《计算机辅助电缆设计》教学大纲

《计算机辅助电缆设计》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：21130081课程性质：专业选修课学分：2学分学时：32学时（理论16学时，上机16学时）先修课程：大学物理、电磁场、电缆导论等后续课程：电力电缆结构设计、电磁线、通信电缆设计与制造、电缆智能制造技术等适用专业：电缆工程开课单位：电缆工程学院一、课程说明《计算机辅助电缆设计》是电缆工程专业的一门专业选修课。通过对超导线及单导线电阻、单导线间自感和互感、平行传输线的阻抗及电磁力、同轴电缆阻抗及瞬态建模、海缆2D建模及电容、电感和热效应等应用案例的建模、仿真及结果分析，使学生能够利用电缆设计软件处理在电缆结构设计中遇到的问题，为后续课程打下基础。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：能够使用COMSOL进行简单的电缆建模，并分析电场、磁场、温度场等随电缆几何结构的变化，为电缆结构设计提供参考。课程目标2：掌握新技术在电缆设计中的应用，具备创新意识，并能够简单地优化电缆结构。课程目标3：不断学习新的电缆结构模拟方面的知识，提高自身的电缆仿真计算能力。具有坚定正确的政治方向，树立科学的世界观、人生观和价值观；具有良好的社会公德和职业道德、较强的社会责任感和团队合作精神；具有健康的体魄、良好的心理素质，树立正确的审美观念和劳动观念。三、课程目标与毕业要求《计算机辅助电缆设计》课程教学目标对电缆工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度5.使用现代工具5.1掌握电缆工程领域常用的现代仪器、信息技术工具、工程工具和模拟软件的使用原理和方法。课程目标1：能够使用COMSOL进行简单的电缆建模，并分析电场、磁场、温度场等随电缆几何结构的变化，为电缆结构设计提供参考。M6.工程与社会6.2能分析并正确评价针对电缆工程领域复杂工程问题的工程实践，尤其是新技术、新工艺、新材料、新产品的开发和应用对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。课程目标2：掌握新技术在电缆设计中的应用，具备创新意识，并能够简单地优化电缆结构。M12.终身学习12.2能适应职业发展要求，及时关注并跟踪、把握电缆工程及相关专业领域前沿理论、技术的发展动态，具备不断获取新的知识、技能，持续自我提升的能力。课程目标3：不断学习新的电缆结构模拟方面的知识，提高自身的电缆仿真计算能力。具有坚定正确的政治方向，树立科学的世界观、人生观和价值观；具有良好的社会公德和职业道德、较强的社会责任感和团队合作精神；具有健康的体魄、良好的心理素质，树立正确的审美观念和劳动观念。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时上机学时对应的课程目标1.COMSOL仿真入门1.1COMSOL工作环境学习1.2COMSOL简单的建模和计算教学要求：使学生了解COMSOL工作环境，掌握COMSOL超导线和单导线的建模和阻抗计算。重点：COMSOL工作环境及简单超导和单导线建模。难点：超导线临界电流密度下电流变化的瞬态问题分析。221、22.COMSOL在单导线间自感和互感计算中的应用2.1自感和互感理论知识2.2建模及参数设置简介2.3自感和互感计算结果分析教学要求：掌握COMSOL中单导线模型创建模型的创建、自感和互感计算的参数设置及仿真。重点：COMSOL对单导线自感互感建模。难点：单导线自感互感影响的分析。221、23.COMSOL在平行传输线的阻抗及电磁力计算中的应用3.1电阻和电磁力理论知识3.2建模及参数设置简介及计算结果分析教学要求：掌握COMSOL中平行传输线模型的创建、阻抗及电磁力计算的参数设置及仿真。重点：COMSOL中平行传输线模型的创建及相关参数的设置。难点：阻抗及电磁力影响的分析。241、24.COMSOL在同轴电缆阻抗及瞬态传输特性计算中的应用4.1同轴电缆阻抗及瞬态传输特性的理论知识4.2同轴电缆建模、参数设置及结果分析教学要求：掌握COMSOL中同轴电缆模型的创建、参数设置及阻抗和瞬态传输特性仿真。重点：COMSOL中同轴电缆模型的创建及相关参数的设置。难点：瞬态传输特性计算结果的分析。221、2、35.COMSOL中创建海缆2D模型5.1海缆基本结构认识5.2海缆2D建模及材料尺寸等相关参数的设置教学要求：掌握海缆的基本结构及在COMSOL中海缆模型的创建。重点：海缆基本结构的认知和COMSOL中海缆2D模型的创建及材料等相关参数的设置。难点：海缆2D模型中参数的选取和新增。421、36.COMSOL在海缆热效应仿真中的应用6.1电缆热效应相关的理论知识6.2海缆2D建模热效应计算的参数设置及结果分析教学要求：COMSOL中海缆2D建模及热效应仿真计算和分析。重点：海缆2D建模及热效应模型中参数的设定及结果分析。难点：海缆热效应等效参数的设置。441、3合计16162.上机部分上机部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3上机内容与学时上机项目上机内容和要求上机学时对应的课程目标1.超导线及单导线电阻计算上机内容：熟悉COMSOL的界面环境下的基本操作和超导线及单导线电阻仿真。上机要求：了解COMSOL工作环境，求解超导线中接近临界电流密度下电流变化的瞬态问题。21、22.单导线间的电感和互感计算上机内容：创建单导线模型并进行电感和互感仿真。上机要求：通过直流稳态分析和交流频域分析，使用不同方法计算每个线圈的自感及两个线圈之间的互感，并与解析值比较。21、23.平行传输线的阻抗计算上机内容：创建简单平行传输线模型并对其阻抗进行仿真计算。上机要求：仿真计算平行传输线的阻抗与预期的解析解相对比。21、24.平行传输线电磁力计算上机内容：在上节所创建的平行传输线模型基础上电磁力仿真计算。上机要求：仿真计算平行传输线的电磁力并与预期的解析解相对比。21、35.同轴电缆阻抗及瞬态建模上机内容：创建简单同轴电缆模型并进行阻抗及瞬间传输过程仿真。上机要求：分析三种不同终端类型（短路、开路和匹配）下沿同轴传输线传播的脉冲，并利用反射波推断信号传播时间。22、36.海缆2D建模上机内容：创建海缆2D模型。上机要求：了解海缆基本结构并创建2D海缆模型，为后续仿真分析奠定基础。21、37.海缆电感效应仿真上机内容：利用已建好的海缆模型进行参数设定并分析电感效应的影响。上机要求：对电感效应进行分析。21、38.海缆热效应仿真上机内容：在电感效应模型基础上添加热效应，研究高温对相、屏蔽层和铠装损耗的影响。上机要求：（1）使用“频域-稳态”研究类型；（2）设置温度相关的电导率，可设为线性电阻率；（3）分析高温对相、屏蔽层和铠装损耗的影响。21、3合计16五、教学方法及手段本课程以课堂讲授和上机操作为主，采用启发式、讨论式教学、案例教学，促进学生积极思考，使学生逐步深入地学习COMSOL在电缆工程领域的应用，并初步培养学生利用COMSOL建模仿真解决电缆领域问题的能力。精选课程内容，以COMSOL对单导线阻抗、自感及互感计算为切入口，逐步使学生对COMSOL在电缆结构设计及电磁场、温度场建模仿真有更深入的认识，为后续利用COMSOL处理更为复杂的电缆相关的工程问题奠定基础。六、课程资源1.推荐教材黄奕勇.COMSOL多物理场仿真入门指南[M].北京：机械工业出版社，2021.2.参考书（1）王刚.COMSOL工程实际与理论仿真——多物理场数值分析技术[M].北京：电子工业出版社，2012.（2）马慧.COMSOL基本操作指南和常见问题解答[M].北京：人民交通出版社，2009.（3）陈艳霞.ANSYSWorkbench2020有限元分析从入门到精通[M].北京：电子工业出版社，2020.3.期刊（1）高电压技术,中国电机工程学会.（2）电线电缆,上海电缆研究所.（3）光通信技术,中国电子科技集团公司第34研究所.（4）Processes,MDPI.（5）Vacuum,ElsevierLtd.（6）JournalofElectrostatics,Elsevier.4.网络资源（1）COMSOL用户讨论：/forum.（2）COMSOL官网：/.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核出勤率5（1）根据课堂出勤情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√23课堂表现5（1）根据课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√32上机操作30（1）根据每次上机任务完成情况单独评分，满分100分。（2）每次上机单独评分，取各次上机评分的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以上机成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√101010课程作业10（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分。（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√226期末考核50（1）期末考核方式为大作业。（2）大作业成绩为100分，以大作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（3）主要考核COMSOL的基本知识、基本理论等内容及学生综合应用、分析等能力。√√√202010合计：100分373726八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以出勤率、课堂表现、上机操作、课程作业、大作业等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末考核和过程性考核成绩组成。其中：期末考核成绩为100分（权重50%），考核方式为大作业；出勤率、课堂表现、上机操作、课程作业等过程性考核成绩为100分（权重50%）；过程性考核分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60出勤率10请假1次以内，出勤率90%以上。请假3次以内，出勤率80%。请假3次以内，旷课1次以内，出勤率70%以上。请假3次以内，旷课3次以内，出勤率60%以上。请假5次以上，旷课3次以上，出勤率60%以下。课堂表现10笔记完整，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。笔记完整，认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。笔记不完整，偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%。上课不认真，上