета ИЛ76Т.
Имитация характерных режимов полета с помощью разработанной моделирующей программы (сбалансированный полет, дача руля высоты и др.)
10. Понятие о системе Simulink. Моделирование коротко и длиннопериодических движений.
Первоначальные сведения о системе Simulink, учебные варианты ее применения.
11. Особенности компьютерной математики. Множество машинных чисел, их свойства. Без ошибочные вычисления.
Первоначальное занятие по изучению особенностей компьютерных вычислений.
12. Классическая интерполяция и ее недостатки, явление Рунге. Сплайн интерполяция, роль краевых условий. Экстремальное свойство сплайнов, механическая инт
Неклассический подход к интерполяции данных. “Теорема Пифагора” для сплайнов.
13. Методы аппроксимации табличных данных. Аппроксимационные (сглаживающие) сплайны. Согласованное дифференцирование.
Алгоритм построения сглаживающего кубического сплайна. Сплайны в СКМ MathCad и MatLab.
14. Понятие о вейвлет–анализе. Вейвлеты в MathLab и MathCAD. Работа с “зашумленными” данными.
Первоначальные сведения о вейвлетах и их применении.
15. Роль методов численного интегрирования систем ОДУ в задачах механики полета, нежесткие и жесткие задачи; 2-D и 3-D визуализация решений. Средства СК
Дополнительные сведения об устойчивости методов численного интегрирования систем ОДУ. Необходимость использования ”жестких методов” в задачах моделирования полета.
16. Постановка задачи моделирования полета объектов ракетно–космической техники. Использование данных Астрономического Ежегодника (АЕ).
Математическая формулировка задач моделирования полета баллистической ракеты и космического аппарата. Понятие сферы действия.
17. Решение задачи моделирования на примере полета космического аппарата Луна-9 с использованием системы Math-Cad. Отладка моделирующей программы в компью
Построение траекторий облетного типа с использованием разработанной моделирующей программы.
5. Описание материально-технической базы, необходимой для осуществления образовательного процесса по дисциплине (модулю)
Учебная аудитория, компьютерный класс с установленными на ЭВМ системами MatLab, Simulink и MathCad.
6. Перечень основной и дополнительной литературы, необходимой для освоения дисциплины (модуля)
Основная литература
1.Косарев В.И. 12 лекций по вычислительной математике. М.: Изд-во МФТИ, 2000.
2.Завершнев Ю.А. Компьютерное моделирование задач механики полета. Части 1 и 2. М:
Изд-во МФТИ, 2013-2014.
3.Горбатенко С.А., Макашов Э.М., Полушкин Ю.Ф., Шефтель Л.В. Механика полета (Общие сведения. Уравнения движения). М.: Машиностроение, 1969.
4.Ефремов А.В., Захарченко В.Ф., Овчаренко В.Н. и др.; под ред. Бюшгенса Г.С. Динамика полета. М.: Машиностроение, 2011.
5.Дьяконов В.П. MATLAB. Полный самоучитель. М.: ДМК Пресс, 2014.
6.Черных И.В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений. М.: ДиалогМИФИ, 2003.
Дополнительная литература
1.Хайрер Э., Г. Ваннер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Жесткие и дифференциально-алгебраические задачи. М.: Изд-во “Мир”, 1999.
2.Грегори Р., Кришнамурти Е. Безошибочные вычисления: методы и приложения. М.: Изд-во
”Мир”, 1988
3.Васин И.С., Егоров В.И., Муравьев Г.Г. Аэродинамика самолета ИЛ-76Т. М.: Изд-во Транспорт, 1983.
7.Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень программного обеспечения и информационных справочных систем (при необходимости)
Программные комплексы и моделирующие системы MatLab, Simulink, MathCad.
8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины
Студент, изучающий курс «Компьютерное моделирование задач механики полета», должен с одной стороны, овладеть общим понятийным аппаратом, а с другой стороны, должен научиться применять теоретические знания на практике.
В результате изучения дисциплины студент должен знать фундаментальные понятия, законы, теории классической и современной физики; порядки численных величин, характерные для различных разделов физики; современные проблемы физики, математики; современное положении дел в разработке авиационной техники.
Успешное освоение курса требует напряжённой самостоятельной работы студента. В программе курса приведено минимально необходимое время для работы студента над темой.
Самостоятельная работа включает в себя:
– чтение и конспектирование рекомендованной литературы,
– проработку учебного материала (по распечаткам моделирующих программ, учебной и научной литературе), подготовку ответов на вопросы, предназначенные для самостоятельного изучения.
Руководство и контроль за самостоятельной работой студента осуществляется в форме индивидуальных консультаций.
9. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации по итогам обучения
Приложение
ПРИЛОЖЕНИЕ
ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ОБУЧАЮЩИХСЯ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
по направлению: |
Прикладная математика и информатика (бакалавриат) |
профиль подготовки: |
Прикладная математика и информатика (общий) |
факультет: |
аэромеханики и летательной техники |
кафедра (название): |
аэрофизического и летного эксперимента |
курс: |
4 |
квалификация: |
бакалавр |
Семестры, формы промежуточной аттестации:
7(Осенний) - Дифференцированный зачет 8(Весенний) - Дифференцированный зачет
Разработчик: Ю.А. Завершнев, к.ф.м.н, старший научный сотрудник
1. Компетенции, формируемые в процессе изучения дисциплины
Освоение дисциплины направлено на формирование у обучающегося следующих общекультурных (ОК), общепрофессиональных (ОПК) и профессиональных (ПК) компетенций:
способность использовать основы философских знаний для формирования мировоззренческой позиции (ОК-1); способность анализировать основные этапы и закономерности исторического развития
общества для формирования гражданской позиции (ОК-2); способность использовать основы экономических знаний в различных сферах жизнедеятельности (ОК-3);
способность использовать основы правовых знаний в различных сферах жизнедеятельности
(ОК-4);
способность собирать, обрабатывать и интерпретировать данные современных научных исследований, необходимые для формирования выводов по соответствующим научным исследованиям (ПК-1); способность понимать, совершенствовать и применять современный математический аппарат
(ПК-2);
способность критически переосмысливать накопленный опыт, изменять при необходимости вид и характер своей профессиональной деятельности (ПК-3); способность работать в составе научно-исследовательского и производственного коллектива и решать задачи профессиональной деятельности (ПК-4);
способность осуществлять целенаправленный поиск информации о новейших научных и технологических достижениях в сети Интернет и из других источников (ПК-5); способность формировать суждения о значении и последствиях своей профессиональной деятельности с учетом социальных, профессиональных и этических позиций (ПК-6).
2. Показатели оценивания компетенций
Врезультате изучения дисциплины «Компьютерное моделирование задач механики полета » обучающийся должен:
знать:
фундаментальные понятия, законы, теории классической и современной физики;
порядки численных величин, характерные для различных разделов физики;
современные проблемы физики, математики;
современное положении дел в разработке авиационной техники;
экспериментальные основы исследований полета ЛА с точки зрения моделирования соответствующих задач на ЭВМ.
уметь:
абстрагироваться от несущественного при моделировании реальных физических ситуаций;
пользоваться своими знаниями для решения фундаментальных и прикладных задач и технологических задач;
делать правильные выводы из сопоставления результатов теории и эксперимента;
производить численные оценки по порядку величины;
делать качественные выводы при переходе к предельным условиям в изучаемых проблемах;
видеть в технических задачах физическое содержание;
осваивать новые предметные области, теоретические подходы и экспериментальные методики;
эффективно использовать информационные технологии и компьютерную технику для достижения необходимых теоретических и прикладных результатов.
владеть: