- Ресурсный центр

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное образовательное учреждение среднего
профессионального образования
Красногорский государственный колледж
Государственный контракт от 29.08. 2011 г. № 12.Р20.11.0006
ПРОГРАММА
по направлению
«СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
НАНОСИСТЕМ»
для подготовки специалистов технической направленности в рамках
стратегических и приоритетных отраслей развития промышленности,
использующих ресурсы сети образовательных учреждений на базе
межрегионального ресурсного центра
В рамках Федеральной целевой программы развития образования на 20112015 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
УТВЕРЖДАЮ
Директор
ФГОУ СПО «Красногорский
государственный колледж»
доктор педагогических наук,
кандидат экономических наук,
профессор
Заслуженный учитель РФ
___________________ В.М. Демин
«____» _________________ 2011 г.
Заместитель начальника отдела
по
работе
с
директор
персоналом
–
международного
центра «ЗЕНИТ-РЕСУРС» ОАО
«Красногорский
завод
им.
С.А.Зверева», к.т.н., доцент
_____________М.В. Лукьянцева
Разработчики:
Заведующая
учебной
частью
ФГОУ
СПО
«Красногорский
государственный колледж» Попович Е.М.
Заведующая
отделением
программирования
ФГОУ
СПО
«Красногорский государственный колледж», кандидат педагогических наук
Трегубова Е.С.
Рецензенты:
Начальник отдела систем автоматизированного проектирования
технологической подготовки производства, Бирюков Ф.А.
2
Введение
Учебный курс «Системы автоматизированного проектирования
наносистем» рассматривает основные вопросы систем автоматизированного
проектирования 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
электромеханических
применявшихся
систем.
В
основе
методов
проектирования
рассматриваемых
в
данной
программе маршрутов проектирования МЭМС и НЭМС лежит 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 учебный курс строится на основе оптимального
соотношения
теоретических
и
практических
вопросов
и
заданий
с
обязательным участием специалистов в самостоятельном исследовании
оригинальных частных задач проектирования МЭМС и НЭМС.
3
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
перечисленная
в
материалов
списке
была
использована
использованных
литература,
источников
[1–9],
проанализированы разнообразные источники в сети Интернет. Полученная
информация была систематизирована и обобщена для решения указанного
выше комплекса задач.
Учебный курс «Системы автоматизированного проектирования
наносистем»
разработан
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.
4
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.
Требования к образованию: НПО, 1-2 курс СПО. Опыт работы не
требуется.
5
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
автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС.
6
маршруты
II. Тематический план
№
Раздел
Лекции
Практические
Литерату
занятия
ра
Методология
1
проектирования
МЭМС
1
2
2
2
14
21
6
6
11
5
2
–
36
36
и НЭМС
Общие
2
сведения
11]
об
автоматизированном
проектировании
[1, 2, 5, 8,
МЭМС
и
[1, 2, 7]
НЭМС
Автоматизированное
проектирование
3
элементов
МЭМС и НЭМС на основе
междисциплинарного
[1, 2, 4, 6,
9]
подхода
Автоматизированное
4
проектирование
НЭМС
на
МЭМС
и
компонентном
[1–3, 9]
и системном уровнях
Интегрированные
5
пакеты
автоматизированного
проектирования
МЭМС
[1, 2, 9,
10]
и НЭМС
Особенности
6
проектирования
повышения
маршрутов
для
надежности
МЭМС и НЭМС
Итого
7
[1, 2]
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.
8
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
ANSYS
для
электромагнитного анализа элементов МЭМС и НЭМС.
3.5.
Применение
программного
комплекса
междисциплинарного анализа МЭМС и НЭМС.
Основные принципы междисциплинарного расчета элементов МЭМС и
НЭМС
в
программном
междисциплинарного
анализа
комплексе
в
ANSYS.
программном
Прямой
комплексе
метод
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.
9
Основные
принципы
междисциплинарного расчета элементов МЭМС и НЭМС в программном
комплексе COMSOL.
4.
Автоматизированное
компонентном
и
системном
проектирование
уровнях.
Два
МЭМС
и
основных
НЭМС
на
подхода
к
проектированию МЭМС и НЭМС на компонентном уровне: проектирование
«сверху–вниз» и проектирование «снизу–вверх», преимущества и недостатки
каждого
из
подходов.
Дифференциальные
Поведенческие
модели
МЭМС
модели
и
МЭМС
НЭМС.
Пакет
и
НЭМС.
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.
10
IV. Практические занятия
№
Тема
п/п
1
2
Общие сведения о проектировании МЭМС
и НЭМС
Общие сведения об автоматизированном
проектировании МЭМС и НЭМС
Практическое
3
Объем, ч
конечных
применение
элементов
в
2
Литература
[1, 2, 5, 8,
11]
2
[1, 2, 7, 12]
7
[3, 6, 9]
6
[3, 6, 9]
метода
программном
комплексе ANSYS
Применение
программного
комплекса
ANSYS для гармонического и теплового
4
анализа элементов МЭМС и НЭМС.
Применение
программного
комплекса
ANSYS для электромагнитного анализа
элементов МЭМС и НЭМС
Применение
5
программного
комплекса
ANSYS для моделирования элементов
8
МЭМС и НЭМС
Применение пакета Matlab/Simulink для
6
автоматизированного
проектирования
2
[3, 9]
4
[3, 9]
проектирования
5
[9, 10]
Итого
36
МЭМС и НЭМС на компонентном уровне
Изучение применения модуля SUGAR для
7
автоматизированного
проектирования
МЭМС
и НЭМС
Применение
8
интегрированных
автоматизированного
пакетов
МЭМС и НЭМС
11
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.
12
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.
Методология автоматизированного проектирования МЭМС и
НЭМС
Микроэлектромеханические системы– это интегрированные системы,
комбинирующие электрические и механические компоненты, изготовленные
по технологиям, совместимым с технологией ИС, и имеющие размеры от 0,1
микрометра до сантиметров.
Наноэлектромеханические системы– это интегрированные системы,
комбинирующие электрические и механические компоненты, изготовленные
по технологиям, совместимым с технологией ИС, и имеющие размеры от
размеров атомов до 100 нм.
В общем случае МЭМС обеспечивает конвертирование величин
различной
физической
природы
(электрической,
механической
и т. д.). В связи с этим обобщенная функциональная блок-схема МЭМС
включает в себя следующие компоненты:
 актюаторы и/или сенсоры;
 системы излучения (антенны);
13
 цепи, используемые для обработки информации от сенсоров,
актюаторов;
 цепи управления.
Общие сведения об автоматизированном проектировании МЭМС
и НЭМС
Проектирование МЭМС и НЭМС, при котором все проектные
решения
или
их
часть
получают
путем
взаимодействия
человека
и ЭВМ, называют автоматизированным в отличие от ручного (без
использования ЭВМ) или автоматического (без участия человека на
промежуточных
этапах).
Система,
проектирование
МЭМС
и
автоматизированного
реализующая
НЭМС,
автоматизированное
представляет
проектирования
собой
систему
и
НЭМС
МЭМС
(в англоязычном написании CAD of MEMS & NEMS — Computer Aided
Design of MEMS and NEMS).
Ручное проектирование МЭМС и НЭМС возможно лишь в отдельных
частных
случаях
Превалирующим
для
в
сравнительно
настоящее
время
несложных
является
объектов
МЭМС.
автоматизированное
проектирование МЭМС и НЭМС. Системы автоматического проектирования
МЭМС и НЭМС в настоящее время отсутствуют.
Основой автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС
является математическая модель. Математическая модель МЭМС и НЭМС
представляет собой множество математических объектов и отношений между
ними, адекватно отражающее конкретные свойства МЭМС и НЭМС.
Каждому
аспекту
использование
и
каждому
характерных
уровню
абстрагирования
математических
моделей.
свойственно
Однако
при
проектировании МЭМС и НЭМС зачастую целесообразно использование
математических моделей разных уровней абстрагирования. Такой подход
называется многомасштабным моделированием.
В зависимости от последовательности процедур и этапов различают
нисходящий, восходящий и смешанный стили проектирования.
14
Последовательность решения задач от нижних уровней к верхним
характеризует восходящее проектирование. Обратная последовательность
приводит к нисходящему проектированию.
В смешанном стиле имеются элементы как восходящего, так
и нисходящего проектирования.
САПР МЭМС и НЭМС базируются на итерационном процессе
проектирования. Приближение к окончательному результату осуществляется
путем многократного выполнения одной и той же последовательности
процедур. Итерации могут охватывать как несколько операций, так и
несколько этапов проектирования.
Таким образом, для автоматизированного проектирования МЭМС и
НЭМС необходимы интегрированные системы, включающие в себя
подсистемы:
 проектирование на компонентном уровне;
 проектирование на междисциплинарном уровне;
 проектирование электронных компонентов;
 проектирование
с
учетом
обеспечения
надежного
функционирования МЭМС и НЭМС.
Общие сведения об автоматизированном проектировании МЭМС
и НЭМС на основе междисциплинарного подхода
Математическими
моделями
на
междисциплинарном
уровне
являются дифференциальные уравнения в частных производных и/или
интегральные уравнения, описывающие поля физических величин. Другими
словами,
на
междисциплинарном
уровне
используются
модели
с
распределенными параметрами. В качестве независимых переменных в
моделях могут фигурировать пространственные переменные
время
x1 ,
x2 ,
x3
и
t.
Характерными
примерами
моделей
могут
служить
математической физики с заданными краевыми условиями.
15
уравнения
Краевые условия включают начальные условия, характеризующие
пространственное распределение зависимых переменных в начальный
момент времени, и граничные, задающие значения этих переменных на
границах рассматриваемой области.
В САПР МЭМС и НЭМС на основе междисциплинарного подхода
решение дифференциальных или интегро-дифференциальных уравнений с
частными производными выполняется численными методами. Эти методы
основаны на дискретизации независимых переменных — их представлении
конечным множеством значений в выбранных узловых точках исследуемого
пространства. Эти точки рассматриваются как узлы некоторой сетки,
поэтому
используемые
в
САПР
МЭМС
и
НЭМС
на
основе
междисциплинарного подхода методы — это сеточные методы. Обычно
выполняют дискретизацию пространственных независимых переменных, т. е.
используют
пространственную
дискретизации
уравнений
является
для
сетку.
система
нестационарной
В
этом
случае
обыкновенных
задачи
или
результатом
дифференциальных
система алгебраических
уравнений для стационарной.
Численные методы САПР МЭМС и НЭМС могут быть разделены на
три основных вида:
 метод конечных разностей (МКР);
 метод конечных элементов (МКЭ);
 метод граничных элементов (более общее название – метод
граничных интегральных уравнений) (МГЭ).
Применение
программного
комплекса
ANSYS
для
моделирования элементов МЭМС и НЭМС
Программный комплекс ANSYS представляет собой многоцелевой
комплекс для решения сложных проблем физики, механики, электростатики,
электродинамики.
деформируемого
Он
позволяет
твердого
тела,
рассчитывать
теплопроводности,
задачи
задачи
механики
механики
жидкости и газа, а также электромагнитные поля. Математической основой,
16
на которой реализован этот программный продукт, является метод конечных
элементов. Для расчета МЭМС и НЭМС комплекс обладает возможностью
расчета связанных задач, в которых результаты расчета для одной среды
(например, электростатического поля) могут быть использованы в качестве
исходных нагрузок для расчета других сред (например, для вычисления
распределения напряжений в актюаторе). Многоцелевая направленность
программы позволяет использовать одну и ту же модель для решения
различных задач проектирования МЭМС.
Программный комплекс
включает в себя
широкий перечень
алгоритмов и моделей, которые учитывают нелинейные эффекты, позволяют
выполнить оптимизацию. Отличительными особенностями программного
комплекса ANSYS являются:
 параметрическое моделирование;
 адаптивное перестроение сетки;
 обширные возможности создания макрокоманд с помощью
языка параметрического программирования (APDL).
Применение
программного
комплекса
ANSYS
для
моделирования элементов МЭМС и НЭМС
В программном комплексе ANSYS предоставляется возможность
решения различных задач механики твердого тела.
Под
статическим
анализом
микроэлектромеханических
понимается
компонентов
под
расчет
перемещений
действием
внешних
воздействий. В программном комплексе ANSYS предусмотрена возможность
выполнения
линейного
и
нелинейного
статического
анализа.
При
выполнении статического анализа можно использовать только определенные
конечные элементы.
17
Применение
программного
комплекса
ANSYS
для
моделирования элементов МЭМС и НЭМС
Под
тепловым
температуры
и
анализом
других
понимается
параметров
расчет
тепловых
распределения
процессов
в
микроэлектромеханических компонентах. В программном комплексе ANSYS
поддерживается два вида теплового анализа:
 анализ установившихся процессов;
 анализ переходных процессов.
При выполнении теплового анализа можно использовать только
определенные конечные элементы.
Место учебного курса в учебном плане подготовки
Учебный
курс
способствует
формированию
навыков
конструкторского проектирования МЭМС и НЭМС, решению системных
задач, решаемых при курсовом и дипломном проектировании.
Курс требует активного применения ранее полученных знаний и
умений
по
технологии
приборостроения,
математики,
информатики,
системного анализа и моделирования, теории информационных систем и баз
данных.
Методология автоматизированного проектирования МЭМС и
НЭМС.
Роль
методов
совершенствовании
автоматизированного
конструкций
и
технологии
проектирования
производства
в
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.
Общие сведения об автоматизированном проектировании МЭМС
и НЭМС.
Особенности процесса автоматизированного проектирования МЭМС
и НЭМС, маршруты проектирования МЭМС и НЭМС, принципы их
построения. Уровни абстрагирования и аспекты описания проектируемых
18
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.
Автоматизированное проектирование элементов 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.
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.
Общие сведения о пакете COMSOL. Возможности пакета COMSOL
для автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС. Виды анализа
элементов МЭМС и НЭМС в программном комплексе COMSOL.
Автоматизированное
проектирование
МЭМС
и
НЭМС
на
компонентном уровне.
Два основных подхода к проектированию МЭМС и НЭМС:
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.
19
Интегрированные пакеты автоматизированного проектирования
МЭМС и НЭМС.
Интегрированный
пакет
программ
CoventorWare.
Основные
и дополнительные программы пакета.
Интегрированный пакет программ MEMSPro. Возможности пакета
MEMSPro для автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС.
Интегрированный
пакет
программ
IntelliSense.
Основные
и дополнительные программы пакета.
Возможности интеграции различных пакетов автоматизированного
проектирования МЭМС и НЭМС в одном маршруте проектирования.
Особенности
маршрутов
проектирования
для
повышения
проектирования
для
повышения
надежности МЭМС и НЭМС.
Модифицированные
циклы
надежности МЭМС и НЭМС. Влияние дестабилизирующих факторов на
надежность МЭМС и НЭМС. Статистический анализ надежности МЭМС и
НЭМС.
Разработка алгоритмов и программ моделирования элементов МЭМС
и НЭМС на междисциплинарном уровне.
Исследование на ЭВМ влияния выбора метода моделирования МЭМС
и НЭМС на результаты моделирования на междисциплинарном уровне.
Составление алгоритмов и программ моделирования элементов
МЭМС и НЭМС на компонентном уровне.
Исследование на ЭВМ влияния выбора метода моделирования МЭМС
и НЭМС на результаты моделирования на компонентном уровне.
Исследование
на
ЭВМ
влияния
выбора
различных
моделей
материалов на результаты моделирования на междисциплинарном уровне.
20
Организация учебных занятий по курсу
Курс построен по модульному принципу, изучение модулей
завершается выполнением студентами зачетных работ. Отдельные вопросы
предлагаются для самостоятельного ознакомления.
Все
практические занятия проходят в компьютерном классе
с использованием специализированного компьютерного программного
обеспечения и мультимедийных средств. В рамках практических занятий по
курсу «САПР наносистем» выполняется задание по проектированию
элементов МЭМС и НЭМС на основе междисциплинарного подхода и по
проектированию МЭМС и НЭМС на компонентном уровне.
21
Список используемых источников
1.
Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение /
Пер. с англ. под ред. Ю. А. Заболотной. – М. : Техносфера, 2004. – 525 с.
2.
Дьяконов В. П. Mаtlab 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 в математике и
моделировании. – М. : СОЛОН-Пресс, 2005. – 575 с.
3.
Каплун А. Б., Морозов Е. М., Олферьева М. А. ANSYS в руках
инженера. – М. : Едиториал УРСС, 2003. – 269 с.
4.
Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника :
сборник статей / Под ред. П. П. Мальцева. – М. : Техносфера, 2006.
5.
Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования :
учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э.
Баумана, 2006. – 446 с.
6.
Потапов Ю. Программное обеспечение Coventor // Chip News. –
2002. – № 2. – С. 62–67.
7.
Фрайден Дж. Современные датчики : справочник / Пер.
с англ. Ю. А. Заболотной; ред. пер. Е. Л. Свинцов. – М. : Техносфера, 2006.
– 588 с.
8.
Чигарев А. В., Кравчук А. С., Смалюк А. Ф. ANSYS для
инженеров : справочное пособие. – М. : Машиностроение, 2004. –511 с.
9.
Шахнов В. А., Панфилов Ю. В., Власов А. И. и др.
Наноразмерные структуры: классификация, формирование и исследование.
– М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. – 100 с.
10.
Яшин К. Д., Лацапнёв Е. В., Осипович В. С. Системы
автоматизированного
проектирования
МЭМС
//
Информационные
технологии. – 2007. – № 11. – C. 22–28.
11.
Яшин К. Д., Осипович В. С., Божко Т. Г. Разработка МЭМС //
Нано- и микросистемная техника. – 2008. – № 1. – С. 28–34.
12.
Яшин К. Д., Осипович В. С., Божко Т. Г. Современные
разработки МЭМС // Нано- и микросистемная техника. – 2008. – № 5. – С.
57–64.
22
Интернет-источники (видеоматериалы):
http://cadregion.ru/kompas-3d/narezanie-rezby-na-poverxnostyax-3d-modelejvideo.html
http://cadregion.ru/tag/solidworks-simulation
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.
познания
к
Учитывая общую тенденцию современного научного
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
23
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.
методические
Темы дисциплины, по которым имеются доступные учебнодокументы
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.
24