JP2012190444A - Mesh model creation method and analysis method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、メッシュモデル同士が干渉する場合に、自動的にメッシュモデルを再構築する方法に関する。 The present invention relates to a method for automatically reconstructing a mesh model when mesh models interfere with each other.
自由表面を取り扱う数値計算方法としては、Euler座標系において界面を捕捉する方法
を用いた計算方法がよく用いられる。Euler座標系で固定した格子に着目し、場の出入り
、保存などを数値的に解く方法である。この方法は、格子を固定しているので複雑な界面の変形を取り扱うことができる一方、格子が直交格子等の単純なものであるため、界面を明瞭に示すことができない。また、空気に対して粘度の高い流体のふるまいを計算するような場合であっても、流体の周囲の空気部分を計算する必要がある。
As a numerical calculation method for handling a free surface, a calculation method using a method of capturing an interface in the Euler coordinate system is often used. Focusing on the grid fixed in the Euler coordinate system, it is a method to numerically solve the entry / exit, storage, etc. In this method, since the lattice is fixed, complicated deformation of the interface can be handled. On the other hand, since the lattice is simple such as an orthogonal lattice, the interface cannot be clearly shown. Further, even when calculating the behavior of a fluid having a high viscosity relative to air, it is necessary to calculate the air portion around the fluid.
一方、界面の移動に伴う要素のひずみを回避する方法として、ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian)座標系における計算方法(ALE法)が知られている。ALE法では
、物質粒子の移動と、メッシュモデルを別に取り扱うことができるため、界面の移動で要素がひずむような場合にメッシュモデルを再構築することが可能である。この方法では、界面を明瞭に表すことができるとともに、前述のような場合に空気部分を計算する必要がない。
On the other hand, a calculation method (ALE method) in an ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) coordinate system is known as a method for avoiding element distortion caused by the movement of the interface. In the ALE method, since the movement of the substance particles and the mesh model can be handled separately, the mesh model can be reconstructed when the element is distorted due to the movement of the interface. In this method, the interface can be clearly expressed, and it is not necessary to calculate the air portion in the above case.
ALE法を用いた従来の技術では、自由表面である界面が一つの場合のみしか取り扱うことができず、二つの物体が結合する現象を計算することができなかった。同様に、一つの界面が変形し、結合するような計算もできなかった。
例えば、独立に運動する二つの物体の運動の時間変化を、短い時間刻み幅ごとにステップ計算していったときに、二つの物体が接触し、いずれ結合する場合を考える。計算では、それぞれの物体は、他の物体に対して影響を及ぼさない。そのため、二つの物体が幾何的に接触しても、それぞれの物体は何もなかったかのように運動しつづける。
In the conventional technique using the ALE method, it is possible to handle only when there is one interface which is a free surface, and it is impossible to calculate a phenomenon in which two objects are combined. Similarly, it was not possible to calculate that one interface was deformed and bonded.
For example, let us consider a case where two objects come into contact with each other when a temporal change in motion of two objects that move independently is calculated for each short time step. In the calculation, each object has no effect on the other objects. Therefore, even if two objects are in geometric contact, each object continues to move as if there was nothing.
複数の界面が接触し、接触したそれぞれの物体の運動が、他の物体の運動に及ぼす影響を考慮するためには、時間ステップの計算の中で、接触した界面において、それぞれの物体を連続的に接続する必要がある。すなわち、メッシュモデルが界面で不連続になることを修正する必要がある。
複数のメッシュモデルを修正および結合して、連続な一つのメッシュモデルを生成する方法としては、特許文献1に開示された方法が知られている。
In order to consider the influence of the movement of each contacted object on the movement of multiple interfaces and the movement of other objects, each object is continuously measured at the contacted interface in the time step calculation. Need to connect to. That is, it is necessary to correct the discontinuity of the mesh model at the interface.
As a method for generating a single continuous mesh model by correcting and combining a plurality of mesh models, a method disclosed in Patent Document 1 is known.
前述のように、ALE法における計算では、時間ステップの中で、複数の物体の接触が発生する。時間ステップの刻み幅は、計算時間を現実的に抑えるためにある程度の大きさをもつ。そのため、二つの物体がちょうど接触するというわけではなく、めり込みが発生することの方が多い。
しかしながら、特許文献1の方法では、複数のメッシュモデルが接触して、共通の界面を持つ場合における修正を行うことしかできず、メッシュモデル同士のめりこみに対応することができない。
As described above, in the calculation in the ALE method, a plurality of objects contact in a time step. The step size of the time step has a certain size in order to reduce the calculation time realistically. For this reason, two objects are not just in contact with each other, and indentation often occurs.
However, in the method of Patent Document 1, only a correction in the case where a plurality of mesh models are in contact with each other and have a common interface can be performed, and it is not possible to cope with the indentation between mesh models.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、メッシュモデル同士がめりこんで干渉する場合に、メッシュモデルを再構築して界面で連続的に結合されたメッシュモデルを得るための好適な手法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and when a mesh model is indented and interferes with each other, a suitable method for reconstructing the mesh model and obtaining a mesh model continuously connected at the interface is provided. The purpose is to provide.
本発明の第1態様は、有限要素法においてメッシュモデル同士が干渉した場合にメッシュモデルを再構築するメッシュモデル作成方法であって、
コンピュータが、第1のメッシュモデルと第2のメッシュモデルそれぞれの節点の座標値を取得する取得ステップと、
コンピュータが、第1のメッシュモデルと第2のメッシュモデルの干渉を判定し、第1のメッシュモデルに干渉する要素及び第2のメッシュモデルに干渉する要素を干渉要素として抽出する干渉判定ステップと、
コンピュータが、抽出した干渉要素を削除する要素削除ステップと、
コンピュータが、干渉要素が削除された第1及び第2のメッシュモデルを接続するための多角形を抽出する多角形抽出ステップと、
コンピュータが、抽出した多角形を要素で充填する要素充填ステップと、
コンピュータが、要素で充填された多角形で互いに接続された第1及び第2のメッシュモデルを新たなメッシュモデルとして出力部に出力する出力ステップと、を含み、
前記干渉判定ステップでは、他の要素の内部、又は、節点上若しくは辺上に存在する節点をもつ要素が、干渉要素として抽出されることを特徴とするメッシュモデル作成方法である。
A first aspect of the present invention is a mesh model creation method for restructuring a mesh model when mesh models interfere with each other in a finite element method,
An acquisition step in which a computer acquires coordinate values of nodes of each of the first mesh model and the second mesh model;
An interference determining step in which a computer determines interference between the first mesh model and the second mesh model, and extracts an element interfering with the first mesh model and an element interfering with the second mesh model as interference elements;
An element deletion step in which the computer deletes the extracted interference element;
A polygon extraction step of extracting a polygon for connecting the first and second mesh models from which the interference elements have been deleted;
An element filling step in which the computer fills the extracted polygon with elements;
An output step of outputting, as a new mesh model, a first mesh model and a second mesh model connected to each other by polygons filled with elements to the output unit;
In the interference determination step, an element having a node existing inside another element or on a node or a side is extracted as an interference element.
また本発明の第2態様は、コンピュータが有限要素法による数値計算によって自由表面を有する物体の挙動を解析する解析方法において、コンピュータが、前記数値計算により得られた前記物体のメッシュモデルに対して、本発明の第1態様に係るメッシュモデル作成方法を用いてメッシュモデルの再構築を実行することを特徴とする解析方法である。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an analysis method in which a computer analyzes a behavior of an object having a free surface by numerical calculation by a finite element method, wherein the computer applies a mesh model of the object obtained by the numerical calculation. The analysis method is characterized in that a mesh model is reconstructed using the mesh model creation method according to the first aspect of the present invention.
また本発明の第3態様は、有限要素法においてメッシュモデル同士が干渉した場合にメッシュモデルを再構築するメッシュモデル作成装置であって、
第1のメッシュモデルと第2のメッシュモデルそれぞれの節点の座標値を取得する取得部と、
第1のメッシュモデルと第2のメッシュモデルの干渉を判定し、第1のメッシュモデルに干渉する要素及び第2のメッシュモデルに干渉する要素を干渉要素として抽出する干渉判定部と、
抽出した干渉要素を削除する要素削除部と、
干渉要素が削除された第1及び第2のメッシュモデルを接続するための多角形を抽出する多角形抽出部と、
抽出した多角形を要素で充填する要素充填部と、
要素で充填された多角形で互いに接続された第1及び第2のメッシュモデルを新たなメッシュモデルとして出力する出力部と、を含み、
前記干渉判定部は、他の要素の内部、又は、節点上若しくは辺上に存在する節点をもつ要素を、干渉要素として抽出することを特徴とするメッシュモデル作成装置である。
The third aspect of the present invention is a mesh model creation device that reconstructs a mesh model when mesh models interfere with each other in the finite element method,
An acquisition unit for acquiring coordinate values of nodes of each of the first mesh model and the second mesh model;
An interference determination unit that determines interference between the first mesh model and the second mesh model, and extracts an element that interferes with the first mesh model and an element that interferes with the second mesh model as an interference element;
An element deletion unit for deleting the extracted interference element;
A polygon extraction unit for extracting a polygon for connecting the first and second mesh models from which the interference element is deleted;
An element filling unit for filling the extracted polygon with elements;
An output unit for outputting the first and second mesh models connected to each other by polygons filled with elements as a new mesh model, and
The interference determination unit is a mesh model creation device that extracts, as an interference element, an element having a node existing inside another element or on a node or a side.
また本発明の第4態様は、本発明の第1態様に係るメッシュモデル作成方法の各ステップをコンピュータに実行させることを特徴とするプログラムである。 A fourth aspect of the present invention is a program that causes a computer to execute each step of the mesh model creation method according to the first aspect of the present invention.
本発明によれば、メッシュモデル同士がめりこんで干渉する場合に、メッシュモデルを再構築して界面で連続的に結合されたメッシュモデルを得ることができる。 According to the present invention, when mesh models are indented and interfere with each other, the mesh models can be reconstructed to obtain a mesh model continuously connected at the interface.
<装置構成>
図1は、本発明の実施形態に係る解析装置及びメッシュモデル作成装置のハードウェア構成を示す装置構成図である。この解析装置は、有限要素法による数値計算によって、自由表面を有する物体の挙動を解析する装置であり、流体計算や構造計算などのシミュレーションに利用されるものである。またメッシュモデル作成装置は、解析装置の一部をなす機能であり、有限要素法による数値計算により得られた物体のメッシュモデルに対して、メッシュモデル同士のめりこみを考慮したメッシュモデルの再構築を行うものである。
<Device configuration>
FIG. 1 is an apparatus configuration diagram illustrating a hardware configuration of an analysis apparatus and a mesh model creation apparatus according to an embodiment of the present invention. This analysis device is a device that analyzes the behavior of an object having a free surface by numerical calculation using a finite element method, and is used for simulations such as fluid calculation and structure calculation. The mesh model creation device is a function that forms part of the analysis device, and reconstructs the mesh model in consideration of the indentation between mesh models for the mesh model of the object obtained by numerical calculation by the finite element method. Is what you do.
1は、入力部であり、例えばマウスやキーボードである。入力部1は、ユーザーが本装置を用いて計算を行う際に、必要なデータを入力したり、必要なデータファイルを作成したり、プログラムの実行を開始させたりするために用いられる。2は、計算部であり、中央演算処理装置(CPU)4、メモリ3から構成される。5は記憶媒体であり、プログラムコードが格納されている。後述する解析装置及びメッシュモデル作成装置の機能及び処理は、記憶媒体5からプログラムがメモリ3にロードされ、CPU4がプログラムを実行することで実現される。6は、ハードディスクなどで構成される保存部であり、計算に使用する入力データファイルや、計算によって出力されるデータファイル、計算によって作成される中間データファイルが保存される記憶媒体である。プログラムコードは、保存部6に保存しておくことも可能である。7は、ディスプレイやプリンタなどで構成される出力部であり、計算結果が出力される。この装置は、汎用のコンピュータに対して必要なプログラムコードをインストールすることにより構成することができる。
Reference numeral 1 denotes an input unit, for example, a mouse or a keyboard. The input unit 1 is used to input necessary data, create a necessary data file, and start execution of a program when a user performs calculations using the apparatus.
<機能構成>
図2は、解析装置及びメッシュモデル作成装置の機能ブロック図である。これらの機能は、上述のようにプログラムにより実現されるものであるが、もちろんロジック回路のような専用のハードウェアで実現してもよい。
<Functional configuration>
FIG. 2 is a functional block diagram of the analysis device and the mesh model creation device. These functions are realized by a program as described above, but may of course be realized by dedicated hardware such as a logic circuit.
8は、支配方程式計算部である。支配方程式計算部8は、支配方程式の解をALE法の有限要素法によって求める。また、支配方程式計算部8は、界面の変形に伴う要素のひずみに対しては、精度を保つためリメッシュする機能を有する。本実施形態では、支配方程式として、質量保存則(式1)と運動量保存則(式2)からなる非圧縮性ニュートン粘性流体の支配方程式を用いる。この支配方程式は、弾性体の変形等においても使用できるものである。
なお、支配方程式はこれに限らず、他の方程式を用いることもできる。
8 is a governing equation calculation unit. The governing
The governing equation is not limited to this, and other equations can also be used.
9はメッシュモデル修正部である。メッシュモデル修正部9は、支配方程式計算部8の計算結果として、各メッシュモデルの節点の座標値などの情報を取得する。そして、この情報に基づき、メッシュモデル同士が干渉するかどうかを判定する処理から、連続的に結合したメッシュモデルを再構築する処理までを行う。このメッシュモデル修正部9は、干渉判定部10、要素削除部11、多角形抽出部12、要素充填部13、節点削除部14を有しており、それぞれの動作を制御する。なお本実施形態ではメッシュモデル修正部9が本発明の取得部に対応する。
Reference numeral 9 denotes a mesh model correction unit. The mesh model correction unit 9 acquires information such as the coordinate values of the nodes of each mesh model as the calculation result of the governing
干渉判定部10は、界面の変形により複数のメッシュモデルが干渉するかどうかの判定を行う。
図4は、干渉判定部10の機能を説明する図である。図4は、第1のメッシュモデル20と第2のメッシュモデル21が互いに干渉していることを示している。見やすくするため、メッシュモデル20の構成要素および節点は破線、メッシュモデル21の構成要素および節点は実線で示してある。また、22のように灰色で塗りつぶされた節点は、他方のメッシュモデルにめりこんでしまった節点である。
干渉判定部10では、メッシュモデルにめりこんでしまった節点を持つ要素(以下、めりこんだ節点を「干渉節点」、干渉節点を持つ要素を「干渉要素」とよぶ)をすべて抽出する。ある要素E1が持つ節点(図4では要素はすべて一次三角形要素であり、要素が持つ節点は3つである)が、他の要素E2の内部、又は、要素E2の節点上若しくは辺上に存在した場合に、干渉節点とする(節点上や辺上の場合は接触した節点とみなす)。1つ以上の干渉節点を有する要素E1が干渉要素として抽出されることになる。
The
FIG. 4 is a diagram illustrating the function of the
The
ここで、干渉判定部10は、ある節点Nに対するめりこみの判定を、当該節点Nを含まないすべての要素とのあいだで行う。もし節点Nを含む要素まで判定対象に加えてしまうと、すべての要素が干渉要素に該当してしまうからである。
図4に示すように、異なるメッシュモデル間でのめりこみ(干渉)しか生じ得ない場合には、メッシュモデル20の節点Nに対するめりこみの判定対象を、他のメッシュモデル21を構成する要素のみに限定することもできる。メッシュモデル21は節点Nを含まないからである。
しかし、図5に示すように、単一のメッシュモデル200の中で干渉が生じるケースもある。この例では、メッシュモデル200(要素は省略してある)の変形によって、201で示す部分で干渉が発生している。このようなケースが生じ得る場合には、節点Nに対するめりこみの判定対象は、節点Nを持たない全ての要素とする必要がある。
Here, the
As shown in FIG. 4, when only the reverberation (interference) can occur between different mesh models, the reverence determination target for the node N of the
However, as shown in FIG. 5, there are cases where interference occurs in a
上記の干渉判定は、メッシュモデル20と21の両方の要素について行う。すなわち、干渉判定部10は、メッシュモデル20に対して干渉するメッシュモデル21上の干渉要素を抽出するとともに、メッシュモデル21に対して干渉するメッシュモデル20上の干渉要素を抽出する。
The above interference determination is performed for both elements of the
要素削除部11は、メッシュモデル20、21における干渉要素を削除するものである
。干渉判定により抽出された干渉要素をすべて削除する。図6は、干渉要素を削除した後のメッシュモデル20、21を示している。
The
多角形抽出部12は、干渉要素が削除された2つのメッシュモデル20、21を接続(連続的に結合)するための多角形を抽出する機能である。
図7は、多角形の抽出を説明する図である。メッシュモデル20と21を接続する多角形は、31で示す閉ループ(閉路)となる。図7を用いて、この多角形31を抽出する方法を説明する。
The
FIG. 7 is a diagram for explaining polygon extraction. The polygon connecting
24は、干渉要素が削除される前のメッシュモデル21において、複数の要素に共有されない辺(フリーエッジ)の構成節点を重複なく反時計回りに順番に並びかえた節点群を示す。干渉要素が削除された後のメッシュモデル21において、節点群24の構成節点を二つずつ順番にたどっていくと、二つの節点がいずれ接続されない箇所がある。それが、図7の節点25である。さらに接続されない箇所が続いた後、再び二つの節点が接続される箇所がある。それが、図7の節点26である。節点25と26は、干渉要素が削除された後のメッシュモデル21において新しくできたフリーエッジで構成される開ループ(開路)27の始点と終点である。言い換えると、開ループ27は、干渉要素が削除されたことによってフリーとなった(二つの要素によって共有されなくなった)複数の辺の集合である。
同様にして、メッシュモデル20についても開ループ28とその始点29および終点30が得られる。このようにして得られた節点26と節点30、および、節点25と節点29をそれぞれ接続すれば、開ループ27と28を接続した一つの多角形(閉ループ)31が作成できる。
Similarly, the
ここで、端点間の距離が非常に近い場合、例えば節点26と30がほぼ同じ位置にある場合は、この二つの節点を同一化することで両者を接続してもよい。接続対象の二つの端点間の距離が非常に近いかどうかの判定には、ある許容値(閾値)を設ける必要があるが、例えば、全メッシュモデルの節点の平均距離の2分の1程度に閾値を設定しておけば、要素をそこまでひずませることなく接続できる。
Here, when the distance between the end points is very close, for example, when the
次に、図10のように干渉する箇所が複数あり、それが近接する場合に対して、多角形を抽出するための方法を説明する。図10において(a)は二つのメッシュモデルが干渉したもの、(b)は干渉要素を消去した後のメッシュモデルである。 Next, a method for extracting a polygon when there are a plurality of places where interference occurs as shown in FIG. 10 will be described. 10A is a diagram in which two mesh models interfere with each other, and FIG. 10B is a mesh model after the interference elements are eliminated.
図11(a)は、開ループの抽出方法を説明するものである。124は、干渉要素が削除される前のメッシュモデル121において、複数の要素に共有されない辺(フリーエッジ)の構成節点を重複なく反時計回りに順番に並びかえた節点群を示す。干渉要素が削除された後のメッシュモデル121において、節点群124の構成節点を二つずつ順番にたどっていくと、二つの節点がいずれ接続されない箇所がある。それが、節点125である。さらに接続されない箇所が続いた後、再び二つの節点が接続される箇所がある。それが、節点126である。節点125と126は、干渉要素が削除された後のメッシュモデル121において新しくできたフリーエッジで構成される開ループ127の始点と終点である。言い換えると、開ループ127は、干渉要素が削除されたことによってフリーとなった(二つの要素によって共有されなくなった)複数の辺の集合である。
FIG. 11A illustrates an open loop extraction method.
図11(b)は、多角形の閉ループ(閉路)の抽出方法を説明するものである。本実施形態では、メッシュモデル121の開ループ(開路)127の両側の端点である節点125および126を、それぞれ、他方のメッシュモデル120の開ループ上(開路上)のいずれかの節点に接続することで、閉ループを形成する。このとき、端点125の接続先は、端点125を節点としてもつ要素と干渉するとして削除されたメッシュモデル120上
の干渉要素(130a、130b、130c)を構成していた節点のなかで、端点125にもっとも距離が近いものが選ばれる。端点126の接続先の節点も同じように選ばれる。
FIG. 11B illustrates a method of extracting a polygonal closed loop (closed circuit). In the present embodiment, the
より詳しく説明する。図11(b)において、節点128と129は、前述の開ループ127の端点である節点125および126がそれぞれ、干渉要素が削除される前にフリーエッジを介して接続されていた節点である。灰色で塗りつぶしてある要素130a、130b、130cは、メッシュモデル120において干渉要素として削除された要素であり、節点128と節点125を結ぶ線分131に交差する要素である。この要素130a、130b、130cを構成する節点で且つ干渉節点でない節点のうち、もっとも節点125と距離の近い節点である132を節点125との接続候補とする。同様に要素133は、節点126と節点129を結ぶ線分134に交差する要素であるから、要素133を構成する節点で且つ干渉節点でない節点のうち、もっとも節点126に近い節点である135を節点126との接続候補とする。開ループ127と、節点135から節点132までメッシュモデル120上のフリーエッジをたどったときの開ループとを、節点125と132を結んだ線分と、節点129と135を結んだ線分とで接続すれば、多角形の閉ループ145が得られる。
This will be described in more detail. In FIG. 11 (b),
図11(c)は、前述の多角形抽出を、メッシュモデル120のフリーエッジおよび開ループ136側から行ったものである。開ループの始点137および終点132の接続候補は、それぞれ、メッシュモデル121の節点138と125である。これによって、多角形の閉ループ146が得られる。図11(b)で得られた閉ループ145と、図11(c)で得られた閉ループ146は同一でないことがわかる。最終的に採用する多角形の閉ループは、これらの仮の接続候補の抽出結果を用いて、閉ループを構成する節点の数が少なくなるように決定する。メッシュモデル121側の開ループの始点候補は125、終点候補は126あるいは138である。一方、メッシュモデル120側の開ループの始点候補は132、終点候補は135あるいは137である。ここで、最終的に抽出する閉ループを構成する開ループは、それぞれのメッシュモデルにおいて始点と終点とをフリーエッジに沿ってつないだ長さが最短となるように選ぶ。すなわち、メッシュモデル121側の開ループの始点と終点は125と126(125と138よりも短い)であり、メッシュモデル120側の開ループの始点と終点は132と135(132と137よりも短い)である。最終的に、節点125から126までフリーエッジに沿って抽出した開ループと、節点132から135までフリーエッジに沿って抽出した開ループを、節点125と132との線分および、節点126と135との線分で接続することで、多角形の閉ループを抽出することができる。この場合は、結果的に図11(b)の145が多角形の閉ループとなる。
FIG. 11C illustrates the polygon extraction described above performed from the free edge and
図11(d)は、全ての開ループに対して同様に多角形の閉ループを抽出する方法を示したものである。メッシュモデル121の開ループ127の終点であった節点126を開始点として、節点群124の構成節点を二つずつ順番にたどっていくと、二つの節点がいずれ接続されない節点がある。さらに接続されない箇所が続いた後、再び二つの節点が接続される節点がある。このそれぞれの節点を始点、終点とした開ループが図11(d)で示す151である。開ループ127と同様の処理で多角形抽出を行うことにより、多角形の閉ループ147が得られる。このように、干渉要素が削除されることによってできた全ての開ループをフリーエッジに沿って抽出し、その開ループに対して多角形の閉ループを作成することで、全てのメッシュモデルを結合することができる。
FIG. 11D shows a method for extracting a polygonal closed loop in the same manner for all open loops. Starting from the
このような多角形(閉ループ)を抽出する方法は、ここで示した処理方法に厳格に従う必要はなく、干渉要素の削除によって新しくできた開ループを用いて、二つのメッシュモデルを結合するような閉ループを作成できればよい。また、端点を接続する際に、元のメ
ッシュモデルの形状をさらに忠実に再現するために、例えば節点26と30の間に元のメッシュモデルの形状の上に位置する節点を追加してもよい。
The method of extracting such a polygon (closed loop) does not need to strictly follow the processing method shown here, and uses a new open loop created by deleting interference elements to combine two mesh models. It suffices if a closed loop can be created. Further, when connecting the end points, in order to more faithfully reproduce the shape of the original mesh model, for example, a node located on the shape of the original mesh model may be added between the
要素充填部13は、多角形抽出部12で抽出された多角形31を要素で充填する機能である。多角形31を要素で充填する方法としては、境界条件付きのデローニー分割法を用いることができる。境界条件付きとは、もともとの多角形の形状を破壊しないようにデローニーのアルゴリズムによって節点同士を接続する方法である。多角形を要素で充填する方法は、デローニー分割に限ったものでなく、他にアドバンシング・フロント法など別のアルゴリズムも知られているので適当な方法を用いればよい。
The
節点削除部14は、不要な節点を削除する。不要な節点というのは、図4、図6、図7でいえば、灰色で塗りつぶされた節点22のことである。
The
15は、全体制御部である。全体制御部15は、データの入力、上述した各機能の実行制御、非定常時間反復処理、各種判定処理、データ出力などを行うものである。
<メッシュモデル作成処理>
図3は、メッシュモデルの作成処理を説明するフローチャートである。
全体制御部15は、はじめにS1のデータ入力を行う。S1では、ユーザーは、初期のメッシュモデルファイルを入力部1によって入力する。メッシュモデルファイルは、メッシュモデルを構成する節点及び要素が定義されている電子データである。節点は固有の番号と座標値のデータを持ち、要素は、構成される節点群の固有の番号を持つ。また、S1では、流体のふるまいを決める計算データを入力する。これは、支配方程式の解を求める際に使うものであり、粘性係数などの物性値や、境界条件である。計算データは支配方程式に依存するものであり、支配方程式が変わる場合はそれに応じたデータを入力する必要がある。例えば粘弾性の場合は、粘性のほか緩和時間などが必要になる。
<Mesh model creation process>
FIG. 3 is a flowchart for explaining mesh model creation processing.
The
S2では、支配方程式計算部8が、S1で取得した初期条件などのデータに基づく数値計算により支配方程式の解を求める。これによって、メッシュモデルの全節点の速度と圧力が求まる。さらに、界面の変形が初期に比べて大きくなると、リメッシュによって節点や要素の総数や座標値が変化する。
In S2, the governing
S3では、干渉判定部10が、S2の結果で得られたメッシュモデルをもとに、干渉要素を抽出する。全体制御部15は、全要素について削除要素判定情報として1byteずつの記憶領域を確保し、干渉判定部10において抽出された要素のフラグを格納する。干渉判定部10の判定処理は、前述のとおりである。
In S3, the
S4では、全体制御部15が、各メッシュモデルにおいて、フリーエッジの構成節点を重複なく反時計回りに順番に並びかえ、そのループの節点の総数と、並びかえた後の節点の番号の情報を記憶する。この情報は、次ステップS5において使用される。要素削除部11は、前記削除要素判定情報をもとに、干渉要素をすべて削除する。
In S4, the
S5では、多角形抽出部12が、干渉部分を結合する多角形を抽出する。処理は前述のとおりである。この結果、多角形の総数、それぞれの多角形の構成節点数、多角形の構成節点番号を反時計回りに順番に並べた配列などが、多角形情報として作成、記憶される。
In S5, the
S6では、要素充填部13が、多角形情報をもとに、すべての多角形を要素で充填する。その後、どの要素にも共有されなくなった不要な節点は、節点削除部14において削除される。
In S6, the
計算が所望の時刻まで終了すればS7において、保存部6にデータを出力する。また、計算結果はディスプレイやプリンタなどの出力部7にも出力される。
計算終了でなければ、全体制御部15は、S8において時間ステップの更新を行う。S8では、全体制御部15は、新しく発生した節点や移動した節点に対し、速度、圧力の情報を付与する。次時間ステップの計算でこれらの情報が必要となるからである。なお、新しく発生した節点や移動した節点の速度及び圧力は、周辺の要素(節点)における前時間ステップの値を補間して求めるとよい。その後、再びS2からS6を行う。
If the calculation is completed until a desired time, data is output to the
If the calculation is not finished, the
<実施例>
球形の樹脂が積まれた状態を剛体で押しつぶす計算を行った例を示す。球形の樹脂は電子写真方式の画像形成装置におけるトナー粒子を想定しており、そのトナー粒子が潰されて変形する状態を計算するものである。図8は、その計算に使用した初期形状のメッシュモデルである。計算は、x軸(横方向)とy軸(縦方向)の二次元座標系で行った。すなわち樹脂は円筒形であるといえる。
ここで、樹脂40は、直径6μm、粘性係数は100000poise(=10MPa・sec)とした。トナーは実際には粘弾性体であり、温度に対して粘度が変化する物質であるが、ここでは一定粘度の粘性流体とした。トナーを粘弾性体として取り扱う場合は、式2の粘性応力項を適当な粘弾性構成方程式を用いて表せばよい。また、温度依存性は、WLF則(Williams-Landel-Ferry則)などを用いて表せばよい。
<Example>
The example which calculated by crushing the state where the spherical resin was piled up with a rigid body is shown. The spherical resin assumes toner particles in an electrophotographic image forming apparatus, and calculates the state in which the toner particles are crushed and deformed. FIG. 8 is a mesh model of an initial shape used for the calculation. The calculation was performed in a two-dimensional coordinate system of x-axis (horizontal direction) and y-axis (vertical direction). That is, the resin can be said to be cylindrical.
Here, the
樹脂40と剛体41の接触部に、y軸方向に−0.02cm/secの速度を境界条件として与えた。同様に樹脂40と剛体42の接触部には、0cm/secの速度を与えている。43は周期境界条件である。
計算結果を図9に示す。図9の(a)、(b)、(c)、(d)は、それぞれ、6msec後、15msec後、25msec後、30msec後のメッシュモデルと速度ベクトルである。トナーの粒子のメッシュモデル同士が結合し、メッシュモデルの不具合なく計算がおこなえていることがわかる。
A velocity of −0.02 cm / sec in the y-axis direction was given as a boundary condition to the contact portion between the
The calculation results are shown in FIG. (A), (b), (c), and (d) in FIG. 9 are the mesh model and velocity vector after 6 msec, 15 msec, 25 msec, and 30 msec, respectively. It can be seen that the mesh models of the toner particles are coupled to each other and the calculation can be performed without any defect of the mesh model.
7:出力部、8:支配方程式計算部、9:メッシュモデル修正部、10:干渉判定部、11:要素削除部、12:多角形抽出部、13:要素充填部 7: output unit, 8: governing equation calculation unit, 9: mesh model correction unit, 10: interference determination unit, 11: element deletion unit, 12: polygon extraction unit, 13: element filling unit
Claims (10)
コンピュータが、第1のメッシュモデルと第2のメッシュモデルそれぞれの節点の座標値を取得する取得ステップと、
コンピュータが、第1のメッシュモデルと第2のメッシュモデルの干渉を判定し、第1のメッシュモデルに干渉する要素及び第2のメッシュモデルに干渉する要素を干渉要素として抽出する干渉判定ステップと、
コンピュータが、抽出した干渉要素を削除する要素削除ステップと、
コンピュータが、干渉要素が削除された第1及び第2のメッシュモデルを接続するための多角形を抽出する多角形抽出ステップと、
コンピュータが、抽出した多角形を要素で充填する要素充填ステップと、
コンピュータが、要素で充填された多角形で互いに接続された第1及び第2のメッシュモデルを新たなメッシュモデルとして出力部に出力する出力ステップと、を含み、
前記干渉判定ステップでは、他の要素の内部、又は、節点上若しくは辺上に存在する節点をもつ要素が、干渉要素として抽出されることを特徴とするメッシュモデル作成方法。 A mesh model creation method for reconstructing a mesh model when mesh models interfere with each other in the finite element method,
An acquisition step in which a computer acquires coordinate values of nodes of each of the first mesh model and the second mesh model;
An interference determining step in which a computer determines interference between the first mesh model and the second mesh model, and extracts an element interfering with the first mesh model and an element interfering with the second mesh model as interference elements;
An element deletion step in which the computer deletes the extracted interference element;
A polygon extraction step of extracting a polygon for connecting the first and second mesh models from which the interference elements have been deleted;
An element filling step in which the computer fills the extracted polygon with elements;
An output step of outputting, as a new mesh model, a first mesh model and a second mesh model connected to each other by polygons filled with elements to the output unit;
In the interference determination step, an element having a node existing inside another element or on a node or a side is extracted as an interference element.
第1のメッシュモデルにおける開路の端点を第2のメッシュモデルにおける開路上の節点に接続するように形成した閉路と、第2のメッシュモデルにおける開路の端点を第1のメッシュモデルにおける開路上の節点に接続するように形成した閉路とがそれぞれ計算され、
得られた2つの閉路が互いに異なる場合には、閉路を構成する節点の数が少ない方の閉路が選ばれることを特徴とする請求項4又は5に記載のメッシュモデル作成方法。 In the polygon extraction step,
A closed circuit formed so as to connect an end point of the open circuit in the first mesh model to a node on the open circuit in the second mesh model, and an end point of the open circuit in the second mesh model is a node on the open circuit in the first mesh model Each of the cycles formed to connect to
6. The mesh model creation method according to claim 4, wherein when two obtained cycles are different from each other, a cycle having a smaller number of nodes constituting the cycle is selected.
コンピュータが、前記数値計算により得られた前記物体のメッシュモデルに対して、請求項1〜6のいずれか1項に記載のメッシュモデル作成方法を用いてメッシュモデルの再構築を実行することを特徴とする解析方法。 In an analysis method in which the computer analyzes the behavior of an object having a free surface by numerical calculation by the finite element method,
The computer executes reconstruction of a mesh model using the mesh model creation method according to any one of claims 1 to 6, with respect to the mesh model of the object obtained by the numerical calculation. Analysis method.
第1のメッシュモデルと第2のメッシュモデルそれぞれの節点の座標値を取得する取得部と、
第1のメッシュモデルと第2のメッシュモデルの干渉を判定し、第1のメッシュモデルに干渉する要素及び第2のメッシュモデルに干渉する要素を干渉要素として抽出する干渉判定部と、
抽出した干渉要素を削除する要素削除部と、
干渉要素が削除された第1及び第2のメッシュモデルを接続するための多角形を抽出する多角形抽出部と、
抽出した多角形を要素で充填する要素充填部と、
要素で充填された多角形で互いに接続された第1及び第2のメッシュモデルを新たなメッシュモデルとして出力する出力部と、を含み、
前記干渉判定部は、他の要素の内部、又は、節点上若しくは辺上に存在する節点をもつ要素を、干渉要素として抽出することを特徴とするメッシュモデル作成装置。 A mesh model creation device that reconstructs a mesh model when mesh models interfere with each other in the finite element method,
An acquisition unit for acquiring coordinate values of nodes of each of the first mesh model and the second mesh model;
An interference determination unit that determines interference between the first mesh model and the second mesh model, and extracts an element that interferes with the first mesh model and an element that interferes with the second mesh model as an interference element;
An element deletion unit for deleting the extracted interference element;
A polygon extraction unit for extracting a polygon for connecting the first and second mesh models from which the interference element is deleted;
An element filling unit for filling the extracted polygon with elements;
An output unit for outputting the first and second mesh models connected to each other by polygons filled with elements as a new mesh model, and
The said interference determination part extracts the element which has the node which exists in the inside of another element, or on a node or a side as an interference element, The mesh model production apparatus characterized by the above-mentioned.
Priority Applications (1)
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CN116305418A (en) * | 2023-02-13 | 2023-06-23 | 中交四航工程研究院有限公司 | A conversion method from grid structure BIM model and point cloud model to finite element model |
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