Závěrečná zpráva grantového projektu FRVŠ č. 1965/2009 typ A/b s názvem Pracoviště pro počítačové modelování, numerické simulace a rapid prototyping Řešitel: prof. Ing. Petr Horyl, CSc. Spoluřešitelé: Ing. Radim Halama, Ph.D., Dr. Ing. Anna Plchová, Ing. Jan Szweda, Ph.D., Ing. Milena Hrudičková, Ph.D. Pracoviště: Fakulta strojní VŠB-TU Ostrava Řešený projekt se zabývá vytvořením integrovaného pracoviště, které umožňuje studentům osvojit si metody a principy zrodu strojních součástí od jejich návrhu a 3D počítačového modelu, přes konstrukční řešení a numerickou analýzu (zejména metodou konečných prvků, zkr. MKP) až po vznik fyzického prototypu metodami SRP (Substractive Rapid Prototyping). Výsledkem projektu je možnost komplexní výuky moderního a progresivního integrovaného procesu zrodu strojních, který je založen pouze na počítačových technologiích. Uvedený souhrn počítačových technologií je často označován zkratkou CAD/CAE/CAM.. Cíle řešení Řešený projekt si kladl za cíl vytvořit pokrokové výukové pracoviště založené na nejnovějších technologiích v oblasti konstruování, navrhování a 3D modelování strojních součástí. Dílčí cíle projektu byly v přihlášce stanoveny následovně: Vytvořit pracoviště umožňující studentům plynulou realizaci procesu: návrh díla - 3D CAD model - numerická simulace - výroba prototypu, a to s využitím jedněch zdrojových dat dostupných všem aplikacím z jednoho sdíleného úložiště. Vybavit pracoviště vhodnými výkonnými PC/pracovními stanicemi na úrovni odpovídající požadavkům soudobého programového vybavení užívaného k řešení tohoto druhu úloh. Zjednodušit a zpřístupnit studentům opakování a studium problematiky počítačového 3D modelování a numerické simulace formou opakování postupu řešení předvedeného v rámci výuky, a to prostřednictvím sekvence obrazů zachycených interaktivní tabulí. Hlavní atributy řešení: Aplikace aktuálně dostupných programových prostředků k řešení standardních inženýrských úloh, tj. počítačové 3D modelování a navazující numerické simulace (např. pevnostní výpočty). Možnost finalizace návrhu strojní součásti v podobě jejího prototypu, tj. výroba fyzického 3D modelu součástí metodami SRP (Substractive Rapid Prototyping). Využití nejnovější technologie k ukládání a sdílení dat (s vyhovující přenosovou rychlostí a kapacitou). Zajištění efektivního způsobu výpočtů úloh numerických simulací založeného na řízeném dávkovém řešení na vzdálených serverech.
Všechny plánované cíle projektu byly splněny. Postup a způsob řešení Postup řešení projektu byl plně přizpůsoben obecnému cíli projektu, kterým je vytvoření pokrokového integrovaného výukového pracoviště na bázi nejnovějších technologií v oblasti konstruování, tj. 3D modelování, řešení numerických analýz a to vše s možností tvorby fyzického prototypu. Za tímto účelem bylo v rámci řešení projektu rozhodnuto zcela reorganizovat stávající počítačovou laboratoř (místnost F209), a to nejen po stránce výměny HW vybavení, ale rovněž po stránce nezbytných úprav a zhodnocení vybavenosti této místnosti. Její výchozí stav zachycuje fotografie na obr. 1. Obr. 1 Výchozí stav počítačové laboratoře Mimo samotný plánovaný nákup HW pracovních stanic šlo z hlediska funkčnosti zejména o rozsáhlou rekonstrukci kabeláže datové sítě, úpravy a přizpůsobení pracovních stolů a z hlediska technického zhodnocení budovy pak o rekonstrukci elektrického rozvodu laboratoře včetně rekonstrukce osvětlení, dále pak obnova podlahové krytiny a v neposlední řadě i vymalování. Veškeré náklady (finanční i personální) na tuto reorganizaci, mimo nákup HW a interaktivní tabule, byly pokryty z prostředků univerzity, tj. převážně z rozpočtů Kateder mechaniky (337) a pružnosti a pevnosti (339). Výsledný stav, kterého bylo společným úsilím dosaženo je i pro zvýraznění estetické stránky zachycen na fotografii na obr. 2.
Obr. 2 Finální stav řešení: počítačová laboratoř, místnost F209 Součástí pracoviště budovaného v rámci tohoto projektu je i serverová část HW techniky, jejíž hlavním cílem je poskytovat dostatečný výpočetní výkon pro CAE analýzy a dále poskytovat dostatečný síťový sdílený úložný prostor pro data studentů související s prováděnou výukou. V rámci této části projektu byla v první řadě řešena otázka vhodného prostorového umístění nakupované serverové techniky. Po relativně dlouhých jednáních, analýzách provozu datové sítě a kalkulacích elektrických příkonů a klimatizačních kapacit možných serveroven bylo, po dohodě zúčastněných stran, rozhodnuto umístit serverový HW integrovaného pracoviště CAD/CAE/CAM do jednoho ze serverových sálů útvaru CIT (Centrum informačních technologií) na VŠB TU Ostrava. Toto rozhodnutí poskytuje pro nakoupený HW adekvátní centrálně zálohované elektrické napájení, adekvátní chladící příkon a v neposlední řadě i čisté, tj. relativně bezprašné prostředí a zabezpečení proti požáru a odcizení. Všechny vyjmenované atributy finálně vyjednaného prostorového umístění serverového HW poskytují nejlepší možné předpoklady pro jeho dlouhodobý bezporuchový chod a tím i nejlepší možné využití vynaložených prostředků. Součástí tohoto umístění je vybavenost serverového sálu, tzn. že rack stojany a příslušné aktivní síťové prvky pro připojení serverů k datové síti byly poskytnuty ze zdrojů univerzity. Výsledek fyzické instalace HW serverů na sále v prostorách CIT zachycuje fotografie na obr. 3. Obr. 3 Finální stav: servery a diskové pole, CIT sál Fakultní servery, místnost NA101d
Řešení dílčích věcných i administrativních problémů při reorganizaci laboratoře F209 a při umísťování serverů bylo časově náročné; daleko náročnější než se předpokládalo. Tyto časové průtahy se projevily v pozdější realizaci nákupu výpočetní techniky a částečně omezených možnostech výuky v laboratoři F209 v průběhu zimního semestru šk. r. 2009/10. Při návrhu vybavení SRP pracoviště jsme se opírali o co nejširší využití zamýšleného zařízení při výuce Dále se braly v úvahu dosavadní zkušenosti spoluřešitelů projektu s metodami SRP, cenovou dostupností zařízení a variabilitou materiálů používaných pro tvorbu 3D prototypů s výhledem do budoucnosti. Jako nejvhodnější se jevila volba vybavit pracoviště CNC frézkou japonské firmy Roland, která tyto požadavky splňuje, na rozdíl od jiných zařízení pro tvorbu SRP modelů (jako např. stereolitografie STL, 3D tiskárna, lasery apod., kde současná pořizovací cena několikanásobně převyšuje pořizovací náklady na CNC frézku). Také pro možnost bezprostředního zapojení studentů do procesu řízení výroby modelu byl zvolen tento typ stroje. Zkušenosti pracovníka Katedry výrobních strojů a konstruování (340) s obsluhou podobného zařízení skýtaly jistotu znalosti problematiky a z toho plynoucí plné využití pracoviště. Pro vytvoření SRP pracoviště byla upravena místnost F225 katedry 340, ve které byly provedeny stavební práce za účelem bezpečného a přesného ustavení stroje a jeho lepší přístupnosti při obsluze, a dále za účelem vzniku úložných prostor pro uskladnění materiálů, nástrojů a dalšího potřebného vybavení CNC frézky. Toto bylo provedeno a financováno zcela v režii katedry 340. SRP pracoviště je z bezpečnostních důvodů umístěno v samostatné místnosti F225 opatřené zabezpečovacím zařízením. Propojení SRP pracoviště s výše popsanou počítačovou laboratoří (F209) a sdíleným datovým úložištěm je realizováno sítí LAN. Obr. 4 Pořízené vybavení pracoviště pro rapid prototyping Při realizacích samotných plánovaných nákupů výpočetní techniky, interaktivní tabule a frézky bylo postupováno v souladu s právním řádem ČR a vnitřními předpisy univerzity. Na jednotlivé dodávky byly vypsány veřejné zakázky malého rozsahu, každá byla vyhodnocena komisionálně s protokolárně dokumentovaným průběhem. Náplň, postup a způsob řešení projektu byly provedeny zcela v souladu s přihláškou projektu, tj. projekt byl řešen beze změn vůči podané přihlášce. Výsledky a výstupy řešení včetně prezentace Výsledkem projektu je nové integrované pracoviště CAD/CAE/CAM sloužící ke vzdělávání studentů konstrukčních oborů fakulty strojní. Takto integrálně koncipované, nově vytvořené pracoviště vzniklo na bázi nejnovějších dostupných technologií a je tvořeno výukovou počítačovou laboratoří vybavenou interaktivní tabulí s dataprojektorem a 12 pracovními stanicemi. Pracoviště je po síti připojeno k výpočetním serverům a centrálnímu sdílenému
datovému úložišti, odkud jsou data poskytována i pro proces zhmotnění 3D CAD modelů v podobě prototypu. Řídicí počítač CNC frézky SRP pracoviště tedy rovněž přistupuje k datům po síti. Výsledkem realizace projektu je významné zkvalitnění procesu výuky studentů konstrukčních oborů fakulty strojní, a to nejen v důsledku instalace nového up to date vybavení, ale také v důsledku technologické vyspělosti tohoto zařízení, která se přímo odráží v celé řadě nových didaktických možností, jenž může lektor využít v procesu přímé i nepřímé výuky. jedná se především o pestrou paletu uplatnění interaktivní tabule (rychlejší a kvalitnější prezentaci probírané látky, snazší výklad práce s CAD/CAE programy, schopnost ukládání a distribuci sekvence obrazovek scan promítaného obrazu včetně na tabuli zapsaných poznámek lektora, apod.), neustálý přístup k datům z výuky (kdykoliv a odkudkoliv, kde je internetové připojení), v neposlední řadě pro studenty velmi žádoucí přístup k robustnímu výpočetnímu výkonu i pro individuální práci mimo přímou výuku (opět po síti dostupné 24 hodin denně 7 dní v týdnu, při rychlém širokopásmovém internetovém připojení odkudkoliv). Možnost získat 3D fyzický model konstrukčního a výpočtového návrhu součásti uzavírá ucelený řetězec inženýrského návrhu a povyšuje výukový proces na zcela jinou úroveň a dává neocenitelnou zpětnou vazbu v podobě možnosti pevnostních zkoušek navrženého fyzického prototypu, a tím ověření správnosti předchozích pevnostních analýz. Konkrétní výstupy Hardware vybavení pracoviště Část serverová: tvoří jádro výpočetního výkonu pracoviště a současně poskytuje sdílený prostor pro ukládání dat pro celý proces CAD/CAE/CAM. Tato část sestává z: 2 ks výpočetní servery: každý 2 CPU po 4 jádrech, každý 36 GB RAM paměti 1 ks file server: 1 CPU se 4 jádry, 8 GB RAM paměti 1 ks diskové pole: iscsi pole s 15 HDD SAS, každý 1TB 7.2k rpm aktivní prvky síťové infrastruktury Část pracovních stanic: poskytuje prostor pro interaktivní práci studentů ve výuce tvorby CAD modelů, přípravy CAE analýz a finalizace dat pro CAM, tj. zhmotnění virtuálního modelu zde v podobě prototypu vytvářeného metodami SRP. Tato část sestává z: 12 ks pracovních stanic organizováno v učebně F209; specifikace: Intel Core 2 Quad Q9650 BOX, 4 GB DDR2 HP Nvidia Quadro FX580 512MB monitor 22 LCD Acer V223, DVI 1 ks interaktivní tabule: širokoúhlý SMART Board 685 (včetně ozvučení) datový projektor Mitsubishi WD500 vertikální pylonový pojezd. Část pracoviště rapid prototyping: poskytuje možnost zhmotnění virtuálního počítačového 3D modelu formou fyzického prototypu. Tato část sestává z: 1 ks CNC frézka SRP Roland Modela Pro MDX-540 včetně příslušenství: 1 ks rotační jednotka ZCL-540 pro možnost rotace upnutého obrobku 5 ks sklíčidlo upínání nástrojů pro stopky 4, 5, 6, 8 a 10 mm 6 ks rovná fréza z rychlořezné oceli (od 3 do 10 mm) 3 ks rovná fréza ze slinutého karbidu (4, 5 a 6 mm) 3 ks kulová fréza ze slinutého karbidu (2, 2.5 a 3 mm) 2 ks kulová fréza z rychlořezné oceli (4 a 5 mm) Řídicí počítač byl pořízen ze zdrojů mimo tento projekt.
Software instalace Servery: instalovány nástroje správy a nástroje sdílení diskového pole pro servery, pracovní stanice a frézku MDX-540 instalovány nástroje správy a řízení uživatelských účtů MS kwindows i Linux instalován výpočetní SW ANSYS a MSC Software instalován systém sledování a řízení vytížení výpočetních uzlů Pracovní stanice: duální instalace OS: bootování buď MS Windows 7 nebo Linux Centos instalován inženýrský SW: ANSYS, MATLAB, MathCAD, MSC Software, AutoDesk, SolidWorks instalován nezbytný komunikační SW: Putty, WinSCP, Cygwin apod. instalován SW interaktivní tabule SMART Notebook Pracoviště rapid prototyping: instalován komunikační a řídicí SW frézky MDX-540 Zařazení do výuky ZS 2009/10 pilotní běh pracoviště; vytížení učebny F209 výukou předmětů: Aplikovaná dynamika, MathCad, Matlab v mechanice, Mechanika II, MKP-ANSYS, Optimalizace mechanických soustav, Teorie plasticity <http://rozvrh.vsb.cz/reporting/individual?idtype=id&objectclass=location&template=mistnosti&weeks=1-14&identifier=porf209&identifiercs=&weeksc=sem&wstart=1&wend=14> (výtisk je součástí příloh) LS 2009/10 a další plný provoz pracovní stanice: vytížení výukou CAD/CAE dle aktuálních osnov časový harmonogram výuky viz: <http://rozvrh.vsb.cz/> (místnost PorF209) pracoviště SRP: tvorba prototypů v návaznosti na osnovy výuky Prezentace výsledků projektu Výsledky řešeného projektu jsou prezentovány prostřednictvím web stránek projektu a rovněž budou prezentovány na konferencích a v časopise Akademik. Konference Aplikovaná mechanika 2010 Přihlášený příspěvek s názvem: Inovace výuky na fakultě strojní zavedením integrovaného pracoviště CAD/CAE/CAM Autoři: Horyl, Halama, Szweda, Plchová, Hrudičková, Poruba. Přihlášený příspěvek si klade za cíl seznámení odborné veřejnosti s přínosy inovativního řešení integrovaného pracoviště CAD/CAE/CAM pro výuku na Fakultě strojní VŠB-TU Ostrava. Abstrakt přihlášeného příspěvku je součástí příloh této závěrečné zprávy. Časopis Akademik Podaný článek s názvem: Nové možnosti ve výuce CAD/CAE/CAM předmětů na Fakultě strojní VŠB-TU Ostrava Autoři: Horyl, Poruba, Halama, Szweda, Plchová, Hrudičková, Přihlášený článek informuje členy akademické obce VŠB-TU Ostrava o rozvoji výuky na fakultě strojní v oblasti CAD/CAE/CAM systémů. Abstrakt přihlášeného příspěvku je součástí příloh této závěrečné zprávy.
Web stránky projektu <http://aplmech.vsb.cz/cadcaecam/> Výsledky projektu budou prezentovány také na Dni otevřených dveří FS dne 29. 1. 2010: formou posteru budou prezentovány možností výuky v oblasti CAD/CAE/CAM. Čerpání finančních prostředků Při realizaci výběrového řízení na vybavení pracoviště CAD/CAE/CAM pracovními stanicemi, včetně LCD monitorů, byli osloveni dodavatelé výpočetní techniky, kteří již byli vybráni ve výběrovém řízení pro všechna pracoviště VŠB - TU Ostrava ve smyslu zákona č. 137/2006 Sb., o veřejných zakázkách. Výhodou tohoto způsobu řešení byla zaručená výše slevy u všech oslovených dodavatelů. Smlouva byla uzavřena s firmou FLAME System s.r.o., jejíž nabídka se umístila na prvním místě výběrového řízení vypsaného z titulu tohoto projektu. Nákup serverové techniky byl rovněž realizován formou veřejné zakázky malého rozsahu, ve které byli výzvou osloveni autorizovaní dodavatelé serverové techniky od všech technologicky vyspělých světových výrobců jako Intel, Dell, IBM či HP. Ve výběrovém řízení se nejlépe umístila nabídka firmy C SYSTEM CZ, a.s., která dodala servery a diskové pole od výrobce Dell. Vzhledem k prudkému technologickému rozvoji této oblasti výpočetní techniky je plánovaný výpočetní výkon, tj. celkem 16 jader, realizován ve skladbě 2 servery po 2 CPU, každé 4 jádra. V této uvedené skladbě výpočetního serverového výkonu byly podány nabídky všech uchazečů. V souladu s dílčím cílem projektu byla v modernizované počítačové učebně nahrazena stávající tabule tabulí interaktivní. Ve výběrovém řízení byla jako nejlepší vyhodnocena nabídka firmy Amethyst.CZ, s.r.o., která nabídla a následně dodala interaktivní tabuli SMART Board 685 s vertikálním pylonovým pojezdem a integrovaným datovým projektorem Mitsubishi WD500. Vzhledem k současným trendům, zejména častému používání přenosných počítačů lektory, byla poptávaná interaktivní tabule s poměrem stran 16:10. Software SMART Notebook, standardně dodávaný s tabulemi SMART, je evaluován MŠMT a je kompatibilní s MS Office. V rámci výběrového řízení na nákup zařízení pro tvorbu prototypů metodami SRP byli osloveni významní dodavatelé tohoto zařízení a z podaných nabídek byla ve výběrového řízení jako nejlepší vybrána nabídky firmy Profisign Plus, s.r.o., která nabídla a následně dodala CNC frézku Roland Modela Pro MDX-540 včetně nezbytného příslušenství. Rozhodujícím kritériem při hodnocení uchazečů byla cena. Pořízené vybavení SRP pracoviště je po softwarové stránce plně kompatibilní s počítačovými CAD modely vytvořenými na instalovaných pracovních stanicích. Úplný výčet kapitálových výdajů: Frézka 654 514,- Kč Výpočetní servery a diskové pole 649 919,- Kč PC/pracovní stanice..299 880,- Kč Interaktivní tabule. 235 687,- Kč celkem...1 840 000,- Kč Z toho z projektu Fondu rozvoje VŠ MŠMT: 1 656 000,- Kč Příspěvek VŠB-TUO FS: 184 000,- Kč
Přílohou výčtu finančních položek je výpis z programu SAP potvrzující vynulování přiděleného účtu (viz další list).