3. Praktická část práce
3.1 Plán vyučovací hodiny s využitím počítačové simulace
3. Praktická č ást práce
Praktická část této bakalářské práce je věnována využití počítačové simulace, jako jednomu z mnoha možných vyučovacích prostředků, ve výuce odborných předmětů a zejména předmětu „Strojírenské technologie“. Tento předmět je vyučován ve všech čtyřech ročnících na středních odborných školách technického směru. Předmět
„Strojírenská technologie“ je tvořen 4 tématickými celky: materiály, polotovary, strojní obrábění a přípravky. V každém tomto celku lze nalézt téma, ve kterém lze vhodně uplatnit počítačovou simulaci. Tato témata jsou rozpracována v samostatné kapitole této práce.
3.1 Plán vyu č ovací hodiny s využitím po č íta č ové simulace
Počítačová simulace dovoluje zkrátit reálné trvání celého průběhu zkoumaného jevu a simulovat i takové důsledky, které by v reálné situaci vedly ke škodám na zdraví, materiálním škodám a ztrátám finančním. Počítačovou simulací v tomto případě rozumíme modelování reálné situace, při které se zjednodušují působící vlivy, omezují podmínky na nejtypičtější. Průběh počítačové simulace se člení na jednotlivé etapy:
1. Preprocessing: V této fázi se vytváří geometrická data simulovaného objektu např.:
odlitek, svarek, konstrukce, atd. Pro vstup geometrických dat existují dvě alternativy, buď mohou být preprocesorem zpracovány již existující výkresy (modely), nebo se vytvoří nové modely (výkresy) pomocí CAD systémů. Vlastním CAD systémem se tedy vytvoří kompletní geometrie modelu. Preprocesor je dodáván jako běžná součást simulačních programů a jeho pomocí se vytvoří na modelu simulační síť v tzv. mesh generátoru.
Náročnost zpracování modelu závisí na komplikovanosti jeho geometrie. Nejprve se na počítači zkontroluje geometrie součásti, potom se obvykle strojnický výkres rozloží na tzv.
tablety a vytvoří se ve 2D průřezy součástí. Tyto vrstvy se pak jedna po druhé skládají do 3D sítě právě pomocí mesh generátoru. Geometrické funkce síťového generátoru pomáhají CAD systému zpracovávat konstrukci pro prostorovou simulaci.
Obr. 3 Model odlitku jednoduchého tvaru válce a týž model pokrytý sítí prvků
Obr. 4 Model slévárenské formy pro odlitek jednoduchého tvaru válce a týž model pokrytý sítí prvků
2. Mainprocessing (processing): Tato fáze je hlavní krok celého simulačního výpočtu.
Program provede výpočty např. změn teplot, analýzu napětí a deformací, atd. Tyto výpočty probíhají na základě numerického řešení n-rovnic o n-neznámých v uzlových bodech vytvořené simulační sítě. Potřebné veličiny použitých materiálů simulovaných objektů se zadávají z databáze programu, která je součástí jeho standardního vybavení. Uživatel též na začátku výpočtu zadává další podmínky jako jsou např.: teplota okolí, ovlivnění licí teplotou, působící napětí atd. Pro vyhodnocení kritických fází simulovaného procesu se volí časové intervaly.
3. Postprocessing: V závěrečné fázi simulačního výpočtu jsou v různých formách zobrazeny výsledky simulačního výpočtu. Výsledky se zobrazují barevně, dle potřeby např. ve 3D, pokud se jedná o prostorové rozložení sledovaných veličin. Lze zobrazit
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
např.: napětí, deformace, vnitřní pnutí resp. zbytkové pnutí v součásti, teplotní pole, izotermy, atd. [9].
Obr. 5 Příklad možného výsledku simulačního výpočtu (rozložení teplotního pole) Žáci by se aplikováním počítačové simulace do výuky měli naučit základní operace se simulačním programem a také poznat jeho možnosti a využití. Dále si na základě vlastních vytvořených počítačových modelů ověřovat reálnou funkčnost a správnost svých představ. Využitím simulací nesmí být potlačena praktická činnost žáků ve výuce, a proto by si žáci měli simulací získané výsledky ověřit v praxi a zjistit zda jsou výsledky počítačové simulace shodné s reálným chováním simulovaných jevů.
Vlastní plán vyučovacích hodin - hodina výkladová (2 × 45 min.), hodiny cvičení (3 × 90 min.), s využitím simulačního výpočtu by mohl vypadat takto:
Téma hodiny: Odlévané polotovary
Téma odlévané polotovary seznamuje žáky se základními pojmy slévárenství, slévárenskou formou, taveninou a její vzájemnou interakcí se slévárenskou formou.
Navazuje na poznatky žáků z fyziky, počítačové podpory konstruování a technického kreslení, které rozšiřuje a prohlubuje.
Cíle hodiny:
Žáci znají základní pojmy ze slévárenství, druhy, materiály a konstrukci slévárenských forem.
Žáci umí nasimulovat plnění slévárenské formy taveninou pro jednoduchý odlitek a vyhodnotit je, tj. určit vlivy působící na plnění slévárenské formy a na utváření odlitku ve formě.
Žáci umí nasimulovat tepelné procesy ve slévárenské formě (křivku tuhnutí v tepelné ose odlitku) a vyhodnotit je.
Navržené vyučovací a technické prostředky pro použití v hodině:
Simulační program s předmodelovaným odlitkem jednoduchého tvaru.
Potřebné počítačové vybavení učebny, dataprojektor.
Průběh hodiny:
Pozdrav učitele s žáky Zápis do třídní knihy
Opakování látky z minulé hodiny Seznámení žáků s tématem hodiny Výklad látky
Shrnutí nové látky
Ukončení hodiny a příprava na cvičení Praktické cvičení:
Navázání na teoretický základ
Instruktáž ovládání simulačního programu
Předvedení postupu simulačního výpočtu na příkladu odlitku jednoduchého tvaru válce
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Vlastní práce žáků na zadaném příkladě
Zakončení a zhodnocení celého tématu a ověření nově získaných znalostí
Obr. 6 Výsledek simulace plnění formy s odlitkem jednoduchého tvaru válce
Obr. 7 Výsledek simulace tuhnutí a chladnutí odlitku jednoduchého tvaru válce