Рабочая программы по профилю Динамика, прочность машин

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ
Директор ИК
_____________ Захарова А.А.
« ___»________________2014 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
основная образовательная программа подготовки аспиранта
по направлению 01.06.01 Математика и механика
Уровень высшего образования
подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре
ТОМСК 2014 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
1. Рабочая программа составлена на основании федеральных государственных образовательных стандартов к основной образовательной программе программы подготовки
научно-педагогических кадров в аспирантуре по направлению 01.06.01 Математика и
механика
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА РАССМОТРЕНА И ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей
кафедры «Автоматизации и роботизации машиностроения» протокол №
от
2014 г.
Научный руководитель программы
аспирантской подготовки
П.Я. Крауиньш
2. Программа педпрактики СОГЛАСОВАНА с институтами, факультетами, выпускающими
кафедрами специальности; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.
Зав. обеспечивающей кафедрой АРМ
1.
С.Е. Буханченко
ЦЕЛИ ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Рассматриваемая дисциплина является основной в подготовки аспирантов по научной
профилю 01.02.06 Динамика, прочность машин приборов и аппаратуры
Целью изучения дисциплины аспирантами является
 приобретение знаний в области расчета динамических процессов в элементах конструкции, включая оболочки, приводах и различных механизмах автоматизированного оборудования машиностроительных производств, при воздействии сложных вибрационных
ударных и случайных нагрузках.
 приобретение навыков работы с аппаратурой для исследований современного автоматизированного технологического оборудования для обработки, имеющими высокими
скоростями движения рабочих органов, интенсивными рабочими режимами работы и, в
большинстве случаях, высокой точностью воспроизводства программируемых рабочих
движений.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
2.1. Учебная дисциплина «Динамика, прочность машин приборов и аппаратуры» входит в
вариативную часть междисциплинарный профессиональный модуль ООП.
2.2. Данная программа строится на преемственности программ в системе высшего
образования и предназначена для аспирантов ТПУ, прошедших обучение по программе
подготовки магистров, прослушавших соответствующие курсы и имея по ним
положительные оценки. Она основывается на положениях, отраженных учебных
программах указанных уровней. Для освоения дисциплины «Динамика, прочность машин
приборов и аппаратуры» требуются знания и умения, приобретенные обучающимися в
результате освоения ряда предшествующих дисциплин (разделов дисциплин), таких как:
- Динамика станков и технологических машин.
- Контактные явления в соединениях технологических машин.
- Диагностические системы, приборы и аппаратура контроля технологического оборудования
- Расчет моделирование и конструирование оборудования с компьютерным управлением.
2.2. Дисциплина «Динамика, прочность машин приборов и аппаратуры» необходима при
подготовке выпускной квалификационной работы аспиранта и подготовке к сдаче
кандидатского экзамена.
3.
ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Процесс изучения дисциплины «Динамика, прочность машин приборов и аппаратуры»
направлен на формирование элементов следующих компетенций в соответствии с ООП по
направлению подготовки Математика и механика:
1. Универсальных компетенций:
 способность к критическому анализу и оценке современных научных достижений,
генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в
том числе в междисциплинарных областях (УК-1);
 способность проектировать и осуществлять комплексные исследования, в том числе
междисциплинарные, на основе целостного системного научного мировоззрения с
использованием знаний в области истории и философии науки (УК-2);
 готовность участвовать в работе российских и международных исследовательских
коллективов по решению научных и научно-образовательных задач (УК-3);
 готовность использовать современные методы и технологии научной коммуникации
на государственном и иностранном языках (УК-4);
 способность следовать этическим нормам в профессиональной деятельности (УК-5);
 способность планировать и решать задачи собственного профессионального и
личностного развития (УК-6).
2. Общепрофессиональных компетенций:
 владением методологией теоретических и экспериментальных исследований в
области профессиональной деятельности (ОПК-1);
 владением культурой научного исследования в том числе, с использованием
новейших информационно-коммуникационных технологий (ОПК-2);
 способностью к разработке новых методов исследования и их применению в
самостоятельной
научно-исследовательской
деятельности
в
области
профессиональной деятельности (ОПК-3);
 готовностью
организовать
работу
исследовательского
коллектива
в
профессиональной деятельности (ОПК-4);
 готовностью к преподавательской деятельности по основным образовательным программам высшего образования (ОПК-5).
3. Профессиональных компетенций:
 углубленным изучением теоретических и методологических основ разработки, исследования, расчета прочности и моделирования динамики машин (ПК-1);
 способностью ставить и решать инновационные задачи, связанные с разработкой
методов и технических средств, повышающих эксплуатационные свойства машин
различного технологического назначения и гарантирующих требуемые динамические
и вибрационные характеристики. (ПК-2);
 умением проводить анализ, самостоятельно ставить задачу исследования наиболее актуальных проблем, имеющих значение для механики, грамотно планировать эксперимент и осуществлять его на практике (ПК-3);
 умением работать с аппаратурой, выполненной на базе микропроцессорной техники и
персональных компьютеров и программным обеспечением для решения практических
задач создания, эксплуатации и управления современными объектами механики (ПК4).
По окончании изучения дисциплины аспиранты должны будут:
знать:
 современные достижения науки и передовые технологии в области механики и ее приложений в динамике и прочности;
 производственно-технологические режимы работы элементов машин в условиях интенсивных контактных проявлений;
 основы расчета, конструирования и проектирования технологических машин с интенсивным движением рабочих органов;
 аппаратуру для исследования динамики элементов конструкции машин, приводов,
включая гидропривод, методы и программные средства обработки результатов исследований;
уметь:
 оценивать перспективные направления развития технологических машин в области механики и мехатроники с учетом мирового опыта и ресурсосбережения;
 применять современные методы и средства исследования для решения конкретных задач развития механики машин и мехатронных устройств;
 проводить анализ работы механики машин и устанавливать причины некачественной
работы;
 проводить работы по математическому и физическому моделированию объектов механики;
иметь опыт:
 планирования процессов решения научно-технических задач;
 анализа работы технических средств механики и управления различными машинами и
устройствами;
 работы с системами автоматизированного проектирования современных технологических машин и их составных частей;
 работы с программно-аппаратными средствами моделирования объектов механики,
мехатронных устройств.
5
6
12/16
81
18/2
12/14
12/14
24/26
18/22
24/26
81
12/2
12/14
12/14
81
24/4
24/26
20/24
экзамен
4
самостоятельная
работа занятия
3
семинары
лекции
2
1
Раздел 1. Теория колебаний и устойчивости движения
Тема 1 Уравнения Лагранжа второго рода для голономных и неголономных систем.
Тема 2. Колебания линейных систем с конечным числом степеней свободы.
Тема 3. Устойчивость по Ляпунову. Асимптотическая устойчивость.
Тема 4 Параметрические возбуждаемые колебания.
Тема 5. Теория нелинейных колебаний.
Раздел 2. Теория упругости
Тема 1. Тензоры напряжений и деформаций. Уравнения равновесия
Тема 2. Уравнения совместности деформаций. Потенциальная энергия
деформации.
Раздел 3. Динамика машин, приборов и аппаратуры
Тема 1 Усилия, действующие в машинах, и их передача на фундамент.
Тема 2. Динамические процессы в гидравлических и пневмогидравлических машинах.
Тема 3. Виброизоляция машин, приборов и аппаратуры.
Всего учебных занятий
(в часах)
Всего учебных занятий
(в часах)
Наименование разделов и тем
Трудоемкость (в ЗЕТ)
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1 Разделы дисциплины и виды занятий
Приводимая ниже таблица показывает вариант распределения бюджета учебного времени, отводимого на освоение основных модулей предлагаемого курса согласно учебному
плану в 3 и 4 семестрах.
7
Тема 4. Удар. Ударные нагрузки.
Тема 5. Методы и средства динамических испытаний
Раздел 4. Численные и экспериментальные методы исследования динамики и прочности
Тема 1. Роль компьютерных технологий в расчетах и исследованиях
динамики и прочности.
Тема 2.Основные способы дискретизации и методы для решения задач
динамики и прочности
81
18/2
Тема 3.Типы приборов и датчики для измерения динамических процессов.
Тема 4. Обработка результатов вибрационных и динамических испытаний. Спектральный анализ виброграмм.
Всего по дисциплине очно / заочно
9
324
72/10
18/20
20/22
18/20
18/20
24/26
12/14
252/314
4.2. Содержание разделов и тем
В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: теория колебаний
и прикладная теория колебаний, тория упругости, теория устойчивости систем и разделы
теории автоматического управления техническими системами; численные и экспериментальные методы исследования динамики и прочности машин.
1.Теория колебаний и устойчивости движения:
1.1. Уравнения Лагранжа второго рода для голономных и неголономных систем. Потенциальные, гироскопические и диссипативные силы. Диссипативная функция Релея. Функция
Гамильтона. Принцип Гамильтона-Остроградского.
1.2. Колебания линейных систем с конечным числом степеней свободы. Малые собственные
колебания консервативных систем. Свойства собственных частот и форм колебаний.
1.3. Устойчивость по Ляпунову. Асимптотическая устойчивость. Метод функций Ляпунова.
Теоремы Ляпунова и Четаева об устойчивости и неустойчивости.
1.4. Параметрические возбуждаемые колебания. Устойчивость периодических решений.
Определение областей неустойчивости параметрических колебаний.
1.5. Теория нелинейных колебаний. Качественная теория Пуанкаре. Особые точки и их классификация. Типы фазовых траекторий.
2. Теория упругости
2.1. Тензоры напряжений и деформаций. Уравнения равновесия. Определение перемещений
по деформациям. Уравнения совместности деформаций. Потенциальная энергия деформации.
2.2. Полная система уравнений теории упругости. Уравнения Бельтрами-Митчела. Уравнения в перемещениях. Постановка основных задач теории упругости. Теоремы о существовании и единственности. Прямой, обратный и полу обратный методы решения задач
теории упругости. Принцип Сен-Венана.
3. Динамика машин, приборов и аппаратуры
3.1. Усилия, действующие в машинах, и их передача на фундамент
3.2. Динамические процессы в гидравлических и пневмогидравлических машинах.
3.3. Виброизоляция машин, приборов и аппаратуры.
3.4. Удар. Ударные нагрузки.
3.5. Методы и средства динамических испытаний
4. Численные и экспериментальные методы исследования динамики и прочности
4.1. Роль компьютерных технологий в расчетах и исследованиях динамики и прочности.
Требования, предъявляемые к алгоритмам и программам. Понятие о проблемах автоматизированного проектирования и компьютерного моделирования.
4.2. Основные способы дискретизации и методы для решения задач динамики и прочности
Методы конечных разностей и элементов, граничных элементов и их реализация.
4.3. Методика измерение вибрации, деформаций и напряженного состояния в элементах машин. Типы приборов и датчики для измерения динамических процессов.
4.4. Обработка результатов вибрационных и динамических испытаний. Частотный, спектральный и корреляционный анализ виброграмм и результатов исследований динамики
машин, приборов и аппаратуры.
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Технология процесса обучения по дисциплине «Динамика, прочность машин приборов
и аппаратуры» включает в себя следующие образовательные мероприятия:
а) аудиторные занятия (лекционно-семинарская форма обучения);
б) самостоятельная работа аспирантов;
г) контрольные мероприятия в процессе обучения и по его окончанию;
д) зачет в 3 семестре; экзамен в 4 семестре.
В учебном процессе используются как активные, так и интерактивные формы проведения занятий: дискуссия, метод поиска быстрых решений в группе, мозговой штурм.
Аудиторные занятия проводятся в интерактивной форме с использованием мультимедийного обеспечения (ноутбук, проектор) и технологии проблемного обучения.
Презентации позволяют качественно иллюстрировать практические занятия схемами,
формулами, чертежами, рисунками. Кроме того, презентации позволяют четко структурировать материал занятия.
Электронная презентация позволяет отобразить процессы в динамике, что позволяет
улучшить восприятие материала.
Самостоятельная работа организована в соответствие с технологией проблемного обучения и предполагает следующие формы активности:
 самостоятельная проработка учебно-проблемных задач, выполняемая с привлечением основной и дополнительной литературы;
 поиск научно-технической информации в открытых источниках с целью анализа и выявления ключевых особенностей.
Основные аспекты применяемой технологии проблемного обучения:
 постановка проблемных задач отвечает целям освоения дисциплины «Динамика, прочность машин приборов и аппаратуры» и формирует необходимые компетенции;
 решаемые проблемные задачи стимулируют познавательную деятельность и научноисследовательскую активность аспирантов.
6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ
Цель контроля - получение информации о результатах обучения и степени их соответствия результатам обучения.
6.1. Текущий контроль
Текущий контроль успеваемости, т.е. проверка усвоения учебного материала, регулярно осуществляемая на протяжении семестра. Текущий контроль знаний учащихся организован как устный групповой опрос (УГО).
Текущая самостоятельная работа студента направлена на углубление и закрепление
знаний, и развитие практических умений аспиранта.
6.2. Промежуточная аттестация
Промежуточная аттестация осуществляется в конце семестра и завершает изучение
дисциплины «Динамика, прочность машин приборов и аппаратуры». Форма аттестации –
кандидатский экзамен в письменной или устной форме. Кандидатский экзамен проводится в
4 семестре.
Экзаменационный билет состоит из трех теоретических вопросов, тематика которых
представлена в программе кандидатского экзамена.
На кандидатском экзамене аспирант должен продемонстрировать высокий научный
уровень и научные знания по дисциплине «Динамика, прочность машин приборов и аппаратуры».
6.3. Список вопросов для текущего контроля и устного опроса обучающихся:
1.
Назовите основные показатели технологической машины
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
Что понимается под термином: «динамическая система технологической машины»
Какие динамические характеристики технологического оборудования называют статическими
Что понимается под понятием «эквивалентная динамическая система»
Как влияем рабочий процесс на характеристики технологической машины.
Что понимается под устойчивостью процесса, выполняемого на технологической машине
Дайте характеристику возможным режимам движения рабочих органов оборудования
при отсутствии нагрузок
В чем отличие движения рабочих органов оборудования при наличии нагрузок.
Дайте характеристику следующим явлениям: автоколебания; параметрические колебания и вынужденные колебания.
Напишите уравнения Ван-Дер-Поля и проведите их краткий анализ, какими свойствами
должна обладать колебательная система технологического оборудования для возникновений автоколебаний этого типа.
Напишите уравнения маятника Фроунда; какими свойствами должна обладать колебательная система технологического оборудования для возникновений автоколебаний этого типа.
Напишите уравнения Хила: какими свойствами должна обладать колебательная система
технологического оборудования для возникновений автоколебаний этого типа.
Как определить статические, переходные, частотные и спектральные характеристики
технологического оборудования, характеристики оборудования,
Перечислите основные методы повышения плавности работы элементов оборудования.
Перечислите основные методы уменьшения вибрации технологического оборудования.
Перечислите основные этапы создания математической модели технологического оборудования или его основных частей.
Для чего разрабатывается математическая модель технологического оборудования.
Каким образом реализуются результаты исследования математической модели при проектировании, модернизации или эксплуатации технологического оборудования
Условия работы деталей машин и механизмов. Проблема увеличения срока службы машин и механизмов и пути ее решения.
Связь механики разрушения с физикой твёрдого тела. Особенности подхода к проблемам
разрушения с точки зрения механики.
Место эксперимента в механике разрушения. Обзор основных проблем механики разрушения.
Квазихрупкое разрушение. Вязкое разрушение. Длительная прочность и разрушение при
повышенных температурах.
Разрушение при циклических нагрузках. Влияние окружающей среды на прочность и
характер разрушения.
Связь с критериями текучести в теории пластичности. Предельные поверхности для анизотропных материалов.
Механические методы упрочнения поверхности деталей.
Приборы для измерения параметров вибрации.
Приборы, датчики для регистрации ударных динамических режимов технологического
оборудования.
Методы обработки результатов экспериментальных на примерах известных программных пакетов.
Прочностные расчеты элементов металлоконструкций.
Проектирование и расчет подшипников шпинделей.
Расчет жесткости несущих конструкций и определение их собственных частот.
Расчет и проектирование приводов технологического оборудования
Экзаменационный билет состоит из трех теоретических вопросов, тематика которых
представлена в данной программе и дополнительных в соответствии с региональной состав-
ляющей. На кандидатском экзамене аспирант (соискатель) должен продемонстрировать высокий научный уровень и научные знания по дисциплине «Динамика, прочность машин,
приборов и аппаратуры».
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
1.
2.
3.
4.
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература
Лачуга Ю. Ф. Теория механизмов и машин: кинематика, динамика и расчет: учебное пособие для вузов / Ю. Ф. Лачуга, А. Н. Воскресенский, М. Ю. Чернов; под ред. Н. К. Петровой - М.: Колос С, 2007 - 304 с.
Яцун, Сергей Федорович Кинематика, динамика и прочность машин, приборов и аппаратуры: учебное пособие для вузов / С. Ф. Яцун, В. Я. Мищенко, Е. Н. Политов - М.: ИнфраМ: Альфа-М: Уником Сервис, 2012 - 207 с. : ил. - (Технологический сервис).
Динамика и управление движением шагающих машин с цикловыми движителями / Е. С.
Брискин [и др.] - М: Машиностроение, 2009 - 192 с. : ил.
Биргер, Исаак Аронович Расчет на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер,
Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993 - 639 с.
Хруничева, Татьяна Викторовна. Детали машин: типовые расчеты на прочность: учебное
пособие / Т. В. Хруничева - М.: Инфра-М: Форум, 2007 - 224 с.
Горшков, Анатолий Герасимович. Теория упругости и пластичности: учебник для вузов /
А. Г. Горшков, Э. И. Старовойтов, Д. В. Тарлаковский. — М.: Физматлит, 2002. — 416 с.
Казакевич, Генрих Станиславович. Механика сплошных сред. Теория упругости и пластичности / Г. С. Казакевич, А. И. Рудской ; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. — СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. — 264 с.
Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности: учебник для
вузов / Г. С. Варданян [и др.] ; под ред. Г. С. Варданяна. — 2-е изд., испр. и доп. — М.:
Инфра-М, 2011. — 638 с. : ил.
Конструирование машин. – М.: Машиностроение, 1994. Том 1 – 529 с. Том 2 – 624 с.
Испытательная техника.- М.: Машиностроение, 1982. Том 1 – 528 с. Том 2 – 560 с.
Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Основы проектирования машин. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность.- М.: Машиностроение, 1985.
224 с.
Энциклопедия «Машиностроение». Т I - IV.
Колебания в технике. Т 1 – 6.
Надежность в технике. Т 1 – 6.
Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний. - М.:"Высшая школа", 1972
Болотин В.В. Применение методов теории вероятностей и теории надёжности в рассчетах сооружений. - М.: Стройиздат, 1971.
Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. - М.: "Машиностроение",
.1975.
Гимадиев А.Г., Крючков А.Н., Леныпин В.В. и др. Снижение виброакустических нагрузок в гидромеханических системах / Под ред Шорина В.П., Шахматова Е.В. - Самара:
СГАУ, 1998. - 270 с
.Серенсен С.В. и др. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М.,
1963.
Дополнительная литература
Вейц В.Л., Коловский М.З., Кочура А.Е. Динамика управляемых машинных агрегатов. –
М.: Наука, 1984. – 351с.
Бабицкий В.И. Теория виброударных систем. – М.: Наука, 1978. – 352с.
Яблонский А.А, Норейко С.С. Курс теории колебаний ,(Учебное пособие), СПб., Изд.
Лань 2003.- 256с
Коловский М.З. Динамика машин. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1989. –
263с.
5.
6.
7.
8.
9.
Вульфсон И.И. Колебания машин с механизмами циклового действия. – Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1990. – 309с.
Алиферов А.А., Фролов К.В. Взаимодействие нелинейных колебательных систем с источниками энергии. – М.: Наука, 1985. – 326с.
Емельянов С.В., Коровин С.К. Новые типы обратной связи: Управление при неопределенности. - М.: Наука. Физматлит, 1997.- 352с.
Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM РС: Пер. с анг /
Под ред. У. Тампкинса, Дж. Уэбстера. - М.: Мир, 1992 - 592 с.
Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б., Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления. М: Высшая школа, 1998.573с.
МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
1.
2.
3.
4.
Специализированный компьютерный класс –24 компьютеров (автоматизированных рабочих мест), оснащенных лицензионным программным продуктоми: SolidWorks, Unigraphic, Labview, программное обеспечение перевода с русского на английский, с английского на русский, аудио- и видеозаписи.
Специализированная лекционная – компьютер на базе Sempron 2200, проектор LG DLP,
экран, презентации лекций.
Компьютеры для индивидуального пользования с пакетами прикладных программ для
подключения к исследуемым объектам.
Лаборатория для динамических исследований, балансировки изучаемых макетов оборудования.