网格生成和CFD的几何模型的制备


制作适用于CFD啮合的几何模型通常是CFD分析中耗时的瓶颈。在这里,我们将讨论为什么这是如此,有些方法可以减轻问题。

 

NASA的CFD Vision 2030研究指出,“大多数标准CFD分析过程用于模拟几何复杂配置是繁重的。”有助于这种感知的主要因素是为网格产生的几何模型的准备,任务认为在CFD工作流程中被视为“显着的瓶颈”。

几何建模基础知识

计算几何模型是物体形状的理想化数学表示。广泛地说,有两类实体的实体对象表示:边界表示和体积表示。

边界表示

边界表示是从其边界隐式地描述实体对象的方法,并且通常由两个子表示组成:几何和拓扑。几何形状描述了各个形状,例如点,曲线和表面。拓扑描述了限制每个几何形状的部分和这些有限形状之间的互连的实体。

分析几何

机械计算机辅助设计(MCAD)软件中生产的几何模型被称为分析边界表示。表面可以是显式和分段的或隐含的。 MCAD软件中使用的参数样条的主要形式是NURBS(非均匀Rational B样条曲线)。

T条状是具有部分空的参数空间的花键;不需要在每个参数(U,V)坐标处定义样条曲线的控制点。通常,T样曲线模型可以比同一形状的NURBS模型更少。 U形样条曲线(非结构化样条)是NURBS的另一个概括,其在三角形非结构化网格上定义,而是由NURB或T条的矩形参数空间的结构化网格。

细分(SUB-D)是用于建模自由形式表面的方法,该表面从粗略网格开始,并且通过递归点插入实现的极限表面,其插值或近似于原始粗糙网格中的点。

离散几何图形

无论是最初为渲染,3D打印,模拟等创建的学位或元素类型,无关的曲面网格形式的几何模型都被称为离散边界表示。

可以通过大多数CAD软件(通过镶嵌分析模型)来生产离散模型。还有其他情况下,离散模型的来源是3D扫描和现存网格。对象的3D扫描允许构建的与设计的AS-Designal的对象表示用于模拟。 3D扫描还在其加载的配置中捕获对象,例如飞行飞行中飞机翅膀的向上弯曲。

 

重要的是要理解分析几何形状有效无限的解析,但是 离散几何图形 仅限于用于描述形状的点密度的分辨率。换句话说,你可以评估一个 胡子 表面在任何位置并获得侧面的坐标,但是当您评估离散表面时,您可以通过已知的离散点之间的线性插值获得一个形状。

 

边界拓扑

拓扑是逻辑连接的映射,使几何实体的子集集合统一到一个整体,通常称为实体模型或只是一个实体。

通过称为修剪的操作完成B-REP拓扑中的表面的边界(限制)。该操作将曲线压入表面的参数空间,并将表面限制在由该曲线和其他曲线有界限的参数空间的一部分。由此产生的修整表面具有非矩形参数空间,其为建模复杂形状提供了大量的灵活性。

体积表示

体积表示是从一系列固体,空间填充基元明确描述固体物体的方法。

建设性实心几何形状(CSG)是使用标准布尔运算分层和分层组合它们的方法:Union,交叉路口和差异。个体固体基元通常是诸如球形和块的普通形状,但可以是任意复杂的。

空间占用建模涉及将感兴趣区域“数字化”分为像素(2D)或体素(3D)。相邻像素的相对特性用于定义该区域内的边界。 X射线,MRI和CT扫描是空间占用模型的示例。

隐式几何建模通过隐式功能定义了形状,该函数在形状的表面上评估为零,其内部的负值和其他地方的正值。

起源于目的& Software

可以专门为模拟目的创建几何模型。此模型是否从MCAD软件中的主模型导出,它通常包括基于要执行的模拟类型(例如,实心机械,流体动力学,电磁学)而变化的简化和抽象。

仿真模型通常使用MCAD以外的软件创建,例如在内部或商业现货(COTS)软件中开发的软件。当像这样的软件工具可以是用于产生外模线(OML)的优势工具时,这尤其如此。

 

为了规避与在MCAD软件中创建的几何模型相关的复杂性,许多组织利用了对其特定应用程序定制的设计软件。这些用于航空航天应用的工具中的显着 OpenVSP. [1]和 ESP. [2].

 

几何模型的来源不合理

上述所有几何建模技术都可以产生完全适合网格生成和CFD仿真的几何模型。然而,在实践中,他们的使用通常会给下游用户带来挑战。

互操作性& Translation

可以说是通过文件的几何模型进行最广泛采用的互操作性方法是公平的。各种各样的几何模型文件格式可用,包括标准格式,本机CAD格式和事实上标准。所有文件格式都存在常见问题;没有什么能阻止他们以违反格式规范的方式编写的。反过来,尝试读取这些违规文件的任何标准符合性应用程序可能会失败。

重要的是,网格发生器足够灵活,以支持各种几何模型文件格式,以便您可以使用不同来源提供的几何。此外,可以将模型组装成用于啮合的稳定性的能力是宝贵的。 读我们 网格生成的文件管理提示和技巧.

 

通过互操作性工具链的B-rep模型的翻译是数据丢失和错误引入的潜在来源。虽然分析B-Rep的一般数学是众所周知的,但是它们在MCAD软件中实现的方式和接收应用可能显着不同,尤其是在表面表面交叉点和相关计算中使用的公差。

 

Native CAD在中性文件中的好处

 

网格发生器需要各种几何建模功能来准备和补充CAD软件提供的模型。您是否有兴趣以令人发言权为几何操作学习更多?查看短视频的播放列表。

 

直接接口互操作性

为了通过中间格式最小化由于几何模型的转换而导致的潜在数据丢失,替代方法是通过应用程序编程接口(API)直接与CAD软件直接接口。

接收应用程序将为每个MCAD平台实现直接接口,从中接收几何模型。在单个组织或在单个MCAD应用程序中标准化的组或组织中,此限制不应过于严重。为了减轻对多种实现的需求,接收应用程序可以实现CAD-中性API。使用CAD-中性API允许接口到多个CAD系统进行一次实现。

交叉点,修剪和公差

通常被激活的是,由分析定义的样条曲线组成的模型中的曲面的交叉是近似的,不精确,并基于公差。这不是数学必需品,而是实用性之一。考虑到两个双向B样条表面的分析衍生的交叉点导致多项式324的交叉点曲线.CCAD软件计算,存储和编辑这种复杂性的曲线是对内存使用,速度和灵活性的问题进行计算,存储和编辑这种复杂性的曲线是不切实际的。

因此,交叉路口大致使用涉及在每个表面上的点对定点的过程来计算到公差,然后将所得点集合拟合到曲线中。该计算的副产品是交叉点曲线,其不精确符合其父表面中的任一个。

大多数工程师发现分析 - 适用于CAD数据的模型准备是一种繁琐且耗时的任务,占他们的时间高达73%(通过一项研究),原因不经常理解。自然问题出现在为什么之间存在这样的障碍 CAD几何和分析模型 当CAD系统似乎显示预期设计的准确表示时。

来自SSI采样点的近似曲线图

红色和蓝色表面的交叉点包括每个表面的参数空间中的采样点。图片来自 ur& Marussig [3].

细节 - 太多,太少了

过度细节

在制造组织中,几何模型的主要用途通常是完整的产品定义。 Gammon. [4]识别CAD和CAE(或CFD)几何模型之间的十个基本差异,其中几个属于多余细节的类别。

  • 过量(和复杂的)拓扑,由潜在数学和使用实践的组合产生。
  • 几何超过湿润表面或om1(即,CFD域的边界)。
  • 以几何细节形式的多余现实主义,如压花或雕刻的文本,紧固件,鱼片和倒角。
  • 在创造的“不可制造的”几何形状的意义上是过于理想的,其中包括条带表面,尖头,刀刃和类似的退化遗传性。

如上所述,通过使用更高级拓扑抽象(通常称为纸张或标题)来解决多余和复杂的拓扑,该拓扑抽象(通常称为纸张或QUILTS)可以区分建模过程或工具的设计特征和伪像之间的区别。

几何模型“修复”和“愈合”是用于解决过多细节的伞术语。修复功能可在许多专用软件工具,互操作性库和网格生成和CFD软件中提供。

进口和操纵CAD几何形状以使其更适合啮合并不总是很好地理解。通过编辑和创建几何和使用实体模型组件,可以易于为网格生成准备大多数型号。 掌握几何清除点.

 

处理复杂几何形状的提示,非常大的网格

 

细节不足

几何模型中的细节不足的问题主要是对网格化所需的几何形状,其与真正的产品定义无关,例如外界,远场边界,某些组件的关闭,以及更多。

从STL导入的几何模型的介绍必须恢复锐边和特征线,以便在网格中可以精确地再现它们。另外,能够通过将它们合并它们是共面的方式来降低小平面的密度是有用的。这是一个关于POSEWES工具的视频 导入非结构化线框数据.

 
离散几何模型呈现了一个不充分的细节的情况。在离散模型中缺乏拓扑,妨碍了它的使用。没有拓扑,模型是一个“三角汤”,当实际上,被建模的物体具有不同的几何特征,可能对CFD仿真具有重要意义。离散模型中的刻面可以组装成由特征线(AKA硬边)有界的表面。这些硬边缘可以由线路两侧的小平面正常矢量的相对转动角度来定义。

概括

几何建模是一种高度能干的技术领域,代表了广泛的建立和新兴技术。几何建模软件生产的模型对于CFD的应用至关重要。可以通过了解一些基本因素和利用最佳处理它们的工具来简化CFD的几何模型。

参考

  1. OpenVSP.
  2. HAIMES,R.&Dannenhoffer,J.F.III,“工程素描垫:用于构建参数几何的实用建模,基于功能,支持Web的系统系统,“AIAA纸没有。 2013-3073,2013年6月。
  3. 尿布,B.,&Marussig,B。“为什么CAD表面几何是不精确的” //blog.pointwise.com/2017/11/29/why-cad-surface-geometry-is-inexact/,2017年11月。
  4. Thomas,D.C.,Engvall,L.,Schmidt,S.K.,Tew,K。,&斯科特,M.A.,“U-Spline:verlowed网格上的样条,” //coreform.com/technology/u-splines/.

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请参阅自己如何点亮有助于缓解几何模拟问题。

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