JP2005044146A - Finite element analysis method, program and device - Google Patents

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Akira Tezuka
明 手塚
Junichi Matsumoto
純一 松本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the period of mesh design based on the numerical simulations of computer assisted engineering (CAE) diversified by finite element method, even if nodes between partial areas are discontinuous, and to increase the efficiency of mesh design. <P>SOLUTION: This finite element analysis method comprises inputting predetermined area shape data for numerical analysis; designating a division number for dividing a simple shape area that can be mapped, where the area shape data are broken up by the breaking up of the area shape data into the simple shape area; dividing the simple shape area into elements using a mapping method based on the designated division number; creating a discontinuous mesh of the entire predetermined area shape data based on each simple shape area subsequently divided into elements by the mapping method; executing high-precision finite element analysis that permits the generated discontinuous mesh and that does not bind discontinuous node behaviors with surrounding continuous node behaviors; and outputting the analysis results. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、3次元非連続メッシュを許容する有限要素解析方法、有限要素解析プログラムおよび有限要素解析装置に関する。   The present invention relates to a finite element analysis method, a finite element analysis program, and a finite element analysis apparatus that allow a three-dimensional discontinuous mesh.

3次元有限要素解析においては、精度や計算効率の観点から六面体有限要素が主に用いられている。六面体有限要素のための全自動分割手法は未提案のため、図21に示すような写像法による対話式自動分割が産業界で用いられている。また、従来から、複雑任意形状の領域を写像可能な単純形状に分け、非連続節点が生じないように分割数を調整して部分領域毎に要素生成をおこなうという写像法の基本アルゴリズムを踏襲した技術が開示されている。   In the three-dimensional finite element analysis, hexahedral finite elements are mainly used from the viewpoint of accuracy and calculation efficiency. Since a fully automatic division method for hexahedral finite elements has not been proposed, interactive automatic division using a mapping method as shown in FIG. 21 is used in the industry. In addition, the basic algorithm of the mapping method has been followed, in which the area of complex arbitrary shape is divided into simple shapes that can be mapped, and the number of divisions is adjusted so that discontinuous nodes do not occur, and element generation is performed for each partial area. Technology is disclosed.

たとえば、2次元モデル、2次元モデルをスイープさせた2.5次元モデル、3次元空間上のシェルモデルのみに適用可能であるが、3次元モデルには適用不可能な技術については、下記特許文献1〜4に開示されている。また、複雑任意形状の領域を写像可能な単純形状に分ける対話的作業の効率改善あるいはパターンを限定して自動化する技術については、下記特許文献5に開示されている。   For example, a technology that can be applied only to a two-dimensional model, a 2.5-dimensional model obtained by sweeping a two-dimensional model, and a shell model in a three-dimensional space, but cannot be applied to a three-dimensional model is disclosed in the following patent document. 1-4. Further, a technique for improving the efficiency of interactive work for dividing an area having a complicated arbitrary shape into a simple shape that can be mapped or limiting the pattern to be automated is disclosed in Patent Document 5 below.

また、非連続節点が生じないように部分領域毎の分割数の調整をおこなう対話的作業の効率改善、パターンを限定した自動化、あるいは計算効率を無視して自動化する技術については、下記特許文献6〜15に開示されている。また、部分領域毎の非連続節点の発生を許容するものの精度低下が保証されている節点拘束法に基づく技術については、下記特許文献16および17に開示されている。   Further, regarding the technology for improving the efficiency of interactive work for adjusting the number of divisions for each partial region so that discontinuous nodes do not occur, automation for limiting the pattern, or ignoring the calculation efficiency, the following Patent Document 6 ~ 15. In addition, technologies based on the nodal constraint method that allows the generation of discontinuous nodal points for each partial area but guarantees a reduction in accuracy are disclosed in Patent Documents 16 and 17 below.

また、六面体要素のみではなく、精度の低下が保証されている四面体要素をも導入する技術については、下記特許文献18および19に開示されている。また、トポロジー的には六面体要素メッシュ生成が可能となるが、要素形状が悪いために精度上問題がある技術については、下記特許文献20に開示されている。   Moreover, the technique which introduces not only the hexahedron element but also the tetrahedron element whose accuracy is guaranteed to be reduced is disclosed in Patent Documents 18 and 19 below. In addition, a hexahedral element mesh can be generated in terms of topology, but a technique that has a problem in accuracy due to a poor element shape is disclosed in Patent Document 20 below.

特開平3−75970号公報JP-A-3-75970 特開平3−265978号公報JP-A-3-265978 特開平5−73647号公報JP-A-5-73647 特開平6−266811号公報Japanese Patent Laid-Open No. 6-266811 特開平4−222061号公報Japanese Patent Laid-Open No. 4-222061 特開平3−265978号公報JP-A-3-265978 特開平4−335475号公報JP-A-4-335475 特開平4−241073号公報Japanese Patent Laid-Open No. 4-241073 特開平5−73647号公報JP-A-5-73647 特開平8−320948号公報JP-A-8-320948 特開平9−282491号公報JP-A-9-282491 特開平11−96398号公報JP-A-11-96398 特開平11−224352号公報JP-A-11-224352 特開2000−105842号公報JP 2000-105842 A 特開2002−140373号公報JP 2002-140373 A 特開平10−334276号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-334276 特開2000−40166号公報JP 2000-40166 A 特開平8−16629号公報JP-A-8-16629 特開2001−76029号公報JP 2001-76029 A 特開平7−121579号公報JP-A-7-121579

上述したように、3次元有限要素解析では、精度や計算効率の観点から六面体有限要素が主に用いられているが、六面体有限要素のための全自動分割手法は学会でも未提案のため、写像法による対話式自動分割が産業界で用いられている。したがって、上述した特許文献1〜20に開示された従来技術では、メッシュ生成に数ヶ月オーダーの作業時間を要し、これが設計プロセスのボトルネックとなっているという問題があった。   As described above, hexagonal finite elements are mainly used in 3D finite element analysis from the viewpoint of accuracy and computational efficiency, but a fully automatic segmentation method for hexahedral finite elements has not been proposed by academic societies. Interactive automatic division by law is used in industry. Therefore, the conventional techniques disclosed in Patent Documents 1 to 20 described above have a problem that it takes several months of work time for mesh generation, which is a bottleneck of the design process.

また、写像法では、複雑任意形状の領域を写像可能な単純形状に分け、非連続節点が生じないように分割数を調整して部分領域毎に要素生成をおこなう必要があり、メッシュ生成作業効率低下の原因となっている。   In addition, the mapping method requires that complex arbitrary shaped regions be divided into simple shapes that can be mapped, and that the number of divisions be adjusted so that discontinuous nodes do not occur, and that element generation be performed for each partial region. This is the cause of the decline.

また、従来から有限要素解析で非連続節点を扱う手法として、節点線型拘束法が知られているが、線形拘束による精度の低下が問題とされている。また、メッシュを必要としないElement-free Galerkin法(EFGM)では非連続節点の扱いが可能であるが、節点分布が非均質であるため、有効な影響範囲の決定が困難である場合が存在し、精度が保障されないことが明らかになっている。   In addition, a nodal linear constraint method is conventionally known as a method for handling discontinuous nodes in finite element analysis, but a problem of deterioration in accuracy due to linear constraints is a problem. In addition, the Element-free Galerkin method (EFGM) that does not require a mesh can handle discontinuous nodes. However, since the node distribution is inhomogeneous, it may be difficult to determine the effective influence range. It is clear that accuracy is not guaranteed.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、部分領域間の節点が非連続であっても、有限要素法によって多用化される計算援用工学(CAE)の数値シミュレーションによるメッシュ設計期間の短縮化を図るとともに、メッシュ設計の効率化を図ることができる有限要素解析装置を提供することを目的とする。   In order to solve the above-described problems caused by the prior art, the present invention provides a mesh design period based on numerical simulation of computational aided engineering (CAE) that is frequently used by the finite element method even if the nodes between the partial regions are discontinuous. An object of the present invention is to provide a finite element analysis apparatus capable of reducing the mesh size and improving the efficiency of mesh design.

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明の有限要素解析方法、有限要素解析プログラムおよび有限要素解析装置は、数値解析対象となる所定の領域形状データを入力し、入力された領域形状データが、写像法によって写像可能な単純形状領域へ分解されたことにより、前記領域形状データが分解された単純形状領域を分割する分割数を指定し、指定された分割数に基づいて、前記写像法により、前記単純形状領域を要素分割し、前記写像法によって要素分割された各単純形状領域に基づいて、前記所定の領域形状データ全体の非連続メッシュを生成し、生成された非連続メッシュを許容する有限要素解析を実行し、解析された解析結果を出力することを特徴とする。また、分割数の指定は、非連続節点が生じる条件下においておこなうこととしてもよい。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a finite element analysis method, a finite element analysis program, and a finite element analysis apparatus according to the present invention input predetermined region shape data to be numerically analyzed, and input regions When the shape data is decomposed into simple shape regions that can be mapped by the mapping method, the number of divisions for dividing the simple shape region into which the region shape data is decomposed is specified, and based on the specified number of divisions, The simple shape area is divided into elements by a mapping method, and a non-continuous mesh of the entire predetermined area shape data is generated based on each simple shape area divided into elements by the mapping method. Finite element analysis is performed, and the analyzed analysis result is output. In addition, the number of divisions may be specified under conditions where discontinuous nodes are generated.

この発明によれば、複数の部分領域毎に生成された写像型メッシュに対し、部分領域間の節点が非連続になっている場合にも有効で、EFGMとのカップリング応用に見られるようなパラメータ依存性がなく、数学的にもロバストにすることができる。また、部分領域間の不連続メッシュ部分に適用可能な、blending shape functionライクな挙動をするserendipity近似関数を要素表面での局所メッシング、要素内パーティショニングによる数値積分を介して構築することができる。   According to the present invention, the mapping type mesh generated for each of a plurality of partial areas is effective even when the nodes between the partial areas are discontinuous, and can be seen in a coupling application with EFGM. There is no parameter dependence and it can be made mathematically robust. In addition, a serendipity approximation function that behaves like a blending shape function and can be applied to discontinuous mesh portions between partial regions can be constructed through local meshing on the element surface and numerical integration by intra-element partitioning.

この発明にかかる有限要素解析方法、有限要素解析プログラムおよび有限要素解析装置によれば、部分領域間の節点が非連続であっても、有限要素法によって多用化される計算援用工学(CAE)の数値シミュレーションによるメッシュ設計期間の短縮化を図るとともに、メッシュ設計の効率化を図ることができるという効果を奏する。   According to the finite element analysis method, the finite element analysis program, and the finite element analysis apparatus according to the present invention, even if the nodes between the partial regions are discontinuous, the computer aided engineering (CAE) that is frequently used by the finite element method is used. The mesh design period by numerical simulation can be shortened, and the mesh design can be made more efficient.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる有限要素解析方法、有限要素解析プログラムおよび有限要素解析装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。まずはじめに、メッシュを必要としないElement-free Galerkin法(EFGM)の影響範囲依存性について説明する。   Exemplary embodiments of a finite element analysis method, a finite element analysis program, and a finite element analysis apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. First, the influence range dependency of the Element-free Galerkin method (EFGM) that does not require a mesh will be described.

Element-free Galerkin法(EFGM)は、概念的には、解析領域内部のすべての位置に対して、移動最小二乗法(Moving least squires method,MLSM)による近似関数を定義することにより、領域全体で連続な近似関数に対してGalerkin法を適用する手法である。そして、近似関数構築の際、通常の有限要素法(Finite Element Method、FEM)とは異なり、有限要素(メッシュ)の存在を前提としない。   The Element-free Galerkin method (EFGM) is conceptually defined by defining an approximate function using the moving least squires method (MLSM) for all positions within the analysis region. This is a method that applies the Galerkin method to continuous approximation functions. When an approximate function is constructed, unlike a normal finite element method (Finite Element Method, FEM), the existence of a finite element (mesh) is not assumed.

MLSMでは、具体的には、積分点xでの物理量の近似関数が下記式(1)で表されるとき、積分点xから一定距離(影響範囲)内の節点群に関して、下記式(2)で定義される評価関数Jを最小化した時の係数aJによって、EFG(Element-free Galerkin)近似関数Φh Iを得る。 In MLSM, specifically, when the approximate function of the physical quantity at the integration point x is expressed by the following formula (1), the following formula (2) is obtained for a node group within a certain distance (influence range) from the integration point x. An EFG (Element-free Galerkin) approximation function Φ h I is obtained by the coefficient a J when the evaluation function J defined in (1) is minimized.

Figure 2005044146
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Figure 2005044146
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ここで、pJは近似関数の基底、mは基底の数、nは影響範囲内の節点数、内挿節点Iに対し、xIは座標、Φh IはEFG近似関数、uIは物理量,wIは重み関数である。EFGMでは、概念的には領域内で連続な近似関数を定義しているが、アルゴリズム上は剛性マトリックス構築での数値積分点の周りでMLSMをおこなうことで、近似的に領域内連続性を実現しており、近似関数の基底次数以上の精度が保証されている。重み関数wIは積分点xと節点との関数であり、例えば,下記式(3)で表され、連続性の条件より影響範囲境界上で0となっている。ここで、dmIは影響範囲半径、dIは積分点xと節点Iとの距離である。 Here, p J is the basis of the approximate function, m is the number of bases, n is the number of nodes in the influence range, x I is the coordinate, Φ h I is the EFG approximate function, and u I is the physical quantity. , W I is a weight function. EFGM conceptually defines a continuous approximation function within a region, but on the algorithm, MLSM is performed around numerical integration points in the construction of a stiffness matrix to approximately achieve continuity within the region. The accuracy of the approximate function is more than the basic order. The weight function w I is a function of the integration point x and the node, and is expressed by, for example, the following expression (3), and is 0 on the boundary of the influence range due to the continuity condition. Here, d mI is the radius of influence, and d I is the distance between the integration point x and the node I.

Figure 2005044146
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この手法は最小二乗法の一種ゆえ、以下の性質を有している。
(1) 関数導出には、最小限、基底数m以上の節点数が影響範囲に必要である。すべての影響範囲節点が積分点を含まない線・面上に存在する時にはMLSMは不可能である。
(2) EFG近似関数はクロネッカデルタの条件を満たさず、影響範囲の節点数の増加と共に平滑化された関数となる。
Since this method is a kind of least square method, it has the following properties.
(1) For function derivation, the number of nodes with a base number of m or more is necessary for the influence range. MLSM is impossible when all the influence range nodes exist on a line / plane not including the integration point.
(2) The EFG approximation function does not satisfy the Kronecker delta condition, and becomes a smoothed function as the number of nodes in the influence range increases.

非連続メッシュでは、積分点を含まない線・面上にすべての影響範囲節点が並ぶ場合(図1−1を参照)や、影響範囲を少し拡張しただけで必要以上の節点が同時に入り込み、EFG近似関数が平滑化される場合(図1−2を参照)が容易に起こりうる。また、MLSMは、言わばxyz空間の節点分布情報を、積分点から距離という1次元情報に一旦、置き換えてからEFG近似関数を導出するため、節点分布の非均質性を十分に反映した近似関数構築は困難である。各種の数値実験の結果、有効なEFG解を得るためのMLSMの条件は「基底数m以上の最小限の節点が積分点回りにバランス良く配置させること」との知見を得ている。したがって、非均質な節点分布となる非連続メッシュモデルにはEFGは不向きと言える。   In a discontinuous mesh, if all the influence range nodes are arranged on a line / plane that does not include integration points (see Fig. 1-1), or if the influence range is slightly expanded, more than necessary nodes enter at the same time. The case where the approximation function is smoothed (see FIG. 1-2) can easily occur. In addition, MLSM replaces the node distribution information in xyz space with one-dimensional information of distance from the integration point, and then derives the EFG approximation function, so that an approximate function construction that sufficiently reflects the inhomogeneity of the node distribution is constructed. It is difficult. As a result of various numerical experiments, it has been found that the MLSM condition for obtaining an effective EFG solution is “a minimum number of nodes having a basis number of m or more should be arranged in a balanced manner around the integration point”. Therefore, it can be said that EFG is not suitable for a discontinuous mesh model having a non-homogeneous node distribution.

つぎに、blending shape functionについて説明する。blending shape functionは中間節点に特異性を持つ折れ線型の形状関数である。1次元線分要素についての基本的な考え方を図2に示した。基本的には、階層的形状関数構築アルゴリズムにおいて、中間節点関数として高次関数の代わりに折れ線型関数を導入することで、blending shape functionが導出可能である。   Next, the blending shape function will be described. The blending shape function is a polygonal shape function with singularity at the middle node. The basic concept of the one-dimensional line segment element is shown in FIG. Basically, in the hierarchical shape function construction algorithm, a blending shape function can be derived by introducing a polygonal function instead of a high-order function as an intermediate node function.

1つの中間節点を持つ1-singularタイプのものが2次元四辺形要素及び3次元六面体要素について提案されている。blending shape functionは中間節点で折れ曲がり挙動をするために、局所的に要素内を細分化して数値積分をおこなう必要がある。この細分化は数値積分のためだけであり、自由度は付加されない。   A 1-singular type with one intermediate node has been proposed for 2D quadrilateral elements and 3D hexahedral elements. The blending shape function bends at intermediate nodes, so it is necessary to subdivide the elements locally and perform numerical integration. This subdivision is only for numerical integration, and no degree of freedom is added.

さて、上記の1-singularタイプのフォーミュレーションは、局所座標系に対して規則正しい節点分布にのみ適用可能であり、2個以上の任意配置の中間節点を持つ3次元要素に対して、blending shape functionを同様に式で表すことは不可能である。辺上節点については、1-singularタイプのアルゴリズムを発展させ、積分点の位置判定を組み込むことで発展可能である。例えば、図3に示すQUAD6の場合、近似関数Niの導出は、以下のアルゴリズムで可能である。   Now, the above 1-singular type formulation can be applied only to the regular node distribution with respect to the local coordinate system, and the blending shape for a 3D element having two or more arbitrarily arranged intermediate nodes. It is impossible to express function in the same way. The edge nodes can be developed by developing a 1-singular type algorithm and incorporating integration point position determination. For example, in the case of QUAD6 shown in FIG. 3, the approximation function Ni can be derived by the following algorithm.

図3に示すように、辺上に中間節点が非等間隔に並んでいる場合にはabs関数の適用が不可能となるため、中間節点と隣接節点との折れ線を積分点位置に関するif文により個別に記述することになる(図4を参照)。面上の任意位置に中間節点が分布する場合にはif文を用いたとしても関数形で表現することが不可能となるため、中間節点と周囲の節点群とで局所的な三角形群生成をおこなう。   As shown in FIG. 3, the abs function cannot be applied when the intermediate nodes are arranged at non-uniform intervals on the side. Therefore, the broken line between the intermediate node and the adjacent node is expressed by an if statement regarding the integration point position. It will be described individually (see FIG. 4). When intermediate nodes are distributed at arbitrary positions on the surface, even if an if statement is used, it cannot be expressed in a functional form, so local triangle groups are generated between the intermediate nodes and surrounding nodes. Do it.

もし、積分点が三角形群に含まれる場合には、中間節点を高さ1の頂点とする三角形群からなる多角錐に対して積分点での高さを算出し、階層的要素近似関数生成アルゴリズムに入れ込むということになる。この場合、節点に対する三角形群の範囲は一種の影響範囲と考えることができる。ゆえに、三角形分割に際しては、図5の左よりも右のような分割が望ましい。   If the integration point is included in the triangle group, the height at the integration point is calculated for the polygonal pyramid consisting of the triangle group with the intermediate node as the vertex of height 1, and the hierarchical element approximation function generation algorithm It will be put in. In this case, the range of the triangle group with respect to the node can be considered as a kind of influence range. Therefore, in the triangulation, the right division is more preferable than the left in FIG.

図5に示すように、このような局所的三角形分割のアルゴリズムとしては、以下のようなものが考えられる。
(1) 中心となる節点Pから最近傍の節点Aを探索。
(2) 線分P−Aに対して迎え角最大となる節点Bを探索し、三角形P−A−Bを生成。
(3) 線分P−Bに対して(2)のプロセスをおこなう。
(4) 三角形分割が閉じるまで、上記の(1)〜(3)のプロセスをおこなう。
As shown in FIG. 5, the following algorithm is conceivable as such a local triangulation algorithm.
(1) Search for the nearest node A from the central node P.
(2) The node B having the maximum angle of attack with respect to the line segment P-A is searched, and a triangle PA-B is generated.
(3) The process (2) is performed on the line segment P-B.
(4) The above processes (1) to (3) are performed until the triangulation is closed.

以上の局所三角形群生成を要素面上のすべての節点についておこなう。一般に局所三角形群の分割パターンは異なっており、数値積分のための要素内細分化のためには、すべての面節点に対する三角形群を重ね合わせ、交差した部分は細分化処理した三角形群と要素重心とで四面体を形成し、その四面体毎に数値積分をおこなうことになる。   The above local triangle group generation is performed for all nodes on the element plane. In general, the division pattern of local triangle groups is different. For subdivision within elements for numerical integration, triangle groups for all surface nodes are overlapped, and the intersected parts are subdivided triangle groups and element centroids. A tetrahedron is formed by and numerical integration is performed for each tetrahedron.

さて、このように数値的に形成するblending shape functionを、1-singularタイプの六面体blending shape functionと比較すると、値が微妙に異なるが、面上節点に関しての形状関数が、前者は三角形分割による線形関数となっているのに対して、後者は双線形関数で記述されているのは、このためである。   Now, comparing the numerically formed blending shape function with the 1-singular type hexahedral blending shape function, the values are slightly different, but the shape function for the nodes on the surface is linear by triangulation. This is why the latter is described as a bilinear function, whereas it is a function.

ゆえに、提案する要素面メッシング型任意blending shape function構築手法を3次元非連続メッシュ解析に用いる場合には、任意blending shape functionを適用する非連続メッシュ面の両サイドの要素面において同一節点周りの局所三角形分割パターンが同一である必要がある。   Therefore, when the proposed element surface meshing type arbitrary blending shape function construction method is used for 3D discontinuous mesh analysis, local areas around the same node on the element surfaces on both sides of the discontinuous mesh surface to which the arbitrary blending shape function is applied. The triangulation pattern must be the same.

この条件は非連続メッシュ面のC0連続性を満たすために必須である。なお、非連続メッシュへの対処法としては、非連続部分の六面体要素を四面体分割し、四面体要素近似関数を用いる方法も考えられるが、それに対して本手法は以下の長所を有している。
(1) 四面体要素近似関数を用いるには、非連続メッシュ部分の要素内部に自由度を持つ節点が余分に必要であるが、本手法では余分な自由度の付加は必要としない。
(2) 本手法では六面体要素を形成するベースの関数はtri-linearであるが、四面体分割群に四面体要素近似関数を適用した場合は単にlinearとなる。
(3) 四面体近似関数の精度は四面体要素形状の影響を受けやすく、不連続メッシュ部分の要素を四面体分割した場合、要素形状が不良となりやすい。
This condition is essential for satisfying the C0 continuity of the discontinuous mesh surface. As a method for dealing with discontinuous meshes, a method of dividing the hexahedral element of the discontinuous part into tetrahedrons and using a tetrahedral element approximation function is also conceivable, but this method has the following advantages. Yes.
(1) To use the tetrahedral element approximation function, extra nodes having degrees of freedom are required inside the elements of the discontinuous mesh portion, but this method does not require the addition of extra degrees of freedom.
(2) In this method, the base function for forming the hexahedral element is tri-linear, but when the tetrahedral element approximation function is applied to the tetrahedral division group, it is simply linear.
(3) The accuracy of the tetrahedral approximation function is easily affected by the tetrahedral element shape, and when the elements of the discontinuous mesh portion are divided into tetrahedrons, the element shape tends to be defective.

つぎに、補間性能をチェックする。図6に示すような98節点からなる六面体要素の各節点に適当な変位を与えたとき、その変位場をblending shape functionによって表現可能かどうか検証した。図7−1は、均質節点分布に対して、図4で示したようなif文を含む関数記述で補間した変位場である。   Next, the interpolation performance is checked. When an appropriate displacement was given to each node of a hexahedral element composed of 98 nodes as shown in FIG. 6, it was verified whether the displacement field could be expressed by a blending shape function. FIG. 7A is a displacement field obtained by interpolating a homogeneous node distribution with a function description including an if statement as shown in FIG.

図7−2は、この発明の要素面メッシング型任意blending shape functionのアルゴリズムで補間した変位場である。図7−3は、非均質節点分布に対して、この発明のアルゴリズムで補間した変位場である。前述した通り、非均質節点分布に対してはif文を含む関数記述は適用不可である。なお、図中のメッシュは変位場の表示のためだけに用いており、補間関数導出には用いていない。   FIG. 7-2 is a displacement field interpolated by the algorithm of the element surface meshing type arbitrary blending shape function of the present invention. FIG. 7-3 is a displacement field obtained by interpolating the non-homogeneous node distribution with the algorithm of the present invention. As described above, function descriptions including if statements are not applicable to non-homogeneous node distributions. The mesh in the figure is used only for displaying the displacement field and is not used for deriving the interpolation function.

つぎに、この発明の実施の形態にかかる有限要素解析処理手順について説明する。図8は、この発明の実施の形態にかかる有限要素解析処理手順を示すフローチャートである。まず、数値解析対象となる所定の領域形状データを入力する(ステップS801)。つぎに、入力された領域形状データを、写像可能な単純形状領域へ分解する(ステップS802)。この作業はオペレータの操作によっておこなう。   Next, a finite element analysis processing procedure according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a flowchart showing a finite element analysis processing procedure according to the embodiment of the present invention. First, predetermined area shape data to be numerically analyzed is input (step S801). Next, the input region shape data is decomposed into simple shape regions that can be mapped (step S802). This operation is performed by an operator's operation.

つぎに、領域形状データが分解された単純形状領域について、その単純形状領域を分割する分割数を指定する(ステップS803)。そして、指定された分割数に基づいて、写像法によって、単純形状領域を要素分割する(ステップS804)。この後、写像法によって要素分割された各単純形状領域に基づいて、所定の領域形状データ全体の非連続メッシュを生成する(ステップS805)。   Next, for the simple shape region obtained by decomposing the region shape data, the number of divisions for dividing the simple shape region is designated (step S803). Then, based on the designated number of divisions, the simple shape region is divided into elements by the mapping method (step S804). Thereafter, a discontinuous mesh of the entire predetermined region shape data is generated based on each simple shape region divided into elements by the mapping method (step S805).

ここで、生成された非連続メッシュ間の境界条件などの解析条件を付加する(ステップS806)。そして、生成された非連続メッシュを許容する有限要素解析を実行する(ステップS807)。この後、解析された解析結果を出力する(ステップS808)。   Here, an analysis condition such as a boundary condition between the generated discontinuous meshes is added (step S806). Then, a finite element analysis that allows the generated discontinuous mesh is executed (step S807). Thereafter, the analyzed analysis result is output (step S808).

つぎに、この発明を組み込んだ有限要素解析例を示す。図9に、非連続メッシュの適用例を示す。図9−1は、弾性梁の3次元形状データ901を示す斜視図である。図9−2は、図9−1の弾性梁の3次元形状データ901に対して有限要素法を用いた例を示す説明図である。この図9−2では、連続メッシュとされており、節点数(ノード数)は341個、要素数は200個とされている。   Next, an example of finite element analysis incorporating the present invention will be shown. FIG. 9 shows an application example of a discontinuous mesh. FIG. 9A is a perspective view showing the three-dimensional shape data 901 of the elastic beam. FIG. 9B is an explanatory diagram illustrating an example in which the finite element method is used for the three-dimensional shape data 901 of the elastic beam in FIG. In FIG. 9-2, a continuous mesh is used, the number of nodes (number of nodes) is 341, and the number of elements is 200.

図9−3は、図9−1の弾性梁の3次元形状データ901に対して節点線形拘束法(ペナルティ拘束法、NLCM)を用いた例を示す説明図である。図9−4は、図9−2の弾性梁の3次元形状データに対して、EFGMを用いた例、すなわち、FEMとEFGMをカップリング(FE−EFGM)した例を示す説明図である。この図9−4では、非連続メッシュとされており、節点数(ノード数)は425個、要素数は232個、非連続節点数は54個とされている。この図9−1〜図9−4によれば、NLCMとEFGMとは、非均質節点分布に向いていないことが分かる。   FIG. 9C is an explanatory diagram illustrating an example in which the nodal linear constraint method (penalty constraint method, NLCM) is used for the three-dimensional shape data 901 of the elastic beam in FIG. FIG. 9-4 is an explanatory diagram illustrating an example in which EFGM is used for the three-dimensional shape data of the elastic beam in FIG. 9B, that is, an example in which FEM and EFGM are coupled (FE-EFGM). In FIG. 9-4, the mesh is discontinuous, the number of nodes (number of nodes) is 425, the number of elements is 232, and the number of discontinuous nodes is 54. According to FIGS. 9-1 to 9-4, it can be seen that NLCM and EFGM are not suitable for non-homogeneous node distribution.

図10および図11は、FEMとEFGMをカップリング(FE−EFGM)した場合の精度の影響範囲についてのパラメータ依存性を示すグラフである。この図10および図11によれば、EFGMの精度は、MLSの節点数に影響されることが分かる。   FIG. 10 and FIG. 11 are graphs showing the parameter dependence of the accuracy influence range when FEM and EFGM are coupled (FE-EFGM). 10 and 11, it can be seen that the accuracy of EFGM is affected by the number of nodes in the MLS.

つぎに、パイプが接合された板の3次元形状データの解析例について説明する。図12は、パイプが接合された板の3次元形状データ1200を示す斜視図である。図12に示す3次元形状データ1200に対し、連続メッシュを適用した例を図13に示す。図13では、節点数は5125個、要素数は3520個とされている。   Next, an analysis example of the three-dimensional shape data of the plates to which the pipes are joined will be described. FIG. 12 is a perspective view showing three-dimensional shape data 1200 of a plate to which pipes are joined. An example in which a continuous mesh is applied to the three-dimensional shape data 1200 shown in FIG. 12 is shown in FIG. In FIG. 13, the number of nodes is 5125 and the number of elements is 3520.

また、図12に示す3次元形状データ1200に対し、非連続メッシュを適用した例を図14に示す。図14では、パイプについては、節点数は3951個、要素数は2490個、拘束数は238個である。また、板については、節点数を4188個、要素数は2490個、拘束数は677個である。   FIG. 14 shows an example in which a discontinuous mesh is applied to the three-dimensional shape data 1200 shown in FIG. In FIG. 14, the pipe has 3951 nodes, 2490 elements, and 238 constraints. As for the plate, the number of nodes is 4188, the number of elements is 2490, and the number of constraints is 677.

つぎに、図13および図14に示す3次元形状データについて、板を浮き上がらせるようにして変形させた場合について説明する。図15および図16は、図13に示した、連続メッシュを適用した3次元形状データを変形させた例を示す斜視図である。図17および図18は、図14に示した、非連続メッシュを適用した3次元形状データを、FEM+ペナルティ拘束法によって変形させた例を示す斜視図である。   Next, the case where the three-dimensional shape data shown in FIGS. 13 and 14 is deformed so as to lift the plate will be described. 15 and 16 are perspective views showing an example in which the three-dimensional shape data to which the continuous mesh shown in FIG. 13 is applied is deformed. 17 and 18 are perspective views showing an example in which the three-dimensional shape data to which the discontinuous mesh shown in FIG. 14 is applied is deformed by the FEM + penalty constraint method.

また、図19および図20は、図14に示した、非連続メッシュを適用した3次元形状データを、この発明の手法によって変形させた例を示す斜視図である。この図12に示した3次元形状データ(パイプが接合された板)は、部分領域間の節点位置がほとんど一致しているものの、厳密には異なる位置にある非連続メッシュとなっており、ベンチマークとしては厳しい条件である。   FIGS. 19 and 20 are perspective views showing an example in which the three-dimensional shape data to which the discontinuous mesh shown in FIG. 14 is applied is deformed by the method of the present invention. The three-dimensional shape data shown in FIG. 12 (plates joined with pipes) are discontinuous meshes at strictly different positions, although the node positions between the partial areas are almost the same. It is a severe condition.

従来の節点拘束法では、図17および図18に示すように、非現実的な堅い挙動を示し、Element-free Galerkin法(EFGM)とFEMのカップリング(FE−EFGM)では解析自体不可能だったが、図19および図20では、提案手法では連続メッシュ(図15および図16)と同等の精度(変形)を示していることがわかる。   As shown in FIGS. 17 and 18, the conventional nodal constraint method shows unrealistic rigid behavior, and the element-free Galerkin method (EFGM) and FEM coupling (FE-EFGM) cannot be analyzed. However, in FIGS. 19 and 20, it can be seen that the proposed method shows the same accuracy (deformation) as the continuous mesh (FIGS. 15 and 16).

この発明の実施の形態によれば、従来の写像法よりも、生成効率の向上をはかることができる。また、部分領域間の節点が一致していない非連続メッシュの処理について、節点線形拘束法(ペナルティ拘束法、NLCM)、メッシュレス法であるElement-free Galerkin法(EFGM)およびFEMのカップリング(FE−EFGM)などの従来の手法よりも、高精度化を図ることができ、パラメータ依存性がなく,数学的にもロバストな手法を提供することができる。   According to the embodiment of the present invention, the generation efficiency can be improved as compared with the conventional mapping method. In addition, regarding the processing of discontinuous meshes where the nodes between the partial areas do not match, the nodal linear constraint method (penalty constraint method, NLCM), the mesh-less Element-free Galerkin method (EFGM), and FEM coupling ( Higher accuracy than conventional methods such as FE-EFGM) can be achieved, and there is no parameter dependency, and a mathematically robust method can be provided.

また、部分領域間の不連続メッシュ部分に適用可能な,blending shape functionライクな挙動をするserendipity近似関数を要素表面での局所メッシング、要素内パーティショニングによる数値積分を介して構築することができる。   In addition, a serendipity approximation function that behaves like a blending shape function that can be applied to discontinuous mesh portions between partial regions can be constructed through local meshing on the element surface and numerical integration by intrapartition partitioning.

また、製造業の設計プロセスでの数値解析に最も多く用いられている3次元六面体有限要素解析のためのメッシュ生成負荷を低減することができる。例えば、従来、複雑形状のエンジンブロックの六面体メッシュ生成には1―2ヶ月ほど必要だった。したがって、従来では、1年間に異なるタイプのエンジンブロックは6個から12個しか解析できないことになる。これでは設計時にいろいろと形状条件を変えて有限要素解析することが不可能である。この発明に実施の形態によれば、六面体メッシュ生成の手間が少なく見積もっても半分以下となり、製品開発時間の短縮化が可能となる。またこれにより、製品の低価格化を実現することができる。   Further, it is possible to reduce the mesh generation load for the three-dimensional hexahedral finite element analysis that is most often used for numerical analysis in the design process of the manufacturing industry. For example, conventionally, it took about 1-2 months to generate a hexahedral mesh of an engine block with a complicated shape. Therefore, conventionally, only 6 to 12 different types of engine blocks can be analyzed per year. This makes it impossible to perform finite element analysis by changing the shape conditions in various ways during design. According to the embodiment of the present invention, the labor required for generating the hexahedral mesh is less than half even if it is estimated, and the product development time can be shortened. This also makes it possible to reduce the price of the product.

以上のように、この発明にかかる有限要素解析方法、有限要素解析プログラムおよび有限要素解析装置は、製造業の設計プロセスでの数値解析に有用である。   As described above, the finite element analysis method, the finite element analysis program, and the finite element analysis apparatus according to the present invention are useful for numerical analysis in the design process of the manufacturing industry.

非連続メッシュにおける節点分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the nodal distribution in a discontinuous mesh. 非連続メッシュにおける節点分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the nodal distribution in a discontinuous mesh. blending shape functionを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows blending shape function. 折れ線型QUAD6要素を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a broken line type | mold QUAD6 element. 折れ線型QUAD6要素の近似関数導出法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the approximation function derivation method of a broken line type | mold QUAD6 element. 局所三角形分割のパターンを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the pattern of local triangulation. 98節点(HEXA98)からなる六面体要素を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the hexahedral element which consists of 98 nodes (HEXA98). 均質節点分布に対して,図4で示したようなif文を含む関数記述で補間した変位場を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a displacement field obtained by interpolating a homogeneous node distribution with a function description including an if statement as shown in FIG. 4. この発明の要素面メッシング型任意blending shape functionのアルゴリズムで補間した変位場を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the displacement field interpolated with the algorithm of the element surface meshing type arbitrary blending shape function of this invention. 非均質節点分布に対して、この発明のアルゴリズムで補間した変位場を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the displacement field interpolated with the algorithm of this invention with respect to nonhomogeneous nodal distribution. この発明の実施の形態にかかる有限要素解析処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the finite element analysis process procedure concerning embodiment of this invention. 弾性梁の3次元形状データを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the three-dimensional shape data of an elastic beam. 図9−1の弾性梁の3次元形状データに対して有限要素法を用いた例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which used the finite element method with respect to the three-dimensional shape data of the elastic beam of FIGS. 図9−1の弾性梁の3次元形状データに対して節点線形拘束法(ペナルティ拘束法、NLCM)を用いた例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which used the nodal linear constraint method (penalty constraint method, NLCM) with respect to the three-dimensional shape data of the elastic beam of FIGS. 図9−2の弾性梁の3次元形状データに対して、EFGMを用いた例、すなわち、FEMとEFGMをカップリング(FE−EFGM)した例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which used EFGM with respect to the three-dimensional shape data of the elastic beam of FIG. 9-2, ie, the example which coupled FEM and EFGM (FE-EFGM). FEMとEFGMをカップリング(FE−EFGM)した場合の精度の影響範囲についてのパラメータ依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the parameter dependence about the influence range of the precision at the time of coupling FEM and EFGM (FE-EFGM). FEMとEFGMをカップリング(FE−EFGM)した場合の精度の影響範囲についてのパラメータ依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the parameter dependence about the influence range of the precision at the time of coupling FEM and EFGM (FE-EFGM). パイプが接合された板の3次元形状データを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the three-dimensional shape data of the board to which the pipe was joined. 図12に示す3次元形状データに対し、連続メッシュを適用した例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the example which applied the continuous mesh with respect to the three-dimensional shape data shown in FIG. 図12に示す3次元形状データに対し、非連続メッシュを適用した例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which applied the discontinuous mesh with respect to the three-dimensional shape data shown in FIG. 図13に示した、連続メッシュを適用した3次元形状データを変形させた例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the example which deform | transformed the three-dimensional shape data which applied the continuous mesh shown in FIG. 図13に示した、連続メッシュを適用した3次元形状データを変形させた例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the example which deform | transformed the three-dimensional shape data which applied the continuous mesh shown in FIG. 図14に示した、非連続メッシュを適用した3次元形状データを、FEM+ペナルティ拘束法によって変形させた例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the example which deform | transformed the three-dimensional shape data to which the discontinuous mesh shown in FIG. 14 was applied by FEM + penalty restraint method. 図14に示した、非連続メッシュを適用した3次元形状データを、FEM+ペナルティ拘束法によって変形させた例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the example which deform | transformed the three-dimensional shape data to which the discontinuous mesh shown in FIG. 14 was applied by FEM + penalty restraint method. 図14に示した、非連続メッシュを適用した3次元形状データを、この発明の手法によって変形させた例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the example which deform | transformed the three-dimensional shape data to which the discontinuous mesh shown in FIG. 14 was applied with the method of this invention. 図14に示した、非連続メッシュを適用した3次元形状データを、この発明の手法によって変形させた例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the example which deform | transformed the three-dimensional shape data to which the discontinuous mesh shown in FIG. 14 was applied with the method of this invention. 写像法による要素生成プロセスを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the element production | generation process by a mapping method.

符号の説明Explanation of symbols

901 弾性梁の3次元形状データ
1200 パイプが接合された板の3次元形状データ

901 Three-dimensional shape data of elastic beam 1200 Three-dimensional shape data of plate joined with pipe

Claims (6)

数値解析対象となる所定の領域形状データを入力する領域形状入力工程と、
前記領域形状入力工程によって入力された領域形状データが、写像法によって写像可能な単純形状領域へ分解されたことにより、前記領域形状データが分解された単純形状領域を分割する分割数を指定する分割数指定工程と、
前記分割数指定工程によって指定された分割数に基づいて、前記写像法により、前記単純形状領域を要素分割する要素分割工程と、
前記要素分割工程により前記写像法によって要素分割された各単純形状領域に基づいて、前記所定の領域形状データ全体の非連続メッシュを生成する非連続メッシュ生成工程と、
前記非連続メッシュ生成工程によって生成された非連続メッシュを許容する有限要素解析を実行する有限要素解析実行工程と、
前記有限要素解析実行工程によって解析された解析結果を出力する解析結果出力工程と、
を含んだことを特徴とする有限要素解析方法。
An area shape input step for inputting predetermined area shape data to be numerically analyzed;
Division specifying the number of divisions for dividing the simple shape region into which the region shape data is decomposed by dividing the region shape data input in the region shape input step into simple shape regions that can be mapped by a mapping method Number designation process,
An element dividing step of dividing the simple shape region into elements by the mapping method based on the number of divisions specified by the division number specifying step;
A non-continuous mesh generating step for generating a non-continuous mesh of the entire predetermined region shape data based on each simple shape region divided by the mapping method by the element dividing step;
A finite element analysis execution step for executing a finite element analysis that allows the discontinuous mesh generated by the discontinuous mesh generation step;
An analysis result output step for outputting an analysis result analyzed by the finite element analysis execution step;
The finite element analysis method characterized by including.
前記分割数指定工程は、非連続節点が生じる条件下において、前記分割数を指定することを特徴とする請求項1に記載の有限要素解析方法。   2. The finite element analysis method according to claim 1, wherein the division number designation step designates the division number under a condition in which discontinuous nodes are generated. 数値解析対象となる所定の領域形状データを入力させる領域形状入力工程と、
前記領域形状入力工程によって入力された領域形状データが、写像可能な単純形状領域へ分解されたことにより、前記領域形状データが分解された単純形状領域を分割する分割数を指定させる分割数指定工程と、
前記分割数指定工程によって指定された分割数に基づいて、前記写像法により、前記単純形状領域を要素分割させる要素分割工程と、
前記要素分割工程により前記写像法によって要素分割された各単純形状領域に基づいて、前記所定の領域形状データ全体の非連続メッシュを生成させる非連続メッシュ生成工程と、
前記非連続メッシュ生成工程によって生成された非連続メッシュを許容する有限要素解析を実行させる有限要素解析実行工程と、
前記有限要素解析実行工程によって解析された解析結果を出力させる解析結果出力工程と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする有限要素解析プログラム。
An area shape input step for inputting predetermined area shape data to be numerically analyzed;
A division number designation step for designating the number of divisions for dividing the simple shape area into which the area shape data has been decomposed by dividing the area shape data input in the area shape input step into mappable simple shape areas. When,
An element dividing step of dividing the simple shape region into elements by the mapping method based on the number of divisions specified by the division number specifying step;
A non-continuous mesh generating step for generating a non-continuous mesh of the entire predetermined region shape data based on each simple shape region divided by the mapping method by the element dividing step;
A finite element analysis execution step for performing a finite element analysis that allows the discontinuous mesh generated by the discontinuous mesh generation step;
An analysis result output step for outputting the analysis result analyzed by the finite element analysis execution step;
A finite element analysis program characterized by causing a computer to execute.
前記分割数指定工程は、非連続節点が生じる条件下において、前記分割数を指定させることを特徴とする請求項3に記載の有限要素解析プログラム。   4. The finite element analysis program according to claim 3, wherein the division number designation step causes the division number to be designated under a condition in which discontinuous nodes are generated. 数値解析対象となる所定の領域形状データを入力する領域形状入力手段と、
前記領域形状入力手段によって入力された領域形状データが、写像可能な単純形状領域へ分解されたことにより、前記領域形状データが分解された単純形状領域を分割する分割数を指定する分割数指定手段と、
前記分割数指定工程によって指定された分割数に基づいて、前記写像法により、前記単純形状領域を要素分割する要素分割手段と、
前記要素分割手段により前記写像法によって要素分割された各単純形状領域に基づいて、前記所定の領域形状データ全体の非連続メッシュを生成する非連続メッシュ生成手段と、
前記非連続メッシュ生成手段によって生成された非連続メッシュを許容する有限要素解析を実行する有限要素解析実行手段と、
前記有限要素解析実行手段によって解析された解析結果を出力する解析結果出力手段と、
を備えることを特徴とする有限要素解析装置。
Area shape input means for inputting predetermined area shape data to be numerically analyzed;
Division number designation means for designating the number of divisions for dividing the simple shape area into which the area shape data has been decomposed by dividing the area shape data input by the area shape input means into mappable simple shape areas. When,
Element division means for dividing the simple shape region into elements by the mapping method based on the division number designated by the division number designation step;
Non-continuous mesh generating means for generating a non-continuous mesh of the entire predetermined area shape data based on each simple shape area divided by the mapping method by the element dividing means;
A finite element analysis executing means for executing a finite element analysis that allows the discontinuous mesh generated by the discontinuous mesh generating means;
Analysis result output means for outputting an analysis result analyzed by the finite element analysis execution means;
A finite element analysis apparatus comprising:
前記分割数指定手段は、非連続節点が生じる条件下において、前記分割数を指定することを特徴とする請求項5に記載の有限要素解析装置。

6. The finite element analysis apparatus according to claim 5, wherein the division number designating unit designates the division number under a condition in which discontinuous nodes are generated.

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