Основы моделирования и оптимизации материалов и технологических процессов

Основы моделирования и оптимизации материалов и технологических процессов

Код направления подготовки        22.03.01 Материаловедение и технологии материалов

Профиль подготовки                       «Материаловедение и технологии материалов в строительстве»

1.      Цели и задачи дисциплины

-        освоение общих принципов, методов и процедур математического и компьютерного моделирования и оптимизации состава, структуры, технологических и эксплуатационных свойств материалов и параметров технологических процессов их производства и обработки.

2.      Требования к уровню освоения содержания дисциплины

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование и освоение следующих компетенций:

общепрофессиональные:

·         способностью использовать в профессиональной деятельности знания о подходах и методах получения результатов в теоретических и экспериментальных исследованиях (ОПК-2);

·         готовностью применять фундаментальные математические, естественнонаучные и общеинженерные знания в профессиональной деятельности (ОПК-3);

профессиональные:

·         способностью использовать современные информационно-коммуникационные технологии, глобальные информационные ресурсы в научно-исследовательской и расчетно-аналитической деятельности в области материаловедения и технологии материалов (ПК-1);

·         готовностью использовать методы моделирования при прогнозировании и оптимизации технологических процессов и свойств материалов, стандартизации и сертификации материалов и процессов (ПК-3);

·         способностью использовать в исследованиях и расчётах знания о методах исследования, анализа, диагностики и моделирования свойств веществ (материалов), физических и химических процессах, протекающих в материалах при их получении, обработке и модификации (ПК-4);

·         способностью выбирать и применять соответствующие методы моделирования физических, химических и технологических процессов (ПК-7);

В результате изучения дисциплины студент должен:

Знать

-        основные физические явления, законы и теории классической и современной физики, физические основы теоретической механики;

-        фундаментальные основы высшей математики, элементы векторной алгебры, аналитической геометрии, основы математической статистики;

-        современные средства вычислительной техники;

-        нормативную базу в области инженерных изысканий;

-        основные методы защиты производственного персонала и населения от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий, типовые методы  контроля безопасности на производственных  участках;

-        взаимосвязь состава, строения и свойств конструкционных и строительных материалов, способы формирования заданных структуры и свойств материалов.

Уметь:

-        использовать основные законы естественнонаучных дисциплин, применять методы математического анализа и моделирования;

-        работать в качестве пользователя персонального компьютера с программными средствами общего назначения, работать в локальных и глобальных сетях;

-        применять принципы графического изображения планов и  разрезов цехов.

Владеть:

-        навыками работы с учебной литературой и электронными базами данных;

-        методами практического использования современных компьютеров для обработки информации основами численных методов решения инженерных задач;

-        владеть основными законами геометрического формирования, построения и взаимного пересечения моделей плоскости и пространства, необходимые для выполнения и чтения чертежей;

-        современной аппаратурой, навыками ведения физического эксперимента.

3.      Содержание дисциплины. Основные разделы.

Дисциплина включает следующие разделы:

Тема 1.  Основные понятия и задачи моделирования.           Основные определения и терминология, цель, задачи и основные разделы лекционного курса, другие формы занятий. Роль математического и компьютерного моделирования  и решения задач оптимизации в комплексной разработке и автоматизации проектирования и подготовки производства в области новых материалов и технологических процессов.

Тема 2. Основы моделирования материалов и процессов. Принципы, методы и процедуры моделирования как формы отражения, описания и имитации действительных систем (объектов и процессов). Основные виды моделирования: концептуальное, структурно-функциональное, физическое, математическое и компьютерное. Математический аппарат статистического моделирования: метод наименьших квадратов, регрессионный анализ, статистическое оценивание. Особенности и возможности математического и компьютерного моделирования непрерывных и дискретных систем.

Тема 3. Постановка задач оптимизации и поиск оптимальных решений. Классификация и постановка задач оптимизации, условия и критерии оптимальности. Построение целевой функции, безусловная оптимизация, линейные и нелинейные ограничения, многокритериальные задачи оптимизации. Активный и пассивный эксперимент. Планирование экспериментов. Полный факторный эксперимент, дробные реплики, планы высоких порядков. Композиционные планы.  Планирование на диаграммах состав-свойство. Методы решения задач оптимизации.

Тема 4. Моделирование материалов и покрытий и оптимизация  параметров состав - структура  - технологические и эксплуатационные свойства. Принципы, методы и процедуры математического и имитационного моделирования структуры и свойств простых и сложных, в том числе композиционных материалов: методы атомных и молекулярных орбиталей, полуэмпирические подходы, принцип аддитивности атомных и групповых вкладов. Основные приемы расчетного прогноза термодинамических и физико-химических параметров веществ.  Использование моделей для решения задач  оптимизации состава, структуры и свойств материалов и покрытий.

Тема 5. Моделирование технологических процессов производства, обработки и переработки материалов и нанесения покрытий и оптимизация их параметров. Общие принципы, методы и процедуры математического и компьютерного моделирования явлений и процессов в технологии полиграфических производств, основных соотношений сохранения (балансов) энергии, массы и количества движения, законов равновесной и неравновесной термодинамики, химической кинетики, кинетики массо- и теплопереноса. Примеры решения прямых, обратных и сопряженных задач моделирования и оптимизации параметров технологических процессов печати. Пакеты прикладных программ и базы данных по моделированию и оптимизации материалов и покрытий различных типов (по природе и назначению),  технологических процессов (по типам материалов и процессов).