МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования
Красногорский государственный колледж
Государственный контракт от 29. г. № 12.Р20.11.0006
ПРОГРАММА
по направлению
«Системы автоматизированного проектирования»
для подготовки специалистов технической направленности в рамках стратегических и приоритетных отраслей развития промышленности, использующих ресурсы сети образовательных учреждений на базе ресурсного центра
В рамках Федеральной целевой программы развития образования на годы
по открытому конкурсу №04.01-002-П-Ф-33
на выполнение работ по проекту
«Модернизация системы начального профессионального и среднего профессионального образования для подготовки специалистов в области наноиндустрии на базе отраслевого межрегионального ресурсного центра»
Москва 2011
СОГЛАСОВАНО Заместитель начальника отдела по работе с персоналом – директор международного центра «ЗЕНИТ-РЕСУРС» _____________ | УТВЕРЖДАЮ Директор ФГОУ СПО «Красногорский государственный колледж» доктор педагогических наук, кандидат экономических наук, профессор Заслуженный учитель РФ ___________________ «____» _________________ 2011 г. | |
СОГЛАСОВАНО Заведующий кафедрой проектирования и технологии производства электронной аппаратуры Член-корр. РАН, профессор, доктор технических наук ______________ |
Разработчики:
Заведующая учебной частью ФГОУ СПО «Красногорский государственный колледж»
Заведующая отделением программирования ФГОУ СПО «Красногорский государственный колледж», кандидат педагогических наук
Рецензенты:
Начальник отдела оптическо-технологического – главный оптик, доктор технических наук,
Начальник отдела систем автоматизированного проектирования технологической подготовки производства,
Введение
Дисциплина «Информационные технологии в профессиональной деятельности» охватывает основные вопросы систем автоматизированного проектирования (САПР) современных микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем (НЭМС).
Методы проектирования систем, базирующихся на использовании электрических и механических компонентов, изготовленных по технологиям, совместимым с технологией производства интегральных схем, существенно отличаются от ранее применявшихся методов проектирования электромеханических систем. В основе рассматриваемых в данном методическом пособии маршрутов проектирования МЭМС и НЭМС лежит междисциплинарный подход, позволяющий учесть разнообразные физические взаимодействия между разными областями системы: электрической, механической, тепловой и др. В связи со сложностью междисциплинарного моделирования проектирование МЭМС и НЭМС невозможно без использования мощных вычислительных комплексов и сложнейших систем автоматизации проектирования (САПР). Усложнение разрабатываемых устройств приводит к тому, что подготовка специалистов по наноинженерии должна включать такую важную составляющую формирования базового набора компетенций специалиста, предусмотренных программами подготовки и переподготовки специалистов для нужд наноинженерии, как широкая теоретическая база и наличие практических навыков использования современных средств автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС.
Методологически дисциплина строится на основе оптимального соотношения теоретических и прикладных вопросов с обязательным участием студентов в самостоятельном исследовании оригинальных частных задач проектирования МЭМС и НЭМС.
Важной проблемой в наноинженерии является выбор моделей, адекватно отражающих поведение микро - и наноразмерных элементов на различных уровнях проектирования наносистем. При выборе проектного решения необходимо также учитывать влияние технологического процесса и различных дестабилизирующих факторов. В связи с этим для реализации сложных маршрутов проектирования МЭМС и НЭМС применяются интегрированные САПР, позволяющие выполнить моделирование и оценку различных проектных решений на различных уровнях проектирования.
При подготовке материалов была использована литература, перечисленная в списке использованных источников [1–23], проанализированы разнообразные источники в сети Интернет. Полученная информация была систематизирована и обобщена для решения указанного выше комплекса задач. Все копирайты, торговые марки и логотипы, приведенные в методических указаниях, принадлежат их собственникам.
Дисциплина «Информационные технологии в профессиональной деятельности» разработана на уровне мировых стандартов с учетом аналогичных курсов, читаемых в университетах США и Европы. При разработке курсов использованы материалы, предоставленные НИИСИ РАН, ИРЭ РАН, РНЦ «Курчатовский институт», ФТИАН РАН и другими предприятиями ННС.
I. Пояснительная записка
Программа для подготовки специалистов технической направленности в рамках стратегических и приоритетных отраслей развития промышленности, использующих ресурсы сети образовательных учреждений на базе ресурсного центра по направлению «Система автоматизированного проектирования наносистем» предназначена для реализации требований к минимуму содержания и уровню подготовки специалистов, имеющих среднее профессиональное образование. Программа подготовки предусматривает модульную систему обучения и, в зависимости от начальных знаний и поставленных перед специалистом задач, можно выбрать наиболее оптимальные – базовое (nanoCad механика), расширенное (nanoCad СПДС, ОПС) и узкоспециализированное (nanoCad стройплощадка) направление обучения.
Цель дисциплины: получение студентами знаний о методах автоматизированного проектирования микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем (НЭМС) различного уровня иерархии.
Задачами дисциплины является изучение:
- моделирования элементов МЭМС и НЭМС на основе междисциплинарного подхода;
- моделирования МЭМС и НЭМС на компонентном
уровне;
- автоматизированного проектирования элементов МЭМС
и НЭМС на основе междисциплинарного подхода;
- автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС на компонентом уровне;
- программного обеспечения автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС.
Знания, умения и профессиональные компетенции, получаемые после освоения дисциплины
- знание теоретических основ методов и средств формализованного описания МЭМС и НЭМС для автоматизированного проектирования;
- теоретических основ автоматизации проектирования МЭМС и НЭМС;
- особенности применения метода конечных элементов для автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС;
- теоретических основ проектирования МЭМС и НЭМС на компонентном уровне.
- умение разрабатывать формальные процедуры решения задач автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС;
- способность моделировать элементы МЭМС и НЭМС адекватно протекающим в них тепловым, механическим, электромагнитным и другим физическим процессам;
- умение разрабатывать: а) схемы алгоритмов и б) программы решения на ЭВМ частных задач проектирования элементов МЭМС и НЭМС на основе междисциплинарного подхода и проектирования МЭМС и НЭМС на компонентном уровне;
- применение программного обеспечения систем автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС при решении задач проектирования МЭМС и НЭМС.
- готовность использования современных методов и средств автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС;
- стремление к разработке математических моделей элементов МЭМС
и НЭМС с использованием средств ВТ;
- умение решать на ЭВМ частных задач проектирования элементов МЭМС и НЭМС на основе междисциплинарного подхода и проектирования МЭМС и НЭМС на компонентном уровне;
- самостоятельно применять интегрированные маршруты автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС.
II. Тематический план
№ | Раздел | Лекции | Практические занятия | Литература |
1 | Методология проектирования МЭМС | 1 | 2 | [1, 2, 5, 8, 11] |
2 | Общие сведения об автоматизированном проектировании МЭМС и НЭМС | 2 | 2 | [1, 2, 7] |
3 | Автоматизированное проектирование элементов МЭМС и НЭМС на основе междисциплинарного подхода | 14 | 21 | [1, 2, 4, 6, 9] |
4 | Автоматизированное проектирование МЭМС и НЭМС на компонентном | 6 | 6 | [1–3, 9] |
5 | Интегрированные пакеты автоматизированного проектирования МЭМС | 11 | 5 | [1, 2, 9, 10] |
6 | Особенности маршрутов проектирования для повышения надежности МЭМС и НЭМС | 2 | – | [1, 2] |
Итого | 36 | 36 |
III. Содержание дисциплины
1.Методология проектирования МЭМС и НЭМС.
Особенности проектирования МЭМС и НЭМС. Состояние проблемы. Терминология, понятия и определения. Методология разработки МЭМС и НЭМС. Основные этапы разработки МЭМС и НЭМС. Роль методов автоматизированного проектирования в совершенствовании конструкций и технологии производства МЭМС и НЭМС.
2. Общие сведения об автоматизированном проектировании МЭМС и НЭМС.
Особенности автоматизированного проектирования МЭМС
и НЭМС, маршруты проектирования МЭМС и НЭМС, принципы их построения. Уровни абстрагирования и аспекты описания проектируемых объектов МЭМС и НЭМС. Операции, процедуры и этапы проектирования МЭМС и НЭМС. Классификация параметров проектируемых объектов МЭМС и НЭМС. Классификация проектных процедур МЭМС и НЭМС. Формализация процедуры синтеза МЭМС и НЭМС. Формализация процедуры анализа МЭМС и НЭМС. Одновариантный и многовариантный анализ МЭМС и НЭМС.
3. Автоматизированное проектирование элементов МЭМС и НЭМС на основе междисциплинарного подхода.
3.1. Общие сведения об автоматизированном проектировании МЭМС и НЭМС на основе междисциплинарного подхода.
Основные принципы междисциплинарного расчета элементов МЭМС и НЭМС.
Численное решение математических моделей элементов МЭМС и НЭМС. Дискретизация уравнений и граничных условий. Особенности МКЭ, МКР, МГЭ для моделирования МЭМС и НЭМС, явные и неявные формулы разностного дифференцирования математических моделей МЭМС и НЭМС.
3.2. Общие сведения о возможностях программного комплекса ANSYS для моделирования элементов МЭМС и НЭМС.
Общие сведения о программном комплексе ANSYS. Возможности пакета ANSYS/ED для автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС. Виды анализа элементов МЭМС и НЭМС в программном комплексе ANSYS/ED. Виды конечных элементов в библиотеке конечных элементов в ANSYS.
3.3. Обзор алгоритмов решения уравнений в частных производных, используемые в программном комплексе ANSYS. Алгоритмы решения уравнений в частных производных, используемые в программном комплексе ANSYS. Сравнительная характеристика алгоритмов решения уравнений в частных производных, используемые в программном комплексе ANSYS.
3.4. Применение программного комплекса ANSYS для анализа отдельных подсистем МЭМС и НЭМС.
Применение программного комплекса ANSYS для статического, гармонического и модального анализа элементов МЭМС и НЭМС. Применение программного комплекса ANSYS для теплового анализа элементов. Применение программного комплекса ANSYS для электромагнитного анализа элементов МЭМС и НЭМС.
3.5. Применение программного комплекса ANSYS для междисциплинарного анализа МЭМС и НЭМС.
Основные принципы междисциплинарного расчета элементов МЭМС и НЭМС в программном комплексе ANSYS. Прямой метод междисциплинарного анализа в программном комплексе ANSYS. Последовательный метод междисциплинарного анализа в программном комплексе ANSYS. Метод макромоделей для междисциплинарного анализа в программном комплексе ANSYS. Метод электромеханических аналогий для междисциплинарного анализа в программном комплексе ANSYS.
3.6. Общие сведения о программном комплексе COMSOL для моделирования элементов МЭМС и НЭМС. Общие сведения о пакете COMSOL. Возможности пакета COMSOL для автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС. Виды анализа элементов МЭМС и НЭМС в программном комплексе COMSOL. Основные принципы междисциплинарного расчета элементов МЭМС и НЭМС в программном комплексе COMSOL.
4. Автоматизированное проектирование МЭМС и НЭМС на компонентном и системном уровнях. Два основных подхода к проектированию МЭМС и НЭМС на компонентном уровне: проектирование «сверху–вниз» и проектирование «снизу–вверх», преимущества и недостатки каждого из подходов. Поведенческие модели МЭМС и НЭМС. Дифференциальные модели МЭМС и НЭМС. Пакет программ MatLab/Simulink и его применения для автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС на компонентном уровне. Модуль SUGAR как среда проектирования МЭМС и НЭМС на основе дифференциальных моделей.
5. Интегрированные пакеты автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС.
5.1. Интегрированный пакет автоматизированного проектирования CoventorWare. Интегрированный пакет программ CoventorWare. Основные
и дополнительные программы пакета.
5.2. Интегрированный пакет автоматизированного проектирования MEMSPro. Интегрированный пакет программ MEMSPro. Возможности пакета MEMSPro для автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС.
5.3. Интегрированный пакет автоматизированного проектирования IntelliSense. Интегрированный пакет программ IntelliSense. Основные и дополнительные программы пакета.
5.4. Специальные маршруты проектирования МЭМС
и НЭМС. Возможности интеграции различных пакетов автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС в одном маршруте проектирования.
6. Особенности маршрутов проектирования для повышения надежности МЭМС и НЭМС. Модифицированные циклы проектирования для повышения надежности МЭМС и НЭМС. Влияние дестабилизирующих факторов на надежность МЭМС и НЭМС. Статистический анализ надежности МЭМС и НЭМС.
IV. Практические занятия
№ п/п | Тема | Объем, ч | Литература |
1 | Общие сведения о проектировании МЭМС | 2 | [1, 2, 5, 8, 11] |
2 | Общие сведения об автоматизированном | 2 | [1, 2, 7, 12] |
3 | Практическое применение метода конечных элементов в программном комплексе ANSYS | 7 | [3, 6, 9] |
4 | Применение программного комплекса ANSYS для гармонического и теплового анализа элементов МЭМС и НЭМС. Применение программного комплекса ANSYS для электромагнитного анализа элементов МЭМС и НЭМС | 6 | [3, 6, 9] |
5 | Применение программного комплекса ANSYS для моделирования элементов МЭМС и НЭМС | 8 | |
6 | Применение пакета Matlab/Simulink для автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС на компонентном уровне | 2 | [3, 9] |
7 | Изучение применения модуля SUGAR для автоматизированного проектирования МЭМС | 4 | [3, 9] |
8 | Применение интегрированных пакетов автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС | 5 | [9, 10] |
Итого | 36 |
Практические занятия
1. Общие сведения о проектировании МЭМС и НЭМС.
Особенности проектирования МЭМС и НЭМС. Сравнительная характеристика материалов, используемых в МЭМС и НЭМС, их свойства. Краткая характеристика технологий производства МЭМС.
2. Общие сведения об автоматизированном проектировании МЭМС и НЭМС.
Особенности автоматизированного проектирования МЭМС
и НЭМС. Связь подсистем различной физической природы.
3. Практическое применение метода конечных элементов в программном комплексе ANSYS.
Получение первоначальных навыков работы с программным комплексом ANSYS. Решение частных задач выбора конечного элемента в библиотеке конечных элементов в пакете ANSYS. Решение частных задач создания геометрических моделей в пакете ANSYS. Решение частных задач построения конечно-элементных моделей. Решение частных задач статического и модального анализа элементов МЭМС и НЭМС.
4. Применение программного комплекса ANSYS для гармонического и теплового анализа элементов МЭМС и НЭМС. Применение программного комплекса ANSYS для электромагнитного анализа элементов МЭМС и НЭМС.
Решение частных задач гармонического и теплового анализа элементов МЭМС и НЭМС. Решение частных задач электромагнитного анализа элементов МЭМС и НЭМС.
5. Применение программного комплекса ANSYS для моделирования элементов МЭМС и НЭМС.
Решение частных задач связанного анализа элементов МЭМС
и НЭМС на основе последовательного метода. Особенности метода электромеханических аналогий. Решение частных задач связанного анализа элементов МЭМС и НЭМС на основе прямого метода. Особенности метода макромоделей.
6. Применение пакета Matlab/Simulink для автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС на компонентном уровне.
Решение частных задач автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС на компонентном уровне с использованием пакета Matlab/Simulink.
7. Изучение применения модуля SUGAR для автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС.
Решение частных задач автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС на компонентном уровне с использованием модуля SUGAR.
8. Применение интегрированных пакетов автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС.
Особенности автоматизированного проектирования МЭМС
и НЭМС с использованием интегрированных пакетов автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС.
Список используемых источников
1. ВЧ МЭМС и их применение / Пер. с англ. под ред. . – М. : Техносфера, 2004. – 525 с.
2. Mаtlab 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 в математике и моделировании. – М. : СОЛОН-Пресс, 2005. – 575 с.
3. , , ANSYS в руках инженера. – М. : Едиториал УРСС, 2003. – 269 с.
4. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника : сборник статей / Под ред. . – М. : Техносфера, 2006.
5. Норенков автоматизированного проектирования : учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Изд-во МГТУ им. , 2006. – 446 с.
6. Программное обеспечение Coventor // Chip News. – 2002. – № 2. – С. 62–67.
7. Фрайден Дж. Современные датчики : справочник / Пер.
с англ. ; ред. пер. . – М. : Техносфера, 2006. – 588 с.
8. , , ANSYS для инженеров : справочное пособие. – М. : Машиностроение, 2004. –511 с.
9. , , и др. Наноразмерные структуры: классификация, формирование и исследование. – М. : МГТУ им. , 2008. – 100 с.
10. , В., Осипович автоматизированного проектирования МЭМС // Информационные технологии. – 2007. – № 11. – C. 22–28.
11. , , Божко МЭМС // Нано - и микросистемная техника. – 2008. – № 1. – С. 28–34.
12. , , Божко разработки МЭМС // Нано - и микросистемная техника. – 2008. – № 5. – С. 57–64.
Наглядные материалы и пособия
Плакаты с изображением алгоритмов решения частных задач автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС.
Демонстрационные версии программного обеспечения, программное обеспечение по академической лицензии и свободно распространяемое программное обеспечение. Использование ТСО (плакаты, персональные ЭВМ).
Методические указания по изучению дисциплины.
1. Учитывая общую тенденцию современного научного познания к формализации, изучение дисциплины «Информационные технологии в профессиональной деятельности» должно организовываться как изучение системной, многовариантной проблемы, исследуемым объектам которой свойственны: а) многообразие связей элементов, отражающих объективную реальность; б) специфическая методология моделирования и проектирования; в) особый научный и практический аппарат.
2. Методологически дисциплина должна строиться на основе оптимального соотношения теоретических и прикладных вопросов с обязательным участием студентов в самостоятельном исследовании оригинальных частных задач проектирования МЭМС и НЭМС.
3. Теоретические основы должны излагаться в такой мере, чтобы показать общие принципы применения современных методов и алгоритмов проектирования МЭМС и НЭМС к решению конкретных задач профессиональной деятельности. Содержание соответствующих тем разделов должно быть направлено на усиление роли фундаментальных знаний в теоретической и практической подготовке специалистов, способствовать формированию у них фундаментальных системных знаний, развивать творческие способности.
4. Прикладные вопросы должны ориентировать студентов на решение типовых задач моделирования и проектирования МЭМС и НЭМС, выбор адекватных физическим процессам в МЭМС и НЭМС моделей, методов, алгоритмов, прикладных пакетов и технических средств, обладающих максимальной эффективностью. Поэтому во всех разделах предусмотрены темы, содержание которых связано с формированием и развитием у будущих специалистов практических навыков решения задач проектирования МЭМС и НЭМС с использованием систем автоматизированного проектирования. Прикладные вопросы дисциплины рассмотрены в каждой лекции либо в виде аналитических примеров, либо на примерах использования пакетов прикладных программ.
5. Темы дисциплины, по которым имеются доступные учебно-методические документы и учебная литература, студенты изучают самостоятельно под контролем преподавателя. Такими темами являются: 1) особенности применения метода конечных элементов для моделирования МЭМС и НЭМС; 2) технологии изготовления МЭМС.
6. В лекционной аудитории желательно использовать кинофильмы, видеофильмы и плакаты с целью формирования у студентов зрительного образа, изучаемых в курсе методов, алгоритмов и технических средств. Важно применять наглядные пособия в виде образцов объектов проектирования, технических заданий на их проектирование и схем алгоритмов проектирования МЭМС и НЭМС.
7. Кроме лекционных курсов программой предусматриваются практические занятия по основным разделам курса, которые проводятся в компьютерном классе с использованием ПЭВМ с комплектом специализированного программного обеспечения и рубежный контроль знаний студентов.
