استفاده از عملیات مجازی برای ساده کردن هندسه

هر زمان که در حال مدل‌سازی هندسه‌ای هستید که برای تحلیل COMSOL Multiphysics خود استفاده می‌کنید، چه با ابزارهای ایجاد CAD بومی در نرم‌افزار COMSOL یا با استفاده از سیستم CAD دیگر، ممکن است به هندسه‌ای دست پیدا کنید که ویژگی‌های بیشتری از آنچه واقعاً نیاز دارید دارد. در اینجا، مجموعه‌ای از ویژگی‌ها به نام عملیات مجازی را بررسی می‌کنیم که به شما این امکان را می‌دهد که به سرعت و به راحتی هر داده CAD را در آماده‌سازی برای مدل‌سازی و مش‌سازی ساده کنید.

هندسه CAD چیست و چگونه استفاده می شود؟

هنگامی که از اصطلاح هندسه CAD استفاده می کنیم ، به مجموعه ای از ساختارهای داده اشاره می کنیم که روش بسیار دقیقی را برای توصیف اشکال قطعات ارائه می دهند. این روش نمایش مرزی یا B-rep نامیده می شود . یک مدل B-rep برای جامدات از موجودیت های توپولوژیکی (چهره ها، لبه ها و رئوس) و نمایش هندسی آنها (سطوح، منحنی ها و نقاط) تشکیل شده است. صورت قسمت محدودی از یک سطح است، لبه قسمت محدود یک منحنی است و راس در یک نقطه قرار دارد.

در ساختارهای داده B-rep، سطوح اغلب با B-Splines منطقی غیر یکنواخت یا NURBS نشان داده می شوند . مدل B-rep یک قطعه به‌عنوان پایه‌ای برای عملیات‌های دیگر، مانند ایجاد مسیرهای ابزار در نرم‌افزار تولید به کمک رایانه ، ایجاد فایل‌های نمونه‌سازی سریع ، و – مهم‌تر از همه – برای مدل‌سازی COMSOL Multiphysics شما، تولید مش المان محدود استفاده می‌شود .

اولین انتخاب شما از نظر نوع عنصر معمولا مش چهاروجهی برای مدل های سه بعدی یا مش مثلثی در مدل های دو بعدی خواهد بود. هر هندسه سه بعدی را می توان با عناصر چهار وجهی (“tet”) و هر هندسه دو بعدی را می توان با مثلث ها مش بندی کرد. علاوه بر این، اینها تنها عناصری هستند که از Adaptive Mesh Refinement پشتیبانی می کنند .

در ادامه این پست وبلاگ، ما روی مورد سه بعدی تمرکز خواهیم کرد، زیرا از نظر محاسباتی چالش برانگیزترین است. در یک سطح بسیار مفهومی، الگوریتم مش بندی چهار وجهی COMSOL ابتدا یک مش را بر روی تمام سطوح یک جسم اعمال می کند. سپس از این مش برای “بذر کردن” مش حجمی استفاده می شود که عناصر چهار وجهی از آن به سمت داخل “رشد” می کنند. همانطور که این عناصر چهار وجهی تلاقی می کنند، اندازه آنها با هدف حفظ همسانگردی عناصر (طول لبه های مشابه و زوایای گنجانده شده) و انتقال تدریجی منطقی بین عناصر کوچکتر و بزرگتر تنظیم می شود.

مسئله ای که می توانید در این الگوریتم با آن مواجه شوید این است که مش بندی بر اساس موجودیت های توپولوژیکی زیرین انجام می شود. اگر موجودیت های زیرین کوچک باشند، هیچ راهی برای الگوریتم مش بندی وجود ندارد تا عناصر بزرگتر را وارد کند. همانطور که در پست وبلاگ قبلی ” کار با طرح های CAD وارداتی ” دیدیم، می توانیم از ابزارهای تعمیر و شکست CAD برای ساده کردن هندسه استفاده کنیم.

با این حال، زمانی که این الگوریتم‌ها سعی در حذف موجودیت‌های توپولوژیکی دارند، اغلب نیاز به اصلاح سطوح NURBS زیرین دارند و بنابراین تا حدودی محدود هستند. یک جایگزین در نرم افزار COMSOL Multiphysics استفاده از عملیات مجازی است که می تواند نمایش های هندسی موجود را به عنوان پایه ای برای ساخت یک ساختار توپولوژیکی جایگزین جدید صرفاً برای اهداف مش بندی و تعریف فیزیک حفظ کند.

با عملیات مجازی چه کاری می توانید انجام دهید؟

اجازه دهید نگاهی به عملیات مجازی بیندازیم و ببینیم از طریق یک سری مثال می توانید با آنها چه کاری انجام دهید. ده گزینه اول در منوی عملیات مجازی در واقع فقط پنج قابلیت منحصر به فرد را نشان می دهند، اما می توان از آنها به روش های مختلف استفاده کرد.

منوی عملیات مجازی

بیایید به یک مثال سریع برای هر یک از این پنج نگاه کنیم.

رئوس را نادیده بگیرید و لبه های مرکب را تشکیل دهید

تصویر زیر ویژگی Ignore Vertices (بالا) و ویژگی Form Composite Edges (پایین) را نشان می دهد که منجر به یک هندسه می شود.

لبه ها را نادیده بگیرید و صورت های ترکیبی را تشکیل دهید

در زیر نمایشی از ویژگی Ignore Edges (بالا) و ویژگی Form Composite Faces (پایین) است که منجر به یک هندسه می شود.

چهره ها را نادیده بگیرید و دامنه های ترکیبی را تشکیل دهید

تصویر زیر نشان می‌دهد که از ویژگی Ignore Faces (بالا) می‌توان برای نادیده گرفتن چهره‌هایی که بین دو دامنه مجاور قرار دارند، استفاده کرد که منجر به ایجاد یک دامنه می‌شود. ویژگی Form Composite Domains (پایین) همچنین چندین دامنه را در یک دامنه واحد ترکیب می کند.

جمع کردن لبه ها و ادغام رئوس

همانطور که در ادامه نشان داده شده است، ویژگی Collapse Edges (بالا) و ویژگی Merge Vertices (پایین) به یک هندسه منجر می شود. ویژگی Merge Vertices این امکان را به شما می دهد که کدام راس را حذف کنید و کدام یک را نگه دارید.

جمع کردن چهره ها و ادغام لبه ها

دستور Collapse Faces (بالا) و فرمان Merge Edges (پایین) برجسته هستند، زیرا آنها طوری طراحی شده اند که حتی در مواردی که چهره ها پیوسته نیستند نیز کار کنند. یک کاربرد مفید برای این دستورات، خلاص شدن از شر تکه های ناشی از اتحاد اجزایی است که کمی ناهماهنگ هستند یا به دلایل دیگر مناسب نیستند.

عملیات کنترل مش

در نهایت، ویژگی‌های Mesh Control Points، Edges، Faces و Domains نقاط، لبه‌ها، چهره‌ها یا دامنه‌ها را در طول تنظیم فیزیک پنهان می‌کنند. با این حال، این موجودات هندسی همچنان در مرحله مش بندی وجود خواهند داشت. با استفاده از این عملیات، می توانید با تعیین موجودیت های هندسی برای کنترل اندازه مش و توزیع، کنترل بیشتری بر فرآیند مش بندی به دست آورید. تنظیم فیزیک با حذف موجودیت های کنترلی ساده نگه داشته می شود. یک منطقه معمولی کاربرد در شبیه سازی CFD است، که در آن مناطق شیب تند در یک حجم نیاز به چگالی مش بالایی دارند.

یک نمونه مدل

به نظر می رسد که ما در اینجا گزینه های زیادی داریم و ممکن است تعجب کنید که از کدام یک از این ویژگی ها باید استفاده کنید. در عمل، صورت های ترکیبی فرم معمولا می تواند اولین انتخاب شما باشد. تقریباً تمام مسائلی که معمولاً با آنها مواجه می شوید، به استثنای تشکیل دامنه های ترکیبی، با این ویژگی قابل حل هستند.

بیایید به یک مورد از کتابخانه مدل مولتیفیزیک COMSOL نگاه کنیم: تنش‌ها و کرنش‌های موجود در آچار . این یک مدل ساختاری از آچار ترکیبی است. هندسه CAD ارائه‌شده دارای سطوح و فیله‌های نسبتاً پیچیده‌ای است که در برخی از قسمت‌های مدل صورت‌های کوچکی ایجاد می‌کند. این چهره‌های کوچک، tet meher را مجبور می‌کنند تا از عناصر کوچک‌تر استفاده کند، اما می‌توانیم ببینیم که عملیات مجازی می‌تواند برای جلوگیری از این مورد استفاده شود.

یک نمای دقیق از یک فایل CAD نشان می دهد که صورت های کوچک منجر به یک مش ریز می شوند. استفاده از عملیات مجازی به عناصر بزرگتر در این مناطق اجازه می دهد.

ما می توانیم از ویژگی Form Composite Faces برای انتزاع مجموعه های کامل از چهره ها استفاده کنیم. می‌توانید به سادگی همه چهره‌ها را انتخاب کنید و سپس چهره‌هایی را که نمی‌خواهید انتزاع کنید، از حالت انتخاب خارج کنید . این قابل قبول است و توصیه می شود اگر می دانید در مناطق خاصی که تعداد زیادی چهره کوچک وجود دارد نیازی به وفاداری بالای مش ندارید.

عملیات مجازی را می توان برای ترکیب مجموعه ای از سطوح و به طور قابل توجهی ساده کردن برخی از بخش های هندسه استفاده کرد.

خلاصه و مراحل بعدی

اکنون دیدیم که چرا می‌خواهید از این عملیات مجازی و راه‌های زیادی که می‌توان از آن‌ها استفاده کرد استفاده کنید. اگر می‌خواهید راهنمای گام به گام استفاده از این ویژگی‌ها برای ساده‌سازی هندسه خود را ببینید، لطفاً مثال کتابخانه مدل در مورد استفاده از عملیات مجازی در هندسه رینگ چرخ را ببینید .