Техническое описание Sculpt

В этом документе представлен краткий технический обзор приложения Sculpt, предназначенного для создания гексаэдральных сеток сложной геометрии. Подробную информацию об аргументах команд для Sculpt можно найти здесь. Также информацию об использовании CAE Fidesys для настройки ввода для Sculpt можно найти здесь.

Метод создания гексаэдральной сетки, используемый Sculpt, часто упоминается в литературе как метод overlay-mesh или mesh-first . Это значительно отличается от алгоритмов, используемых в Протяжке и Отображении, которые классифицируются как методы geometry-first . Отображение и Протяжка начинаются с геометрии, тщательно подбирая логические группы гексов для соответствия признанной топологии. Напротив, метод Sculpt начинается сбазовой декартовой сетки, охватывающей геометрию, которая используется в качестве основы для сетки. Геометрические элементы вырезаны или вылеплены из декартовой сетки, а границы сглажены, чтобы создать окончательную гексаэдральную сетку. Очевидное преимущество метода Sculpt (mesh-first ) по сравнению с методами Отображение (Map) и Протяжка (Sweeping) для (geometry-first ) заключается в том, что нет необходимости разлагать геометрию на компоненты, на которых можно построить сетку отображением (map) или протяжкой (sweep) (этот процесс часто может быть очень трудоемким, утомительным, а иногда и невозможным). Входными данными для Sculpt может быть любая геометрия, независимо от характеристик и сложности.

Основная процедура Sculpt проиллюстрирована на рисунке 1. Начиная с декартовой сетки в качестве базовой сетки, показанной на рисунке 1 (a), накладывается геометрическое описание. Узлы базовой сетки, которые находятся рядом с границами, проецируются на геометрию, локально искажая близлежащие гексаэдральные ячейки (рисунок 1 (b)). Затем на поверхности вставляется слой из шестиугольников (автоматическое подкладывание), дублируя узлы интерфейса по обе стороны от границ и вставляя гексаэдры (рисунки 1 (c) и (d)). Ограничивая местоположение узлов, чтобы они оставались на внешних гранях, теперь можно использовать процедуры сглаживания для улучшения качества сетки ближайших гексаэдров (рисунок 1 (e)).

Рис. 1 - Процедура создания шестигранной сетки с использованием метода наложения сетки Sculpt

Метод Sculpt ограничивается захватом геометрических элементов с доступным разрешением выбранной базовой сетки. Из-за этого следует соблюдать осторожность при выборе подходящего размера ячейки. Кроме того, процедура Sculpt не пытается запечатлеть резкие внешние детали. На рисунке 2 показан пример сетки Sculpt модели CAD. Обратите внимание, что внешние угловые элементы скруглены, однако эффект резкости изображения становится менее выраженным по мере увеличения разрешения, как показано на рисунках 3 (a) и (b).

Рис. 2 - Гексаэдральная сетка, созданная с помощью процедуры Sculpt overlay mesh

Рис. 3 - Примеры одной и той же модели с сеткой в двух разных разрешениях, показывающие вид сетки в разрезе

Другой аспект подготовки модели к вычислительному моделированию включает в себя очистку и упрощение геометрии. В большинстве случаев методы, ориентированные на геометрию, такие как Протяжка (Sweep), требуют точного немногообразного представления границы до того, как можно будет начать создание сетки. Небольшие, иногда невидимые зазоры, перекрытия и перекосы могут привести к обрыву элементов ленты или повреждению сетки. Прежде чем можно будет начать построение сетки, часто требуется утомительное ручное упрощение геометрии и манипуляции с ней. Однако Sculpt использует решение, позволяющее избежать большинства проблем с геометрической неточностью, присущих моделям проектирования САПР. С использованием на фасетном представлении твердотельной модели создается представление объемной доли на основе вокселей. На рисунке 4 показана процедура, в которой модель CAD, служащая в качестве входных данных (рисунок 4 (a)), обрабатывается процедурой, которая генерирует скалярные данные объемной доли для каждой ячейки наложенной декартовой сетки (рисунок 4 (b)). Вычисляется одно значение для материала на ячейку, которое представляет объемную долю материала, заполняющего ячейку. Затем извлекается представление вторичной геометрии, используя технику отслеживания интерфейса, из которой создается окончательная шестигранная сетка (рисунок 4 (c)). Будучи похожим на свое первоначальное представление на основе фасетов, новое описание вторичной геометрии, разработанное на основе данных объемной доли, приводит к упрощенной модели, которая имеет тенденцию стирать мелкие элементы и неточности, которые меньше разрешения размера базовой ячейки.

Рис. 4 - Представление процедуры, используемой для создания гексаэдральной сетки с помощью Sculpt, используя Volume Fraction

Признавая некоторую потерю точности модели в этой новой геометрической модели, основанной на Volume Fraction, преимущество и экономия времени для аналитика, заключающегося в возможности игнорировать проблемные геометрические проблемы, огромны. В то же время может быть важно понять, что дополнительные дискретные приближения повлияют на точность решения, и принять соответствующие инженерные решения при использовании этой технологии.

Ссылки

Следующие технические документы, написанные автором Sculpt, описывают процедуру Sculpt более подробно. Эти документы были представлены на Международном круглом столе по построению сетки и представляют собой внешние ссылки на документы в формате PDF.

Parallel Smoothing for Grid-Based Methods: Краткое описание процедур сглаживания, используемых в Sculpt.

Validation of Grid-Based Hex Meshes with Computational Solid Mechanics: описывает исследование, в котором результаты вычислений сеток Sculpt сравниваются с сетками Sweep с использованием Sierra Solid Mechanics Tool для сравнения.

A Template-Based Approach for Parallel Hexahedral Two-Refinement: описывает процедуры улучшения, используемые для создания адаптированных моделей Sculpt.