《安全模擬與仿真》課程教學(xué)大綱

1、安全模擬與仿真課程教學(xué)大綱課程英文名稱：Computer Simulation in Safety Engineering課程編號： 133990170課程類別：專業(yè)課課程性質(zhì)：必修課學(xué) 分： 3學(xué) 時：48（其中：講課學(xué)時：32 上機學(xué)時: 16）適用專業(yè)： 安全工程開課部門： 環(huán)境與資源學(xué)院一、課程教學(xué)目的和課程性質(zhì)本課程是安全工程專業(yè)本科生的專業(yè)必修課，主要教學(xué)目的是學(xué)生能夠應(yīng)用計算機模擬與仿真技術(shù)輔助進(jìn)行礦山、建筑和化工等領(lǐng)域的安全設(shè)計與計算。通過本課程學(xué)習(xí)使學(xué)生了解幾種主流安全模擬與仿真類軟件的應(yīng)用，例如Comsol Multiphysics、Ansys、FDS火災(zāi)模擬軟件、 HYP

2、ERLINK /link?url=cs-LucutETDUQUh25zmCbTi5TQuxmnF7IpYbdPbGySf3SZP68o2_xR18cWoDTLtr8mEQOuDWwTt46ekzVZ0kYq t _blank Slide 邊坡穩(wěn)定性分析軟件和FLAC3D等，主要掌握大型通用多物理場耦合分析軟件的數(shù)學(xué)與物理建模、模型計算、結(jié)果分析等過程的基本方法，具備計算機輔助安全設(shè)計與計算分析的初步能力。二、本課程與相關(guān)課程的關(guān)系該課程主要在高等數(shù)學(xué)、流體力學(xué)、工程力學(xué)、采礦概論、建設(shè)工程概論、工業(yè)通風(fēng)與除塵、礦井通風(fēng)與防塵、計算機文化基礎(chǔ)和無機化學(xué)等課程開設(shè)的基礎(chǔ)上開設(shè)此課程，要求學(xué)生在具備

3、一定的高等數(shù)學(xué)、力學(xué)和化學(xué)基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上開展此門課程的學(xué)習(xí)。三、課程的主要內(nèi)容及基本要求（一）理論學(xué)時部分第1單元 安全模擬與仿真概論 （ 2學(xué)時）知 識 點安全模擬與仿真的來源；安全模擬與仿真可以解決的問題；目前用于計算機輔助分析的仿真軟件的概況；計算機仿真分析軟件進(jìn)行分析計算的流程。重 點了解計算機仿真技術(shù)在安全工程中的應(yīng)用領(lǐng)域；基于簡單案例了解計算機仿真分析軟件進(jìn)行分析計算的流程。難 點理解計算機仿真分析軟件進(jìn)行分析計算的流程基本要求1、識 記：掌握模擬與仿真、數(shù)學(xué)模型、幾何模型、網(wǎng)格剖分等概念 2、領(lǐng) 會：計算機仿真分析軟件進(jìn)行分析計算的流程 3、簡單應(yīng)用：掌握計算機仿真分析軟件的主

4、要功能及應(yīng)用領(lǐng)域 4、綜合應(yīng)用：能夠建立簡單的數(shù)學(xué)模型和幾何模型 第2單元 模擬與仿真的理論基礎(chǔ) （ 8學(xué)時）知 識 點有限差分法的基礎(chǔ)理論；有限體積法的基礎(chǔ)理論；有限元的基礎(chǔ)理論。重 點 掌握有限差分法和有限體積法的理論基礎(chǔ)難 點理解有限元的基礎(chǔ)理論基本要求1、識 記：掌握離散化、有限差分法、有限體積法和有限元等概念 2、領(lǐng) 會：離散化方法的思想 3、簡單應(yīng)用：對有限差分法和有限體積法的計算公式能夠進(jìn)行簡單的推導(dǎo) 4、綜合應(yīng)用：利用有限差分法和有限體積法針對一維的數(shù)值計算問題展開計算第3單元 計算機仿真分析軟件概述 （ 2學(xué)時）知 識 點計算機仿真軟件的安裝及基本操作；基于計算機仿真軟件建立

5、數(shù)學(xué)模型；基于計算機仿真軟件建立幾何模型；計算機仿真分析軟件進(jìn)行仿真計算的步驟和流程。重 點基于計算機仿真軟件建立簡單的數(shù)學(xué)模型和幾何模型難 點理解計算機仿真軟件建立數(shù)學(xué)模型的方式，能夠通過計算機仿真軟件建立正確的數(shù)學(xué)模型基本要求1、識 記：掌握計算機仿真軟件基本操作2、領(lǐng) 會：計算機仿真分析軟件進(jìn)行仿真計算的步驟和流程3、簡單應(yīng)用：建立簡單的數(shù)學(xué)模型和幾何模型 4、綜合應(yīng)用：利用計算機仿真分析軟件重復(fù)已知案例，并進(jìn)行簡單的結(jié)果后處理第4單元 基于計算機仿真分析軟件建立幾何模型 （ 6學(xué)時）知 識 點幾何模型工具簡介；一維幾何模型的建立；二維幾何模型的建立；三維幾何模型的建立；復(fù)雜異形幾何模型

6、的建立；幾何模型的導(dǎo)入導(dǎo)出等；依據(jù)幾何模型設(shè)定初始條件和邊界條件。重 點 基于計算機仿真軟件建立一、二和三維幾何模型難 點基于計算機仿真軟件建立復(fù)雜異形幾何模型基本要求1、識 記：計算機仿真分析軟件幾何建模工具2、領(lǐng) 會：理解計算機仿真分析軟件幾何運算的原理3、簡單應(yīng)用：能夠建立一維、二維和三維的幾何模型，并實現(xiàn)模型的導(dǎo)入和導(dǎo)出 4、綜合應(yīng)用：根據(jù)實際案例建立正確的幾何模型，并設(shè)定正確的初始條件和邊界條件第5單元 網(wǎng)格剖分（ 4學(xué)時）知 識 點網(wǎng)格剖分的一般步驟；單元屬性的定義；網(wǎng)格劃分；網(wǎng)格局部細(xì)化；網(wǎng)格直接生成；網(wǎng)格的導(dǎo)入導(dǎo)出等。重 點 基于計算機仿真軟件對一、二和三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分

7、難 點基于計算機仿真軟件建立復(fù)雜異形幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分和局部細(xì)化處理基本要求1、識 記：計算機仿真分析軟件網(wǎng)格剖分工具2、領(lǐng) 會：理解計算機仿真分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格剖分的原理3、簡單應(yīng)用：能夠?qū)σ痪S、二維和三維的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并實現(xiàn)網(wǎng)格的導(dǎo)入和導(dǎo)出 4、綜合應(yīng)用：根據(jù)實際案例建立正確的幾何模型，并進(jìn)行合理的網(wǎng)格剖分第6單元 計算及后處理（ 4學(xué)時）知 識 點有限元模型的加載；求解器的選擇及求解；計算結(jié)果的后處理，包括計算結(jié)果的一維分析、二維分析和三維分析，計算數(shù)據(jù)及動畫的輸出等。重 點 選擇正確的求解器對有限元模型進(jìn)行計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行合理有效的后處理難 點理解求解器對模型進(jìn)行計算的

8、基本原理基本要求1、識 記：計算機仿真分析軟件模型求解和結(jié)果后處理工具2、領(lǐng) 會：理解計算機仿真分析軟件模型求解和結(jié)果后處理工具的應(yīng)用3、簡單應(yīng)用：能夠?qū)σ痪S、二維和三維的有限元模型進(jìn)行正確求解，并對結(jié)果進(jìn)行后處理和導(dǎo)出 4、綜合應(yīng)用：根據(jù)實際案例建立正確的有限元模型，并進(jìn)行計算和結(jié)果后處理第7單元 火災(zāi)模擬軟件FDS應(yīng)用概述（ 2學(xué)時）知 識 點FDS軟件的安裝、基本操作；基于計算機仿真軟件建立數(shù)學(xué)模型； 基于計算機仿真軟件建立幾何模型；基于FDS軟件進(jìn)行仿真計算的步驟和流程。重 點基于FDS軟件進(jìn)行簡單案例計算難 點理解FDS軟件建立數(shù)學(xué)模型的方式，能夠通過計算機仿真軟件建立正確的數(shù)學(xué)模型

9、基本要求1、識 記：掌握FDS軟件的基本操作2、領(lǐng) 會：FDS軟件進(jìn)行仿真計算的步驟和流程3、簡單應(yīng)用：建立簡單的數(shù)學(xué)模型和幾何模型 4、綜合應(yīng)用：利用FDS軟件件重復(fù)已知案例，并能進(jìn)行簡單案例的計算和后處理第8單元 HYPERLINK /link?url=cs-LucutETDUQUh25zmCbTi5TQuxmnF7IpYbdPbGySf3SZP68o2_xR18cWoDTLtr8mEQOuDWwTt46ekzVZ0kYq t _blank 邊坡穩(wěn)定性分析軟件Slide應(yīng)用概述（ 2學(xué)時）知 識 點Slide軟件的安裝、基本操作；基于計算機仿真軟件建立數(shù)學(xué)模型； 基于計算機仿真軟件建立幾何

10、模型；基于Slide軟件進(jìn)行仿真計算的步驟和流程。重 點基于Slide軟件進(jìn)行簡單案例計算難 點理解Slide軟件建立數(shù)學(xué)模型的方式，能夠通過計算機仿真軟件建立正確的數(shù)學(xué)模型基本要求1、識 記：掌握Slide軟件的基本操作2、領(lǐng) 會：Slide軟件進(jìn)行仿真計算的步驟和流程3、簡單應(yīng)用：建立簡單的數(shù)學(xué)模型和幾何模型 4、綜合應(yīng)用：利用Slide軟件件重復(fù)已知案例，并能進(jìn)行簡單案例的計算和后處理第9單元 HYPERLINK /link?url=cs-LucutETDUQUh25zmCbTi5TQuxmnF7IpYbdPbGySf3SZP68o2_xR18cWoDTLtr8mEQOuDWwTt46e

11、kzVZ0kYq t _blank 巖土分析軟件FLAC3D應(yīng)用概述（ 2學(xué)時）知 識 點FLAC3D軟件的安裝、基本操作；基于計算機仿真軟件建立數(shù)學(xué)模型； 基于計算機仿真軟件建立幾何模型；基于FLAC3D軟件進(jìn)行仿真計算的步驟和流程。重 點基于FLAC3D軟件進(jìn)行簡單案例計算難 點理解FLAC3D軟件建立數(shù)學(xué)模型的方式，能夠通過計算機仿真軟件建立正確的數(shù)學(xué)模型基本要求1、識 記：掌握FLAC3D軟件的基本操作2、領(lǐng) 會：FLAC3D軟件進(jìn)行仿真計算的步驟和流程3、簡單應(yīng)用：建立簡單的數(shù)學(xué)模型和幾何模型 4、綜合應(yīng)用：利用FLAC3D軟件件重復(fù)已知案例，并能進(jìn)行簡單案例的計算和后處理學(xué)時分配

12、知識單元理論學(xué)時第1單元 安全模擬與仿真概論2第2單元 模擬與仿真的理論基礎(chǔ) 8第3單元 計算機仿真分析軟件概述2第4單元 基于計算機仿真分析軟件建立幾何模型6第5單元 網(wǎng)格剖分4第6單元 計算及后處理4第7單元 火災(zāi)模擬軟件FDS應(yīng)用概述2第8單元 HYPERLINK /link?url=cs-LucutETDUQUh25zmCbTi5TQuxmnF7IpYbdPbGySf3SZP68o2_xR18cWoDTLtr8mEQOuDWwTt46ekzVZ0kYq t _blank 邊坡穩(wěn)定性分析軟件Slide應(yīng)用概述2第9單元 HYPERLINK /link?url=cs-LucutETDUQU

13、h25zmCbTi5TQuxmnF7IpYbdPbGySf3SZP68o2_xR18cWoDTLtr8mEQOuDWwTt46ekzVZ0kYq t _blank 巖土分析軟件FLAC3D應(yīng)用概述2合計32（二）實驗學(xué)時部分實驗教學(xué)環(huán)節(jié)作用及目的安全模擬與仿真課程上機實驗的目的在于通過上機操作，使學(xué)生掌握利用多物理場耦合仿真軟件建模，通過有限元分析的方法來分析計算安全工程中的問題，具備安全仿真與模擬分析的初步能力。同時通過小組上機實驗，進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作能力、報告撰寫能力、口頭表達(dá)能力和數(shù)據(jù)處理軟件使用能力等。實驗教學(xué)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生能力標(biāo)準(zhǔn) 通過計算機模擬與仿真理論和仿真軟件操作應(yīng)用的學(xué)習(xí)，

14、能夠熟練的應(yīng)用多物理場耦合仿真軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)和幾何建模、網(wǎng)格剖分、初始條件和邊界條件的設(shè)置、材料的屬性設(shè)置、求解和后處理等操作，能夠運用仿真軟件獨立從事實際安全問題的仿真計算。實驗項目、內(nèi)容、學(xué)時分配及實驗類型1、必開實驗序號實驗項目實驗內(nèi)容學(xué)時實驗類型(演示、驗證、綜合、設(shè)計研究)組數(shù)每組學(xué)生人數(shù)1仿真軟件基本操作軟件的安裝、基本操作、數(shù)學(xué)模型的建立、幾何模型的建立、計算機建模的步驟和流程4綜合2452仿真軟件幾何建模一維、二維和三維幾何模型的建立、復(fù)雜異形幾何模型的建立，幾何模型的導(dǎo)入導(dǎo)出、依據(jù)幾何模型設(shè)定初始條件和邊界條件4綜合2453網(wǎng)格剖分網(wǎng)格剖分的一般方案、網(wǎng)格局部細(xì)化、網(wǎng)格直接生成

15、、網(wǎng)格的導(dǎo)入導(dǎo)出4綜合2454加載與求解、后處理有限元模型的加載、求解器的選擇及求解、計算結(jié)果的后處理，包括計算結(jié)果的一維分析、二維分析和三維分析，計算數(shù)據(jù)及動畫的輸出等4綜合2452、選開實驗序號實驗項目實驗內(nèi)容學(xué)時實驗類型(演示、驗證、綜合、設(shè)計研究)組數(shù)每組學(xué)生人數(shù)3、主要儀器設(shè)備計算機四、教學(xué)方法與手段本課程以課堂實例講授和上機實驗操作為主，各章教學(xué)可輔以錄像片、幻燈片等多媒體教學(xué)手段。對于部分重點問題，適當(dāng)安排課堂討論和課下實例訓(xùn)練。五、考核要求、方式與成績評定考核要求：了解計算機模擬與仿真技術(shù)在安全工程領(lǐng)域中應(yīng)用的現(xiàn)狀、了解安全工程輔助分析軟件的種類、功能和優(yōu)缺點、掌握計算機模擬與

16、仿真的原理、掌握有限元分析軟件的功能、結(jié)構(gòu)、原理和適用范圍、掌握有限元分析軟件的前處理、求解和后處理等。 考核形式：考試成績評定：文獻(xiàn)查閱報告（15%）、隨堂測試（15%）、上機考試（15%）、課題訓(xùn)練（15%）、期末考試（40%）六、選用教材、講義和主要參考書書目名稱、版次、作者、出版社、出版日期應(yīng)列出，格式如下：1、選用教材、講義COMSOL Multiphysics工程實踐與理論仿真:多物理場數(shù)值分析技術(shù)（第1版）王剛,安琳編 電子工業(yè)出版社 2012.10.1 COMSOL MULTIPHYSICS 基本操作指南和常見問題解答（第1版） 馬慧,王剛編 人民交通出版社 2009.10.1COMSOL Multiphysics 中文使用手冊 中仿科技公司編 2008.10ANSYS輔助分析應(yīng)用基礎(chǔ)教程（第1版）張樂樂，譚南林，焦風(fēng)川編 清華大學(xué)出版社