مدل سازی هندسه در اپلیکیشن های شبیه سازی

برنامه های COMSOL ایجاد شده با Application Builder جدید، شبیه سازی های پیچیده بر اساس مدل های CAD پارامتری شده را بیش از هر زمان دیگری در دسترس قرار می دهد. یک برنامه COMSOL امکان دسترسی آسان نه تنها به مدل‌های پارامتری شده، بلکه به پیکربندی‌های هندسی کاملاً متفاوت، مانند یک میکسر با تعداد متغیر پره‌های پروانه یا تعداد متغیر پروانه را می‌دهد. برای آسان کردن این کار برای توسعه‌دهنده برنامه، ما انتخاب‌های تجمعی و قطعات هندسی را در دسترس قرار داده‌ایم . ببینید این ابزارها چگونه کار می کنند.

انتخاب های تجمعی

هنگامی که ما یک برنامه شبیه‌سازی را بر اساس یک مدل هندسی پارامتری ایجاد می‌کنیم، احتمالاً نمی‌خواهیم کاربران برنامه ما مجبور باشند تمام مواد، فیزیک و تنظیمات مش را برای هر مقدار پارامتر جدیدی که وارد می‌کنند به‌روزرسانی دستی کنند. در عوض، ما به ابزارهایی نیاز داریم که به طور خودکار این عملیات را در پشت صحنه به روز کنند. انتخاب های تجمعی به ما در این امر کمک خواهند کرد – آنها برای گروه بندی موجودیت های هندسی مانند دامنه ها، مرزها، یال ها و نقاط استفاده می شوند.

به عنوان مثال، هنگامی که یک مقدار پارامتر تغییر می کند، مدل هندسی ممکن است به گونه ای تغییر کند که یک مرز را تقسیم کند. آنچه زمانی یک مرز واحد بود، اکنون ممکن است به دو یا چند قسمت تقسیم شود. برنامه اکنون “باید بداند” چه شرایط مرزی را برای این مرزهای تازه ایجاد شده اعمال کند. اگر شرط مرزی به یک انتخاب تجمعی گره خورده باشد، این به برنامه می گوید که چه شرط مرزی جدیدی را برای مرزهای ایجاد شده جدید اعمال کند.

انتخاب‌های تجمعی نیز برای به‌روزرسانی ویژگی‌های مواد، سایر تنظیمات فیزیک (به عنوان مثال، اصطلاحات منبع)، تنظیمات مش و نتایج استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، دامنه های مختلف ایجاد شده در عملیات هندسه مختلف را می توان با توجه به مواد حوزه ها در دنباله هندسه جمع آوری کرد. به این ترتیب، همه دامنه‌ها با مواد یکسان در یک انتخاب تجمعی در دسترس هستند. انتساب یک ماده به چنین انتخابی می تواند به طور خودکار به روز شود، زمانی که دامنه ها در دنباله هندسه در طول پارامترسازی اضافه یا حذف شوند.

گره Geometry در درخت مدل نرم افزار شبیه سازی COMSOL Multiphysics شامل یک دنباله مرتب از عملیات هندسه است. اینها شامل ایجاد یک بلوک یا کره، اتحادیه های بولی، تقاطع ها، یا عملیات های سطح بالا مانند فیله و لفت است. این دنباله از عملیات به عنوان دنباله هندسه نامیده می شود .

انتخاب‌های تجمعی همچنین می‌توانند در توالی هندسه برای کارهای مدل‌سازی هندسه خالص استفاده شوند. برای مثال، یک انتخاب تجمعی می‌تواند اشیایی را جمع‌آوری کند که باید در یک عملیات تفاضل بولی اضافه یا تفریق شوند، شکل زیر را ببینید. عملیات تفاوت پس از آن به طور خودکار به روز می شود حتی در موردی که تعداد اشیایی که باید تفریق شوند تغییر کند.

یادداشت ویرایشگر: بخش‌های زیر در تاریخ 7/1/2015 به‌روزرسانی شدند تا با COMSOL Multiphysics نسخه 5.1 سازگار باشد، که پس از انتشار اولیه این پست منتشر شد.

قطعات هندسه

قطعات هندسی را می توان به عنوان اشیاء هندسی ترکیبی سفارشی مشاهده کرد. آنها را می توان در یک دنباله هندسی به همان روشی که اشیاء ابتدایی مانند بلوک ها و کره ها استفاده کرد.

قطعات هندسه به صورت سراسری برای یک مدل تعریف می شوند و می توانند به دنباله هندسه هر جزء مدل به عنوان نمونه قطعه اضافه شوند. کاربر می تواند قسمت مورد نظر را از یک کتابخانه پارت یا از لیست قطعات هندسی خود که در مدل موجود است انتخاب کند.

یک قطعه هندسی می تواند پارامترهای مدل را به عنوان ورودی دریافت کند. خروجی یک یا چند شی هندسی و یک یا چند انتخاب است که می تواند به عنوان انتخاب ورودی توسط عملیات هندسه و تنظیمات مواد، فیزیک، مش و نتایج استفاده شود. قطعات هندسه می‌توانند از انتخاب‌های تجمعی در داخل دنباله هندسی که قطعه را می‌سازد استفاده کنند، اما همچنین می‌توانند با انتخاب‌های خروجی خود در انتخاب‌های تجمعی در دنباله هندسه اصلی وقتی یک نمونه قطعه اضافه می‌شود، مشارکت داشته باشند.

انتخاب های تجمعی و قطعات هندسی مفاهیم مهمی در توانایی ایجاد برنامه هایی هستند که از هندسه های پارامتری استفاده می کنند. در واقع، بخش‌های هندسی و انتخاب‌های تجمعی هر دو با برنامه‌ساز و ایجاد برنامه‌ها در ذهن ساخته شده‌اند.

استفاده از انتخاب های تجمعی

دنباله هندسه، که در شاخه هندسه در درخت مدل نشان داده شده است، بر اساس اشیاء ابتدایی – مانند استوانه ها و بلوک ها – و اشیاء مرکب – مانند اشیایی است که در نتیجه یک عملیات بولی یا جارو کردن یک نمایه مقطعی هستند. . عملیاتی که اشیاء ترکیبی ایجاد می‌کنند ممکن است به انتخاب‌هایی به عنوان ورودی نیاز داشته باشند.

برای مثال، عملیات تفاوت بین دو گروه از اشیا مستلزم آن است که دو گروه شی مورد نظر در یک لیست انتخابی مشخص شوند. در شکل زیر، انتخاب Tank شامل یک شی است که توسط قسمت نمونه 1 (pi1) ایجاد شده است. در این حالت، می‌خواهیم محور پروانه و پروانه‌های مختلف را از مخزن کم کنیم تا جسم باقی‌مانده مربوط به حوزه سیال در مخزن ایجاد شود. سه پروانه (imp1 تا imp3) و یک شفت (pi2) اشیاء در انتخاب ورودی پروانه هستند.

عملیات بولی “تفاوت” به حداقل دو شی نیاز دارد، یکی برای جمع و دیگری برای تفریق. همچنین، انتخاب ها و انتخاب های تجمعی ممکن است به عنوان ورودی برای پر کردن لیست اشیاء استفاده شوند.

انتخاب‌های تجمعی سازماندهی این فرآیند و به‌روزرسانی خودکار عملیات هندسه را که به انتخاب‌های ورودی ایجاد شده در عملیات قبلی نیاز دارند، ممکن می‌سازد.

ما می‌توانیم استفاده از انتخاب‌های تجمعی را در دنباله هندسی که یک پروانه راشتون ایجاد می‌کند مثال بزنیم. یک پروانه راشتون شامل تعدادی تیغه پروانه است که به یک دیسک با یک توپی پروانه که می تواند به محور پروانه متصل شود، متصل شده است.

هندسه پروانه راشتون.

اولین مرحله در توالی هندسه ایجاد دیسک پروانه با پارامتری است که قطر دیسک را کنترل می کند. برای این مرحله، یک صفحه کاری با یک سری عملیات هندسی که با توجه به این صفحه کاری تعریف شده است، استفاده می شود. مرحله دوم ایجاد اولین تیغه پروانه است که در یک صفحه کاری عمود بر دیسک ایجاد می شود. مرحله سوم استفاده از عملیات چرخش به منظور چرخاندن تیغه و ایجاد تعداد مورد نظر تیغه است.

مرحله اول، با عملیات هندسه در صفحه کار 1، دیسک پروانه و یک انتخاب “impeller_disk” ایجاد می کند. مرحله دوم یک تیغه پروانه و یک انتخاب تجمعی ایجاد می‌کند که می‌توانیم آن‌ها را “impeller_blades” نامگذاری کنیم، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

انتخاب “impeller_blades” به عنوان ورودی برای عملیات چرخش استفاده می شود. این کار ایجاد تیغه های پروانه را خودکار می کند و نیازی به ورودی دستی از پنجره گرافیکی ندارد.

خروجی حاصل از عملیات چرخش، که پره های پروانه های دیگر را در توربین راشتون ایجاد می کند، همچنین می تواند در انتخاب تجمعی “پره_پره” کمک کند. می‌توانیم با به‌روزرسانی یک پارامتر برای تعداد تیغه‌ها، تعداد تیغه‌ها را مشخص کنیم. سپس زاویه چرخش “angle_ib” با تقسیم 360 درجه بر تعداد تیغه ها ایجاد می شود. سپس انتخاب “impeller_blades” به طور خودکار به روز می شود. شکل زیر پنجره تنظیمات عملیات چرخش مربوطه را نشان می دهد.

انتخاب‌های تجمعی همچنین امکان به‌روزرسانی خودکار انتخاب‌های ورودی در تنظیمات مواد، مش، فیزیک و نتایج را پس از نهایی شدن توالی هندسه فراهم می‌کنند.

فرض کنید می خواهیم مواد مشابه یا شرایط مرزی مشابهی را روی دیسک پروانه و تیغه های پروانه تنظیم کنیم. سپس می توانیم از انتخاب خروجی عملیات چرخش و دیسک در یک عملیات انتخاب خالص استفاده کنیم. با انجام این کار، دیسک پروانه و تیغه های پروانه در یک انتخاب تجمعی در دسترس خواهند بود. برای این منظور، می‌توانیم یک انتخاب اتحادیه اضافه کنیم که انتخاب‌های «impeller_disk» و «impeller_blades» را با هم متحد می‌کند.

توجه داشته باشید که عملیات انتخاب اتحاد با عملیات اتحاد هندسی متفاوت است – امکان ارجاع به تیغه ها و دیسک را با یک انتخاب واحد فراهم می کند.

هنگامی که دنباله هندسه نهایی شد، انتخاب “دوار_دیوار_درونی” به طور خودکار برای تنظیمات مواد، فیزیک، مش و نتایج که از این انتخاب به عنوان ورودی استفاده می‌کنند، به‌روزرسانی می‌شود.

به عنوان مثال، اگر ما در حال مدل‌سازی جریان آشفته در یک میکسر با پروانه چرخان هستیم، انتخاب ورودی به شرایط مرزی دیوار داخلی دوار می‌تواند به‌طور خودکار با انتخاب «rotating_internal_wall» ایجاد شده در دنباله هندسه به‌روزرسانی شود. این را می توان برای انتخاب های مختلف در تعداد پره های پروانه و برای ابعاد مختلف انجام داد.

استفاده از قطعات هندسی

به راحتی می توان تصور کرد که مایلیم بسته به نوع سیالی که پروانه بهم می زند، امکان تغییر کامل نوع پروانه را داشته باشیم. اگر ما در حال ساخت یک برنامه میکسر هستیم، می‌خواهیم طرح‌های پروانه‌های جایگزین متفاوتی را ارائه کنیم که کاربران بتوانند از بین آنها و ابعاد را برای فرآیندها و شرایط خاص خود انتخاب کنند. علاوه بر این، ممکن است توانایی ایجاد چندین پروانه در طول محور پروانه را نیز بخواهیم. برای سهولت این کار می توانیم از قطعات هندسی استفاده کنیم. آن‌ها به ما اجازه می‌دهند یک کتابخانه شی هندسی بسازیم که از دنباله هندسه قابل دسترسی باشد.

به نوعی، قطعات هندسی می توانند مانند اشیاء ایجاد شده سفارشی خودمان کار کنند، که ما می توانیم به روشی مشابه اشیاء اولیه مانند بلوک ها و استوانه ها استفاده کنیم. با این حال، علاوه بر ابعاد ورودی و اشیاء هندسه خروجی، قطعات هندسی نیز می توانند انتخاب هایی را به خروجی بدهند.

بخش‌های هندسی در گره جهانی ایجاد می‌شوند یا از کتابخانه Part وارد می‌شوند. دلیل وجود آنها در گره Global این است که می توان آنها را از چندین دنباله هندسی در اجزای مختلف فراخوانی کرد. شکل زیر پانزده قسمت هندسی مختلف را برای یازده پروانه مختلف، یک محور پروانه و سه نوع مخزن مختلف نشان می دهد. تمام قسمت ها به جز پروانه راشتون از کتابخانه قسمت ماژول Mixer دانلود شده است. پروانه راشتون مستقیماً در شاخه قطعات در Global Definitions ساخته شده است. این نشان می دهد که می توان قطعات دانلود شده را با قطعاتی که برای استفاده در یک مدل خاص ساخته شده اند، ترکیب کرد، اما سپس چندین بار در همان مدل استفاده می شود.

قسمت هندسی که پروانه راشتون را تعریف می کند می تواند تعدادی پارامتر ورودی را دریافت کند که پارامترسازی شی هندسی را کنترل می کند. علاوه بر این، بخش هندسه می‌تواند شامل تعدادی پارامتر محلی نیز باشد که فقط در دنباله هندسه قطعه تعریف می‌شوند. به عنوان مثال، تعداد تیغه های پروانه به عنوان پارامتر ورودی دریافت می شود که با علامت “n_ib” مشخص می شود. زاویه بین تیغه ها – که از تقسیم 360 درجه بر تعداد تیغه ها به دست می آید – یک پارامتر محلی است، زیرا دریافت تعداد تیغه ها برای محاسبه زاویه کافی است.

تنظیمات در نمونه قطعه حاوی ارجاع به قسمت انتخاب شده است – در این مثال، قسمت Rushton Impeller (شکل زیر را ببینید). عبارات پارامتر ورودی در پنجره تنظیمات اکنون به پارامترهای سراسری در گره Global Parameters در درخت مدل اشاره دارد. در این حالت، اکثر این پارامترهای ورودی دارای نام‌های مشابه آرگومان‌های قسمت هندسه هستند، با افزودن «_i» برای «مثال». با این حال، توجه داشته باشید که عبارت‌های پارامتر ورودی می‌توانند هر نام یا شماره پارامتری را به عنوان ورودی داشته باشند.

انتخاب های ایجاد شده در قسمت را می توان به انتخاب های تجمعی در نمونه قطعه در دنباله هندسه اصلی نگاشت. به عنوان مثال، انتخاب «پره_ایمپلر» اکنون به انتخاب تجمعی «دیوار_درونی_چرخش» تعریف شده در دنباله هندسه اصلی کمک می کند. انتخاب “impeller_hub” به انتخاب “rotating_wall” در دنباله هندسه اصلی کمک می کند. انتخاب های تجمعی ایجاد شده در دنباله هندسه اصلی می توانند به عنوان ورودی در سایر عملیات هندسه، مانند عملیات بولین اتحاد یا تفاوت استفاده شوند. آنها همچنین می توانند در تنظیمات مواد، فیزیک، مش و نتایج استفاده شوند.

همچنین، توجه داشته باشید که نمونه قطعه امکان قرارگیری و جهت گیری اجسام هندسی ایجاد شده را فراهم می کند. دو نمونه قسمت مختلف که به یک قسمت ارجاع می‌دهند، می‌توانند به این ترتیب موقعیت‌ها و جهت‌گیری‌های متفاوتی را در دنباله هندسه اصلی به دست آورند.

شکل زیر حالت بعید را نشان می دهد که هفت نوع پروانه مختلف در امتداد یک محور پروانه قرار گرفته اند. این مثال، شاید کمی غیرمعمول، نشان می‌دهد که انتخاب‌های خروجی از قطعات و انتخاب‌های تجمعی در دنباله هندسه اصلی می‌توانند موجودیت‌های هندسی را گروه‌بندی کنند که از نظر پیکربندی کاملاً متفاوت هستند. سپس انتخاب های تجمعی می توانند به طور خودکار تنظیمات مواد، فیزیک، مش و نتایج را به روز کنند.

به عنوان مثال، انتخاب تجمعی “rotating_internal_wall” به طور خودکار همه تیغه های پروانه و دیسک های پروانه را برای همه پروانه های مختلف در شرایط مرزی دیوار داخلی چرخان برای جریان آشفته انتخاب می کند. همین عملکرد همچنین سطوح هاب و شفت را در انتخاب تجمعی “rotating_wall” که در شرایط مرزی دیوار دوار استفاده می شود، گروه بندی می کند.

استفاده از انتخاب ها و قطعات تجمعی در برنامه های شبیه سازی

قطعات و انتخاب های تجمعی به ما اجازه می دهند تا کتابخانه هایی از اشیاء هندسی پیچیده و پارامتری ایجاد کنیم. علاوه بر این، توانایی ایجاد انتخاب های تجمعی به ما اجازه می دهد تا برنامه هایی بسازیم که بسیار کاربرپسند هستند. نیازی نیست که کاربر برنامه در طراحی یک فرآیند یا یک دستگاه با نکات فنی بی ربط اذیت شود.

به عنوان مثال آخر، می‌توانیم به یک برنامه میکسر نگاه کنیم که می‌تواند نتیجه عملیات ذکر شده در بالا باشد.

در این اپلیکیشن طراح میکسر می تواند نوع پروانه و ابعاد، نوع و ابعاد ظرف و شرایط کارکرد میکسر را انتخاب کند. خروجی شبیه‌سازی‌ها، راندمان اختلاط در فرآیند است. کاربر این نرم افزار می تواند بر روی تغییر پارامترهای مدل مختلف برای افزایش راندمان اختلاط با استفاده از اجزای موجود تمرکز کند، تنها با حداقل دانش فنی درگیر در شبیه سازی CFD. کاربر می تواند به جای این نکات فنی، روی فیزیک درگیر تمرکز کند.

منابع اضافی

• اگر از این پست وبلاگ لذت بردید، ممکن است دوست داشته باشید در مورد COMSOL Server™ – پلت فرم شما برای توزیع، مدیریت و اجرای برنامه های خود بیاموزید.
• پست قبلی وبلاگ ما را بخوانید: ” از کجا می توان برنامه های آموزشی Application Builder را پیدا کرد “