Desenvolvimento de Ferramentas de Simulação Numérica › 48035

Esta Unidade Curricular (UC) centra-se em atividades de programação e algoritmia conducentes ao desenvolvimento de ferramentas de simulação numérica. Estas atividades promovem não só a construção de conhecimento nas áreas técnicas associadas diretamente às aplicações de simulação, mas também em elementos de formação transversais como é o caso da programação. No sentido de construção de uma formação alargada, pretende-se que a UC permita o desenvolvimento de competências instrumentais (nomeadamente cognitivas e metodológicas), mas também interpessoais e sistémicas. Para isso, acrescenta à componente técnica elementos de comunicação, envolvimento no desenvolvimento do currículo da UC, avaliação e cocriação.

No final do semestre espera-se que os estudantes tenham desenvolvido ferramentas de simulação numérica com utilidade para os seus trabalhos de doutoramento e, eventualmente, que possam ser disponibilizadas em repositórios de acesso aberto de forma a serem utilizadas por outros membros da comunidade científica. Ao mesmo tempo, são esperados outros elementos que expandam o alcance do trabalho desenvolvido e, acima de tudo, o potencial de formação.

Em termos globais, no final da UC, espera-se que cada estudante tenha:

>> capacidade de compreensão sistemática no desenvolvimento de ferramentas computacionais no domínio da simulação numérica em engenharia;

>> competências, aptidões e métodos de investigação associados aos domínios científicos que estão na base da simulação, nomeadamente em termos de formulação;

>> a capacidade de conceber e adaptar novas aplicações, numa lógica de expansão do conhecimento e de exploração de novas soluções;

>> a capacidade de analisar criticamente, avaliar e sintetizar ideias novas e complexas em simulação numérica;

>> capacidade de comunicar elementos por vezes tão intrincados como opções de implementação, detalhes de formulação ou análise de resultados, e espírito crítico para selecionar o que é realmente determinante para o conhecimento da comunidade (académica e sociedade em geral);

>> capacidade de integração de contributos inter- e transdisciplinares na sua investigação;

>> competências de crítica e de autocrítica, de trabalho autónomo, e de trabalho em grupo, de cocriação.

Os conteúdos programáticos desta UC têm como base o desenvolvimento de técnicas e ferramentas de simulação numérica em engenharia, assente no desenvolvimento de algoritmos e transposição para linguagens comumente usadas em engenharia (e.g. Fortran, C++, MatLab, Python, etc.). Este é, na realidade, o conteúdo programático transversal a todos os trabalhos no que diz respeito à base científica da UC. Esta base é transponível a outras áreas, de onde se pretende que saia uma formação alargada e independente do enquadramento técnico do plano doutoral dos estudantes. De acordo com este, no entanto, surgirão conteúdos específicos, dos quais se podem destacar exemplos como (mas não limitados a):

>> Método dos elementos finitos, em aplicações lineares e não-lineares. Aplicações a domínios 2D e 3D. Resolução de problemas estruturais, térmicos, termo-mecânicos e outros. Modelação constitutiva de materiais complexos (plasticidade, hiper-elasticidade, memória de forma, etc). Mudança de fase e iteração liquido-sólido;

>> Outros métodos (Método das diferenças finitas; Métodos dos volumes finitos; Métodos sem malha; Análise Isogeométrica, etc.);

>> Otimização não linear em engenharia;

>> Optimização de algoritmos computacionais e interfaces máquina-homem.

>> Modelação algorítmica.

>> Machine learning.

Tendo por base uma visão metodológica, as atividades de cada edição da UC serão ajustadas juntamente com os estudantes de modo a adequarem-se às diferentes necessidades e perfis, assim como à configuração ideal para os diferentes números de estudantes que se esperam em cada semestre/ano letivo. Como base, os estudantes desenvolverão atividades de desenvolvimento de ferramentas computacionais, escrita científica, comunicação e disseminação. O desenvolvimento de ferramentas pressupõe a aprendizagem da base científica dos fenómenos a simular e a exploração necessária à sua tradução em procedimentos que permitam a resolução de problemas complexos associados a esses fenómenos. A comunicação e disseminação desse trabalho surgirá a diferentes níveis, com uma base escrita, e com comunicações orais e sessões de discussão. Pretende-se ainda que, em edições com múltiplos estudantes, haja uma componente de desenvolvimento conjunto de ações de disseminação (e.g. workshops).

Em termos de aprendizagem/ensino, esta UC promoverá uma metodologia de aprendizagem ativa, com trabalho autónomo, acompanhada regulamente de uma componente de contacto. Sendo uma UC que traz desafios muito diferentes para as diferentes necessidades de formação e domínios científicos de base, os conteúdos serão ajustados a cada binómio estudante/trabalho, que será o líder do seu planeamento e da sua aprendizagem. Numa perspetiva que não será puramente tutorial, far-se-ão semanalmente reuniões alargadas com todos os estudantes da UC. Estas destinam-se a acompanhar os trabalhos de forma partilhada, em que todos os estudantes devem contribuir para o desenvolvimento dos trabalhos dos colegas, enquanto o docente faz acompanhamento tutorial e, sempre que necessário, promove aulas, seminários ou outras atividades de formação.

O semestre será regulado por uma calendarização definida com marcos que determinam a sincronização dos vários percursos e a partilha formal de cada uma das fases, numa tipologia de Avaliação Discreta. Alguns destes elementos estarão associados a momentos de avaliação. Estes consistirão em apresentações, num relatório/artigo escrito (com código e ferramentas desenvolvidas como anexo funcional), e num elemento de disseminação extra-UC a ser co-desenvolvido por todos os estudantes.

> Noções básicas de algoritmia e programação;

> Vontade de explorar novas soluções.

Em termos de aprendizagem/ensino, esta UC promoverá uma metodologia de aprendizagem ativa, com trabalho autónomo, acompanhada regulamente de uma componente de contacto. Sendo uma UC que traz desafios muito diferentes para as diferentes necessidades de formação e domínios científicos de base, os conteúdos serão ajustados a cada binómio estudante/trabalho, que será o líder do seu planeamento e da sua aprendizagem. Numa perspetiva que não será puramente tutorial, far-se-ão semanalmente reuniões alargadas com todos os estudantes da UC. Estas destinam-se a acompanhar os trabalhos de forma partilhada, em que todos os estudantes devem contribuir para o desenvolvimento dos trabalhos dos colegas, enquanto o docente faz acompanhamento tutorial e, sempre que necessário, promove aulas, seminários ou outras atividades de formação.

O semestre será regulado por uma calendarização definida com marcos que determinam a sincronização dos vários percursos e a partilha formal de cada uma das fases, numa tipologia de Avaliação Discreta. Alguns destes elementos estarão associados a momentos de avaliação. Estes consistirão em apresentações, num relatório/artigo escrito (com código e ferramentas desenvolvidas como anexo funcional), e num elemento de disseminação extra-UC a ser co-desenvolvido por todos os estudantes.

Exemplos indicativos:

>> The Finite Element Method Set - Its Basis and Fundamentals, O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor and J.Z. Zhu, 6th Ed., Elsevier, 2005

>> Método dos Elementos Finitos, Técnicas de Simulação Numérica em Engenharia, F. Teixeira-Dias, R. A. Fontes Valente, R. J. de Alves de Sousa e J. Pinho-da-Cruz, 2ª Ed., ETEP, 2018.

>> Numerical Methods for Scientists and Engineers e R. W. Hamming, Dover, 1987.

>> Analysis of Numerical Methods, E. Isaacson e H.B. Keller, Dover, 1994.

>> Numerical Mathematics and Computing, E.W. Cheney e D.R. Kincaid, Cengage Learning, 2002.