Разработка препроцессора подготовки данных для комплексов конечноэлементного моделирования контактных систем

• Автор: Вдовиченко, Антон Александрович
• Шифр специальности: 05.13.11, 05.13.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 151 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Типовая структура комплекса конечноэлементного моделирования и место препроцессора в ней. Анализ современных методов и алгоритмов генерации конечноэлсментных сеток

1.1 Особенности численного моделирования контактных систем

1.2 Основные требования, предъявляемые к сеткам исходя из особенностей методов численного моделирования

1.3 Обзор современных методов генерации КЭ сеток

1.3.1 Методы генерации регулярных сеток

1.3.2 Методы генерации нерегулярных сеток

1.3.3 Методы повышения качества сеток

1.4 Преимущества и недостатки рассмотренных методов

1.5 Обоснование целей и задач диссертации на основе анализа существующих методов генерации сеток и проблем моделирования контактных систем
2. Методы генерации оптимизируемых КЭ сеток с управляемым качеством для моделирования систем контактирующих тел
2.1 Основные особенности предлагаемого подхода
2.2 Функция масштаба, как основное средство управления качеством сетки на этапе ее генерации
2.3 Формулировка условия согласованности контакта. Метод обеспечения сопряженности узлов в областях контакта
2.3.1 Задача о согласованном контакте кругового цилиндра и цилиндрического тела с круговым вырезом
2.3.2 Определение согласованного контакта. Метод построения сопряженных узлов в зонах согласованного контакта
2.4 Метод построения плоской сетки на произвольной поверхности.
Учет функции масштаба и зон контакта
2.4.1 Декомпозиция исходной геометрической модели
2.4.2 Подцепление внутренних контуров
2.4.3 Метод построения плоской поверхностной сетки
2.4.4 Построение сеток для криволинейных поверхностей
2.5 Генерация КЗ сетки в объемах контактирующих тел
2.6 Оптимизация геометрической формы полученных конечных элементов. Построение целевой функции и выбор метода оптимизации
2.6.1 Управление качеством триангуляции на поверхности
2.6.2 Управление качеством пространственной сетки
2.7 Выводы
3. Этапы алгоритма автоматического построения КЭ сетки для произвольного числа контактирующих тел
3.1 Иерархическая модель представления геометрических данных и ее оптимизация, исходя из особенностей конечноэлементного моделирования
3.2 Построение функции масштаба на основе геометрических особенностей тела и заданных критериев качества
3.3 Выделение зон контакта и построение сопряженных КЭ сеток в
этих областях
3.4 Построение КЭ сетки для каждого из кон тактирующих тел
3.4.1 Алгоритм размещения узлов на ребрах, принадлежащих текущему геометрическому телу
3.4.2 Последовательное построение плоских КЭ сеток на поверхностях обрабатываемого тела. Алгоритм последовательного добавления узлов и элементов
3.4.3 Построение трехмерной сетки в объеме разбиваемого тела. Особенности алгоритма по сравнению с плоским случаем
3.5 Особенности алгоритма оптимизации формы элементов
3.6 Выводы
4. Реализация предложенного метода в качестве подсистемы комплекса МАКС. Примеры построения КЭ сеток систем контактирующих тел
4.1 Структура препроцессора подготовки данных
4.2 Особенности реализации препроцессора в виде динамической библиотеки
4.3 Реализация препроцессора в виде отдельной программы
4.4 Примеры использования препроцессора
4.4.1 Построение геометрической КЭ модели системы контактирующих деталей кривошипного горячештамповочного пресса. Оценка адекватности и качества модели
4.4.2 Примеры использования препроцессора для комплекса МАКС, интегрированного в среду автоматизированного проектирования i
4.3 Выводы
Заключение
Литература


Контакт называется согласованным, если контактирующие поверхности смежных тел в недеформируемом состоянии геометрически точно подогнаны друг к другу или имеют весьма близкие конфигурации. В этом случае порядок величин, характеризующих перемещение узлов при деформации, может быть найден с достаточно высокой степенью достоверности. Опенка порядка величин таких перемещений позволяет сформировать сетку таким образом, чтобы линейные размеры элементов на порядки превышали эти перемещения, что является необходимым условием сопряженности узлов в зонах контакта. Не оценивая порядка соответствующих параметров малости, ограничимся определением всего класса немалых отличий как несогласованных контактов. Эвристическая ценность предложенного разделения заключается в следующем. В системах с несогласованными контактами имеют место герцевские взаимодействия в локальных зонах, где возникают чрезвычайно высокие концентрации контактных напряжений при практически полной неопределенности положений сопряженных узлов и соответствующих значений начальных зазоров. В системах с согласованными контактами значительные по протяженности зоны силового взаимодействия соизмеримы с габаритами тел и, что самое важное, принципиально, хотя и не абсолютно, повышается уровень определенности положений сопряженных узлов и величин начальных зазоров. Процедура построения сопряженных узлов в зонах согласованных контактов в настоящее время выполняется полуавтоматическими методами, что не может считаться эффективным. Она состоит из нескольких этапов. Первый из них заключается в ручном эвристическом определении границ согласованных областей контактов. Далее выполняется автоматическая или полуавтоматическая процедура дискретизации каждого из контактирующих тел. После этого поверхностиые сетки, принадлежащие идентифицированным областям согласованного контакта, заново дискретизируются путем полной перестройки сетки или частичной, заключающейся в локальном изменении топологии связей элементов и положений узлов. Новые сетки формируются таким образом, чтобы обеспечить условие сопряженности узлов, которое в общем случае также формируется эвристически. Вследствие большого количества ручных операций процедура подготовки данных является наиболее трудоемким этапом во всем процессе численного моделирования контактных систем в комплексе МАКС на основе метода контактных сил и переносных перемещений . В случае промышленного внедрения комплекса требуются большие затраты на подготовку и обучение специалистов, ориентированных на подготовку данных, что является во многих случаях сдерживающим фактором несмотря на существенный выигрыш в вычислительных ресурсах на этапе численного моделирования. Реализация автоматического метода подготовки данных снимает этот недостаток. Для этого в таком методе должны быть формализованные все этапы построения сопряженных сеток, включая выделение согласованных контактных зон и обеспечения условия сопряженности узлов. В подавляющем большинстве механических моделей промышленных объектов области контактов достаточно хорошо согласованны. Для задач с несогласованными контактами процесс автоматизации подготовки данных вряд ли возможен в общем случае, в силу приведенных выше причин, обуславливающих неопределенность положения узлов в зонах контактов после деформации. Целью диссертации является разработка методов, алгоритмов и программных средств автоматической подготовки данных для комплексов конечноэлементного моделирования бесконтактных систем и систем с согласованными контактами. Реализовать препроцессор и произвести его интеграцию в комплекс моделирования и анализа контактных систем МАКС в качестве модуля подготовки данных. Методы исследовании. В работе использованы методы аналитической и вычислительной геометрии, многопараметрической оптимизации, линейной алгебры, функционального и объектноориентированного программирования. Научная новизна диссертации. МАКС, обеспечивающий автоматическое построение пространственной КЭ сетки произвольной системы контактирующих тел с конечным числом областей согласованного контакта, отличающийся возможностью генерации сопряженных конечноэлсментных ансамблей.