計(jì)算力學(xué)教學(xué)大綱

計(jì)算力學(xué)教學(xué)大綱課程英文名ComputationalMechanics課程代碼B0801Z03學(xué)分3.5總學(xué)時(shí)56理論學(xué)時(shí)48實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐學(xué)時(shí)8課程類別學(xué)科必修課課程性質(zhì)限選先修課程流體力學(xué)，彈性力學(xué)，計(jì)算方法，C語言程序設(shè)計(jì)適用專業(yè)工程力學(xué)開課學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院一、課程地位與課程目標(biāo)（一）課程地位《計(jì)算力學(xué)》是工科院校工程力學(xué)專業(yè)的學(xué)科必修課，學(xué)習(xí)本課程的目的是為了使學(xué)生對(duì)數(shù)值模擬方法及其它常用計(jì)算力學(xué)方法有初步的了解，理解這些方法所涉及的基本概念和數(shù)學(xué)理論及實(shí)現(xiàn)方式，并對(duì)用有限差分方法、有限體積方法和有限元方法求解力學(xué)問題有初步了解，能解決簡(jiǎn)單力學(xué)問題的數(shù)值計(jì)算。（二）課程目標(biāo)目標(biāo)1：使學(xué)生理解數(shù)值計(jì)算方法在工程中的價(jià)值及應(yīng)用；目標(biāo)2：使學(xué)生理解微分方程類型，數(shù)值計(jì)算基本思想，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和網(wǎng)格劃分方法。目標(biāo)3：使學(xué)生掌握有限差分法基本原理，離散方法，誤差來源，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單問題的數(shù)值計(jì)算。目標(biāo)4：使學(xué)生掌握有限體積法基本原理，離散方法，誤差來源，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單問題的數(shù)值計(jì)算。目標(biāo)5：使學(xué)生了解有限元法基本原理和方法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單問題的程序計(jì)算。目標(biāo)6：了解其他數(shù)值計(jì)算方法。二、課程目標(biāo)達(dá)成的途徑與方法以課堂教學(xué)為主，結(jié)合自學(xué)、課堂討論、課后作業(yè)等。課堂教學(xué)，結(jié)合工程案例講解有限差分、有限體積和有限元等內(nèi)容的主要理論和計(jì)算方法；課堂討論，以小組為單位對(duì)課堂重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行討論；課堂實(shí)踐，通過對(duì)算法的理解，實(shí)現(xiàn)微分方程計(jì)算編程，并調(diào)試運(yùn)行；課后作業(yè)，安排與課堂重點(diǎn)內(nèi)容相關(guān)的課后作業(yè)，幫助學(xué)生課后掌握知識(shí)點(diǎn)；自學(xué)，課后自學(xué)Matlab和C語言編程，為課程程序設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。三、課程目標(biāo)與相關(guān)畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系課程目標(biāo)課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐程度（H、M、L）畢業(yè)要求5畢業(yè)要求6畢業(yè)要求7畢業(yè)要求9課程目標(biāo)1MMMH課程目標(biāo)2MMHL課程目標(biāo)3MMMH課程目標(biāo)4MMHM課程目標(biāo)5MMMH課程目標(biāo)6MMML注：1.支撐強(qiáng)度分別填寫H、M或L（其中H表示支撐程度高、M為中等、L為低）。四、課程主要內(nèi)容與基本要求第一章緒論了解計(jì)算力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史和研究內(nèi)容，了解計(jì)算力學(xué)和其他學(xué)科的關(guān)系以及計(jì)算力學(xué)的一般研究方法，熟悉流體力學(xué)基本控制方程組。第二章有限差分方法掌握有限差分的基本概念，包括函數(shù)的表示，單變量函數(shù)的有限差分公式和多變量函數(shù)的有限差分公式。掌握差分方程與差分格式構(gòu)造，主要包括微分方程以及定義，常微分方程的差分格式構(gòu)造與求解以及偏微分方程的差分格式構(gòu)造與求解。掌握差分格式的收斂性和穩(wěn)定性的基本概念和判斷準(zhǔn)則。掌握差分格式的其他構(gòu)造方法，比如積分插值法和待定系數(shù)法。同時(shí)理解差分解法在流體力學(xué)中的應(yīng)用。第三章有限體積法掌握有限體積法的基本概念，理解壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE算法）的基本概念及常見算例。第四章加權(quán)殘值法理解加權(quán)殘值法的基本概念以及加權(quán)殘值法的基本方法，了解離散型加權(quán)殘值法和加權(quán)殘值法在力學(xué)中的應(yīng)用，同時(shí)了解試函數(shù)的選擇以及加權(quán)殘值法的收斂性與誤差界。第五章有限元法理解有限元的直觀方法和基本概念，包括桿和梁的分析。理解有限元法的一般化理論、基本思想及其實(shí)現(xiàn)，包括有限元法的基本思想，分析問題的主要步驟，結(jié)構(gòu)區(qū)域離散化的一般原則。介紹形函數(shù)、坐標(biāo)變換和等參元的基本概念。了解平面問題有限元法及其應(yīng)用，包括位移插值函數(shù)，單元應(yīng)變、應(yīng)力矩陣，整體有限元方程的建立，整體總剛度矩陣的性質(zhì)以及存貯技術(shù)，邊界約束條件的處理和有限元方程求解等。了解流體力學(xué)有限元分析初步，不可壓縮無粘性流動(dòng)，平面穩(wěn)定滲流問題，圓柱體繞流有限元分析實(shí)例。第六章基于粒子模擬的方法了解直接模擬蒙特卡羅方法和分子動(dòng)力學(xué)方法，理解這兩種方法的原理、步驟、技術(shù)細(xì)節(jié)、應(yīng)用場(chǎng)合以及常見算例。第七章計(jì)算力學(xué)相關(guān)軟件簡(jiǎn)介了解計(jì)算力學(xué)軟件的發(fā)展，目前常用的各種計(jì)算力學(xué)軟件。五、課程學(xué)時(shí)安排章節(jié)號(hào)教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)數(shù)學(xué)生任務(wù)對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)第1章1.1緒論2課后自學(xué)“流體中文網(wǎng)”內(nèi)容課程目標(biāo)1第1章1.2流體力學(xué)控制方程組2課后自學(xué)“粘性流體力學(xué)”內(nèi)容課程目標(biāo)2第2章2.1微分方程數(shù)學(xué)性質(zhì)對(duì)CFD的影響4課后作業(yè)1：偏微分方程分類，推導(dǎo)Jacobi矩陣課程目標(biāo)2第2章2.2離散化的基本方法4課后作業(yè)2：推導(dǎo)一階和二階導(dǎo)數(shù)的各差分格式課程目標(biāo)3第2章2.3差分格式穩(wěn)定性4課后作業(yè)3：各種方程的穩(wěn)定性分析課程目標(biāo)2第2章2.4網(wǎng)格生成與坐標(biāo)變換8課后作業(yè)4：二維網(wǎng)格生成課程目標(biāo)3第2章2.5擬一維噴管流動(dòng)的數(shù)值解6課后作業(yè)5：擬一維噴管流動(dòng)數(shù)值模擬程序課程目標(biāo)3第3章有限體積法基本原理6課后閱讀SIMPLE程序課程目標(biāo)4第4章加權(quán)殘值法2課后作業(yè)6：采用加權(quán)殘值法求解方程課程目標(biāo)5第5章有限元法12課后作業(yè)6：?jiǎn)挝粍偠染仃囃茖?dǎo)課程目標(biāo)5第11章其他數(shù)值求解方法6自學(xué)相關(guān)資料課程目標(biāo)6六、實(shí)踐環(huán)節(jié)及基本要求序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱學(xué)時(shí)基本要求學(xué)生任務(wù)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)類別1網(wǎng)格生成2完成一維噴管網(wǎng)格生成驗(yàn)證綜合性必做2擬一維噴管流動(dòng)的數(shù)值解３完成一維噴管流動(dòng)數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證綜合性必做3一維平板傳熱計(jì)算３完成一維平板傳熱數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證綜合性必做4圓柱繞流有限元計(jì)算2完成圓柱繞流流動(dòng)數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證綜合性選做注：1.實(shí)驗(yàn)性質(zhì)指演示性、驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性等；2.實(shí)驗(yàn)類別指必做、選做等。七、考核方式及成績?cè)u(píng)定考核內(nèi)容考核方式評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（依據(jù)）占總成績比例過程考核含到課率、課堂討論發(fā)言、平時(shí)作業(yè)等平時(shí)記錄40%期末考核論文和面試報(bào)告質(zhì)量及問題回答情況60%考核類別考查成績登記方式五級(jí)制八、推