JP3545896B2 - Analysis mesh generator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物等の数値解析シミュレーションにおける有限要素解析に必要なメッシュデータを生成する装置に関し、特に、複雑な形状の構造物の解析に際し、6面体メッシュと4面体メッシュとを混在させたメッシュデータを生成するための解析用メッシュ生成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、構造物の強度をコンピュータを用いて有限要素法により計算する場合、解析の対象となる三次元領域を6面体や4面体の有限要素の集まりとして表現することにより解析が行われる。有限要素の頂点は節点と呼ばれる点に接続しており、隣接する要素は節点を介して結合している。要素と節点の集まりをメッシュと言い、このメッシュを表現するデータはメッシュデータと呼ばれる。メッシュの生成は、簡単な形状を扱うのに適した6面体メッシュを生成する方法と、複雑な形状の領域にメッシュを生成するのに適した4面体メッシュを生成する方法がある。従来、メッシュ生成は、6面体メッシュ又は4面体メッシュによる生成法のいずれか一方のみを用いて行われていた。つまり、解析の精度を優先すれば膨大な労力を費やしてでも6面体メッシュを用いざるを得ず、自動的にメッシュを生成するには解析精度を犠牲にしてでも4面体メッシュを用いねばならなかった。
【0003】
もし、6面体メッシュと4面体メッシュを混在化した状態でメッシュ生成が可能になれば、解析精度の良いメッシュデータを少ない労力で生成することができる。これを実現するものとして、特開平8−16629号公報に示される「解析用メッシュ作成方法及び装置」がある。ここに示されたメッシュ作成方法は、全体を複数の部分領域に分割した後、夫々の部分領域について6面体メッシュを作成し、6面体メッシュを作成できなかった部分は4面体メッシュを作成する。そして、6面体メッシュと4面体メッシュが隣接する領域においては、6面体メッシュの一方の対角線に沿って向かい合わせにした2つの4面体メッシュを6面体メッシュの表面に配置する方法をとっている。
【0004】
また、2次の6面体メッシュおよび2次の4面体メッシュ(それぞれメッシュ稜線の中央にも節点があるもの)を用い、6面体メッシュとの接合面にあって6面体メッシュのいずれの辺とも共有しない4面体メッシュの辺上の節点をMPC( Multi− Point Constraints :多点拘束=ある節点の動作を他の節点の動作により拘束する)を用いて拘束する手法がある。この手法に関しては、Donald
Dewhirst 、Sreedhar Vangavolu、Harley Wattrick による「The Combination of Hexahedral and Tetrahedral Meshing Algorithm 」(SANDIA REPORT,SAND95−2130 ,p.291 〜p.304 ,Sandia National Laboratories)に記述がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した6面体メッシュと4面体メッシュを混在化した状態でメッシュ生成する従来技術においては、6面体メッシュとの接合面にあって6面体メッシュのいずれの辺とも共有しない4面体メッシュの辺(自由辺)が存在する。このため、解析する上で、接合面に隙間やメッシュの干渉が生じるという問題がある。また、上記した様に、MPCを用いて自由辺を拘束する方法では、従節点の変位に対する拘束を主節点群の変位から形状関数を用いて近似して求めるため、計算量が増大する。更に、メッシュの変形の度合いによっては接合部に必要以上の拘束を与える可能性があり、解析結果が不正確になる場合がある。
【0006】
本発明の目的は、6面体メッシュと4面体メッシュの接合部に4角錐形状のメッシュを用いて、自由辺を作ることなく6面体メッシュと4面体メッシュを接合し、計算量を増大することなく精度を向上させることのできる解析用メッシュの生成装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、解析対象である3次元幾何形状のモデルを基に有限要素解析用のメッシュデータを生成する解析用メッシュ生成装置であって、前記モデルに関するデータを入力する入力手段と、前記モデルを作成する形状モデル作成手段と、6面体メッシュを生成する領域を指定する領域設定手段と、6面体メッシュを生成する6面体メッシュ生成手段と、4面体領域に隣接する6面体メッシュ検索し、この6面体メッシュの表面に4角錐メッシュを配置する4角錐メッシュ生成手段と、前記4角錐メッシュに接する領域に4面体メッシュを生成する4面体メッシュ生成手段とを備え、前記4角錐メッシュ生成手段は、前記4角錐メッシュ、前記生成した6面体メッシュの寸法を基に4個の3角形面に共有される頂点の位置を決定し、この頂点及び対応する6面体メッシュの節点に基づいて生成すると共に、前記頂点の位置を、前記6面体メッシュの底面と頂面の各々の重心の座標、前記6面体メッシュの高さ、及び前記4角錐メッシュの高さに基づいて算出するものとしたことを特徴とする解析用メッシュ生成装置を開示する。
【0008】
更に本発明は、解析対象である3次元幾何形状のモデルを基に有限要素解析用のメッシュデータを生成する解析用メッシュ生成装置であって、前記モデルに関するデータを入力する入力手段と、前記モデルを作成する形状モデル作成手段と、6面体メッシュを生成する領域を指定する領域設定手段と、6面体メッシュを生成する6面体メッシュ生成手段と、4面体領域に隣接する6面体メッシュ検索し、この6面体メッシュの表面に4角錐メッシュを配置する4角錐メッシュ生成手段と、前記4角錐メッシュに接する領域に4面体メッシュを生成する4面体メッシュ生成手段とを備え、
前記四角錐メッシュ生成手段は、前記4角錐メッシュを、6面体の1面に属する節点の識別番号が全て同一値にされ、前記6面体メッシュと同一の位相構造を持つように生成するものとしたことを特徴とする解析用メッシュ生成装置を開示する。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図1は本発明の解析用メッシュ生成装置の概略構成を示すブロック図である。本発明による解析用メッシュ生成装置は、解析用プロセッサ1を主体として構成され、形状モデル入力部11及びメッシュ自動生成部12を備えている。解析用プロセッサ1にはモデルデータベース2が接続されている。このモデルデータベース2は、形状モデルを格納する形状モデルデータ21と、メッシュモデルを格納するメッシュモデル22を備え、解析用プロセッサ1にデータを提供すると共にデータを保存する。形状モデルデータ21は形状モデル入力部11に接続され、メッシュモデル22はメッシュ自動生成部12に接続される。また、形状モデル入力部11には形状入力/表示装置3が接続されている。この形状入力/表示装置3には、形状モデルの入力を行うためのキーボード4及びマウス5が接続されている。そして、形状入力/表示装置本体の前面には表示器としてのCRTが設置されている。
上記の形状モデル入力部11では、解析対象の形状モデル作成と、6面体メッシュ領域の設定、メッシュ分割数設定、標準メッシュ寸法設定等を対話的に行いながら処理する。また、メッシュ自動生成部12では、6面体メッシュ生成、6面体/4面体メッシュ接合用の4角錐メッシュ生成、4面体メッシュ生成等の処理を連続して自動的に実行する。以下、これらの動作を説明する。
【0011】
図2は、解析用プロセッサ1によるメッシュ生成処理を示すフローチャートである。
まず、操作者が形状入力/表示装置3に付属するキーボード4やマウス5を操作して解析対象の形状モデルを入力し(ステップS201)、形状モデルを作成する(ステップS202)。そして6面体メッシュを生成する領域を指示し、その6面体メッシュ生成領域の分割数と標準メッシュ寸法値を設定する(ステップS203,S204,S205)。以上のステップS203〜S205の処理が、形状モデル入力部11で実行される処理である。ここで、6面体メッシュ領域の指示は次の点を考慮して行う。即ち、一般に6面体メッシュは、解析結果を評価する際に節点座標値に規則性が要求される場合に使用される。また、接触問題を含む解析では、その接触部に6面体メッシュを配置したほうが解析の収束性が良い場合がある。しかしながら、複雑な形状モデルの全体を6面体メッシュで自動分割することは困難であるため、このような部分は、複雑な形状モデルに対する適応性の高い4面体メッシュを生成する領域として残し、6面体メッシュ領域とはしない。
【0012】
以下の処理はメッシュ自動生成部12で実行される。その最初は6面体メッシュ生成である。(ステップS206)。6面体メッシュを生成する部分領域は、形状モデルを構成する複数の部分領域の1つであり、境界が6個の4辺形面より成る6面体形状をしている。但し、境界の4辺形面が曲面の場合もあるので、6面体メッシュを生成する部分領域は直方体とは限らない。この境界の4辺形面が曲面の部分領域には、写像法を用いて内部格子を生成する。この写像法は、6面体メッシュを生成する部分領域を直方体と見なし、ユーザが入力したメッシュ分割数などの情報に基づき、直方体の表面と内部にメッシュを生成した後、形状関数を用いて元の形状にメッシュを写像する方法であり、6面体メッシュの生成では一般に多く使われている。6面体メッシュのの領域が複数の場合、これらの全てに6面体メッシュ生成処理を実行する。
【0013】
6面体メッシュ生成が終わると、残りの領域を4面体でメッシュ分割することになるが、前述のように6面体メッシュに直接的に4面体メッシュを貼り付けるとメッシュの不整合が生じる。即ち、6面体メッシュと4面体メッシュは表面の形状が異なるため(一方は4角形であり、もう一方は3角形である)、節点・要素の整合性を保持して、解析的に問題の少ない方法で接続することが望ましい。この問題を満たすべく、本発明では6面体メッシュ領域と4面体メッシュ領域の間にのみ4角錐メッシュを挟み(ステップS207)、節点の整合性を保持しつつ、2タイプのメッシュの接合を実現している。この4角錐メッシュを6面体メッシュと同一の位相構造(6面体メッシュの1面を1点に縮退させて生成する)にすることによって、4角錐メッシュをサポートしていない解析プログラムを用いた場合でも解析が可能になる。ここで言う縮退とは、6面体の一面に属する節点の識別番号を全て同一値にし、見かけ上、4角錐形状のメッシュにする処理である。
この4角錐メッシュを生成するに際しては、まず、接合面を有する6面体メッシュ領域を検索、即ち、4面体メッシュ領域に隣接する6面体メッシュ領域を検索し、前記接合面部を底面とする4角錐メッシュを生成する。この4角錐メッシュの底面に対向する頂点の座標値は、6面体メッシュの節点座標値等の幾何情報及び標準メッシュ寸法値に基づいて決定する。
【0014】
必要部分に対する4角錐メッシュの生成が終了すると、4面体メッシュを生成する。(ステップS208)。4面体メッシュを生成する手法としては、4面体メッシュ領域の6面体メッシュとの接合部を除く境界面3角形メッシュを生成し、領域内部に向かって節点を発生しながら逐次的に4面体メッシュを生成するアドバンシング・フロント法等を用いる。このとき、メッシュの寸法は形状モデル入力部で設定された標準メッシュ寸法(生成されるメッシュの平均的な大きさ)に従うことになる。また、6面体メッシュ領域との接合部には、4角錐メッシュを予め配置してあり、境界が全て3角形になっているので、この部分には3角形メッシュ生成は実施しない。
【0015】
なお、図形処理的には、6面体と4面体とを接合する場合、4角錐や3角柱のほか、4角形面と3角形面また、との両方を表面に有する立体、のいずれかの4角形面を6面体に接合し、いずれかの3角形面を4面体に接合すれば2タイプのメッシュを接合することができる。しかし、このような方法は、計算量が多くなるため、自動処理に多大の時間を要する。これに対し、上記の実施の形態によると、6面体メッシュと4面体メッシュとを混在させたメッシュを自動生成する一貫処理の過程として、必ず6面体メッシュ生成の後に、中間生成物としての4角錐メッシュを6面体メッシュの表面に規則的に配置する方法であるため、計算量を少なくでき、自動処理が容易になる。
【0016】
以下上記した各処理の内の、本発明の特徴とするものについてよりくわしく説明する。
図3は、6面体メッシュを縮退させて生成した4角錐形状のメッシュを説明する図である。6面体メッシュを扱う上での計算機上でのデータ表現301及びを4角錐メッシュのデータ表現302の構造は、6面体メッシュと4角錐メッシュで共通にするため、各形状メッシュ共に8カラム(カラム「1」〜「8」)ずつを使用する。そして4角錐メッシュの方は節点識別番号をカラム「1」、「2」、「3」、「4」において重複(カラム「1」〜「4」に対し、4節点で節点識別番号「1」が重複)させている。このように、見かけ上は4角錐メッシュであるが、構造上は6面体メッシュと同一の位相を持つメッシュ(共に8カラムで構成される)を使用することにより、6面体メッシュに対する解析計算と同様の手段で4角錐メッシュの解析計算を行うことができる。つまり、一般に有限要素解析プログラムが扱える要素タイプは、6面体メッシュと4面体メッシュであるが、4角錐メッシュを用いながら6面体メッシュとして処理できるため、従来よりの有限要素解析プログラムを変更することなく利用することができる。
【0017】
図4は、メッシュの辺の中央にも節点がある場合のメッシュの節点識別番号及びデータ表現を示しており、6面体を表すデータ表現401の節点識別番号「9」〜「20」はメッシュの辺の中央にある節点(これを2次要素と言う)に対応している。これを縮退させて生成した4角錐メッシュを表すデータ表現402は、カラム構成が同じで、一点に縮退した節点の識別番号が、すべて「1」に縮退した表現となっている。このように、4角錐メッシュ生成処理において、それが接続される6面体メッシュが図3に示したタイプ(6面体1次要素)である場合は1次要素型の4角錐メッシュを、また、図4に示したような2次要素型の6面体メッシュの場合は、2次要素型の4角錐メッシュを接続用に生成する。
【0018】
図5は、有限要素解析対象の形状モデルの一例を示したもので、この形状モデルを用いて、6面体メッシュと4面体メッシュを混合したメッシュモデルを生成する処理について説明する。図5のハッチングで図示の部分501、502が6面体メッシュを生成する領域である。これらの領域は解析対象モデルを意識的に分割して定義したものであり、この例では、上下の構造物が接する部分を解析上重要な領域と考え、この部分に6面体メッシュ領域を配置する。残りの白抜き図示の部分503、504が4面体メッシュを生成する領域である。なお、6面体メッシュを生成する領域は写像法によりメッシングを行うため、それ自身も6面体であるが、4面体メッシュを生成する領域の形状は任意である。これは、
6面体メッシュの規則性が良いことと、4面体メッシュの複雑形状への適用性が高いことに関係するものであり、それぞれのメッシュの利点を生かして、メッシュ生成の高効率化を可能にしている。
【0019】
図6は、図5の6面体メッシュ領域501、502の各辺にメッシュ分割数を設定し、写像法を用いて6面体メッシュを生成したものである。メッシュ分割数は形状モデル入力部11において、6面体メッシュ生成領域の縦、横、高さ方向にあたる稜線を対話的に指示し、その稜線に分割数を表す整数値を入力することにより設定する。この例では、図5における領域501を(縦、横、高さ)=(3、3、5)のメッシュで表し、図5における領域502を(3、3、3)のメッシュで表した状態を示している。本例では、各領域においてメッシュの節点間の間隔が一様であるが、メッシュ分割情報として、メッシュ分割数の他にメッシュ分割比を入力すれば、局所的にメッシュを集中させることもできる。写像法のアルゴリズム自体は既知であるのでここでの説明は省略する。 図6のハッチング部分601、602は、上記のように生成された6面体メッシュの内の、4面体メッシュ領域に隣接する6面体メッシュである。形状モデルの各領域の境界表現構造(領域を構成する面群の識別番号等)に基づき、領域間の共有面を検索することで、6面体メッシュ601、602の抽出は容易に行える。
【0020】
図7は、4角錐メッシュの頂点(底面に対向する節点)の座標の決定方法を示す説明図である。図7において、符号N1からN8は6面体メッシュの節点であり、符号Npは面<N1、N2、N3、N4>の重心点、符号Nqは面<N5、N6、N7、N8>の重心点である。また、重心点Npの座標値を(Xp、Yp、Zp)、重心点Nqの座標値を(Xq、Yq、Zq)とする。更に、節点N1〜N2間の距離をD1、節点N2〜N3間の距離をD2、節点N3〜N4間の距離をD3、節点N4〜N1間の距離をD4とし、D1とD3の平均をDd、D2とD4の平均をDw、重心点NpとNqの距離をDhとする。ここで、Dd、Dw、Dhは、概ね6面体メッシュの幅、奥行き、高さに相当する。また、標準メッシュ寸法をMSとすると、このMS、及び以上の定義値から4角錐メッシュの高さHtは、次式で示される。
【数1】
Ht=min(Dd/2、Dw/2、Dh/2、MS/5)
ここで、minは、引数の最小値を返す関数である。更に、4角錐メッシュの頂点座標値(Xc、Yc、Zc)は次式で求める。
【数2】
Xc=Xp+(Xp−Xq)/Dh×Ht
Yc=Yp+(Yp−Yq)/Dh×Ht
Zc=Zp+(Zp−Zq)/Dh×Ht
上式は6面体メッシュの面の重心点NpとNqより4面体メッシュの頂点方向
のベクトルを求め、6面体メッシュの寸法により4面体メッシュの高さを決定することを意味している。上式で得られた頂点と、対応する6面体メッシュの節点(N1、N2、N3、N4)とから4角錐メッシュを生成する。なお、本例は1次要素の例であるが、2次要素の場合には中間節点を考慮せずに、N1からN8までの8節点座標値を用いて1次要素の場合と同様に求める。
【0021】
図8は図6の6面体メッシュ上の必要なすべての部分に4角錐メッシュ801,802を生成した後の状態を示す図である。4面体メッシュ領域に隣接していない部分には、4角錐メッシュを生成しない。4面体メッシュ頂点座標の決定方法(図7)で示した通り、4面体メッシュの寸法は6面体メッシュの寸法に依存しており、また、4面体メッシュ頂点方向は、6面体メッシュを構成する8頂点から求めるので、各々の頂点は一様ではない。
【0022】
図9は、4角錐メッシュを用いて6面体メッシュと4面体メッシュとを連結した状態を示す図である。図9では、4角錐メッシュをハッチングで示している。4角錐メッシュの下面に6面体メッシュ901が結合し、残りの4面にそれぞれ4面体メッシュ902、903、904、905が結合する。ここでは便宜上、結合部における4個の4面体メッシュのみを示したが、これらは6面体メッシュ領域と4面体メッシュ領域の境界部に位置する一部分の4面体メッシュであって、この4面体メッシュにさらに別の4面体メッシュを接続する形で、4面体メッシュ生成対象の全領域にメッシュが生成される。
【0023】
図10は、図8の状態に4面体メッシュ1001,1002を追加して完成した図5のモデルに対する最終的な形態のメッシュモデルである。任意形状に対する4面体自動メッシュ生成の場合、6面体メッシュに比較してメッシュの規則性の点では劣るが、自動メッシュ生成の適用性が高いので有効である。なお、4面体メッシュを生成するアルゴリズムは、既知であるので詳細な説明は省略するが、例えばデラウニ法、アドバンシング・フロント法等を用いることができる。
【0024】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の解析用メッシュの生成方法によれば、1面を4角形面、他の4面を3角形面にした4角錐メッシュを、6面体メッシュと4面体メッシュの連結部に配置し、4角錐メッシュの4角形面を前記6面体メッシュの4角形面に接続し、4角錐メッシュの3角形面を前記4面体メッシュの三角形面に接続したので、節点の整合性を保ちながら、自由辺を生じさせることなく2種のメッシュの接合が可能になる。更に、4角錐メッシュを6面体メッシュと同一の位相構造とすることで、4角錐メッシュをサポートしていない解析プログラムを用いての解析が可能になる。
【0025】
また、本発明の解析用メッシュの生成方法によれば、最初に6面体メッシュを生成した後、4面体メッシュに隣接する前記6面体メッシュの表面に4角錐メッシュを配置し、この後、4角錐メッシュの3角形面に4面体メッシュを配置した後、4面体メッシュを生成可能な領域に4面体メッシュを生成するようにしたので、解析上の安定性を高めながら、メッシュ生成の自動化が可能になる。また、MPCを使わずに6面体メッシュと4面体メッシュを接合するので、MPCを使用した場合に比べて計算量を少なくできるため、処理時間の短縮を図ることができる。
【0026】
更に、本発明の解析用メッシュの生成装置によれば、対話形式による形状モデルを入力するための入力手段、自動的に3次元幾何形状モデルの作成及び6面体メッシュ生成するための形状モデル作成手段、領域設定手段及び6面体メッシ
ュ生成手段、4面体メッシュと6面体メッシュの連結部に4角錐メッシュを生成するための4角錐メッシュ生成手段、及び4面体メッシュが自動的に生成する4面体メッシュ生成手段を備えたことにより、自由辺のない6面体メッシュと4面体メッシュの連結が行え、解析上の安定性が高められる。また、有限要素法を用いた解析処理の自動化が可能になる。更に、MPCを使わずに6面体メッシュと4面体メッシュを接合するので、MPCを使用した場合に比べ、計算量を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の解析用メッシュ生成装置の構成例を示すブロック図である。
【図2】メッシュ生成処理を示すフローチャートである。
【図3】6面体メッシュとそれを縮退させて生成した4角錐のメッシュのデータ表現を示す図である。
【図4】メッシュの辺の中央にも節点がある6面体メッシュとそれを縮退させて生成した4角錐メッシュのデータ表現を示す図である。
【図5】有限要素解析対象の形状モデルの一例を示す形状図である。
【図6】図5のメッシュ領域の各辺にメッシュ分割数を設定し、写像法を用いて6面体メッシュを生成する説明図である。
【図7】4角錐メッシュの頂点の座標の決定方法を示す説明図である。
【図8】6面体メッシュ上の必要なすべての部分に4角錐メッシュを生成した後の状態を示す図である。
【図9】4角錐メッシュを用いて6面体メッシュと4面体メッシュとを連結した状態を示す図である。
【図10】図8の状態に4面体メッシュを追加して完成した最終的な形態のメッシュモデルである。
【符号の説明】
1 解析用プロセッサ
2 モデルデータベース
3 形状入力/表示装置
11 形状モデル入力部
12 メッシュ自動生成部
21 形状モデルデータ
22 メッシュモデル
501,502 6面体メッシュ領域
503,504 4面体メッシュ領域
601,602 4面体メッシュ領域に隣接する6面体メッシュ
901 面体メッシュ
902〜905 4面体メッシュ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for generating mesh data necessary for finite element analysis in a numerical analysis simulation of a structure or the like, and in particular, a hexahedral mesh and a tetrahedral mesh are mixed when analyzing a structure having a complicated shape. The present invention relates to an analysis mesh generation device for generating mesh data.
[0002]
[Prior art]
For example, when the strength of a structure is calculated by a finite element method using a computer, the analysis is performed by expressing a three-dimensional region to be analyzed as a collection of hexahedral or tetrahedral finite elements. The vertices of the finite element are connected to points called nodes, and adjacent elements are connected via the nodes. A collection of elements and nodes is called a mesh, and data representing this mesh is called mesh data. The mesh generation includes a method of generating a hexahedral mesh suitable for handling a simple shape and a method of generating a tetrahedral mesh suitable for generating a mesh in a region having a complicated shape. Conventionally, mesh generation has been performed using only one of a generation method using a hexahedral mesh and a tetrahedral mesh. In other words, if the accuracy of the analysis is prioritized, a hexahedral mesh must be used even if a great deal of effort is spent, and a tetrahedral mesh must be used to automatically generate the mesh even at the expense of the analysis accuracy. Was.
[0003]
If mesh generation can be performed in a state where hexahedral meshes and tetrahedral meshes are mixed, mesh data with high analysis accuracy can be generated with a small amount of labor. To realize this, there is a "method and apparatus for creating a mesh for analysis" disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-16629. In the mesh creation method shown here, after dividing the whole into a plurality of partial regions, a hexahedral mesh is created for each partial region, and a tetrahedral mesh is created for a portion where the hexahedral mesh could not be created. Then, in a region where the hexahedral mesh and the tetrahedral mesh are adjacent to each other, two tetrahedral meshes facing each other along one diagonal line of the hexahedral mesh are arranged on the surface of the hexahedral mesh.
[0004]
In addition, a quadratic hexahedral mesh and a quadratic tetrahedral mesh (each having a node at the center of the mesh ridge line) are used and are connected to the hexahedral mesh and shared with any side of the hexahedral mesh. There is a method of using MPC (Multi-Point Constraints: restricting the operation of one node by the operation of another node) to constrain the nodes on the sides of the tetrahedral mesh not to be used. Regarding this technique, Donald
"The Combination of Hexahedral and Tetrahedral Meshing Algorithm," by Dewhirst, Sledhar Vangavolu, and Harley Watrick.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional technology for generating a mesh in a state where the hexahedral mesh and the tetrahedral mesh are mixed, the side of the tetrahedral mesh that is on the joint surface with the hexahedral mesh and is not shared with any side of the hexahedral mesh (Free edge) exists. For this reason, when analyzing, there is a problem that a gap or mesh interference occurs on the joint surface. Further, as described above, in the method of constraining the free side using MPC, the constraint on the displacement of the slave node is obtained by approximating the displacement of the master node group using the shape function, thereby increasing the amount of calculation. Further, depending on the degree of deformation of the mesh, there is a possibility that an unnecessary constraint is applied to the joint, and the analysis result may be inaccurate.
[0006]
An object of the present invention is to join a hexahedral mesh and a tetrahedral mesh without forming free sides by using a tetragonal pyramid-shaped mesh at a joint between the hexahedral mesh and the tetrahedral mesh without increasing the calculation amount. An object of the present invention is to provide an analysis mesh generation device capable of improving accuracy.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is an analysis mesh generation device that generates mesh data for finite element analysis based on a model of a three-dimensional geometric shape to be analyzed, wherein input means for inputting data related to the model, and A shape model creating means to be created, an area setting means for designating an area for generating a hexahedral mesh, a hexahedral mesh generating means for generating a hexahedral mesh, and a hexahedral mesh adjacent to the tetrahedral area are searched. A quadrangular pyramid mesh generating unit that arranges a quadrangular pyramid mesh on the surface of the quadrangular pyramid mesh; and a tetrahedral mesh generating unit that generates a tetrahedral mesh in an area that is in contact with the quadrangular pyramid mesh. Based on the dimensions of the tetragonal pyramid mesh and the generated hexahedral mesh, the positions of the vertices shared by the four triangular faces are determined. The position of the vertex is generated based on the nodes of the corresponding hexahedral mesh, the coordinates of the center of gravity of the bottom surface and the top surface of the hexahedral mesh, the height of the hexahedral mesh, and the position of the quadrangular pyramid mesh. Disclosed is an analysis mesh generation device that is calculated based on height.
[0008]
Further, the present invention is an analysis mesh generating apparatus for generating mesh data for finite element analysis based on a model of a three-dimensional geometric shape to be analyzed, wherein input means for inputting data related to the model, , A region setting unit for designating a region for generating a hexahedral mesh, a hexahedral mesh generating unit for generating a hexahedral mesh, and a hexahedral mesh adjacent to the tetrahedral region. A quadrangular pyramid mesh generating unit that arranges a quadrangular pyramid mesh on the surface of the hexahedral mesh; and a tetrahedral mesh generating unit that generates a tetrahedral mesh in an area in contact with the quadrangular pyramid mesh;
The quadrangular pyramid mesh generating means generates the quadrangular pyramid mesh such that all the identification numbers of the nodes belonging to one surface of the hexahedron have the same value and have the same topological structure as the hexahedral mesh. A mesh generation device for analysis characterized by the above is disclosed.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an analysis mesh generation device according to the present invention. The analysis mesh generation device according to the present invention is mainly configured by the
The above-mentioned shape
[0011]
FIG. 2 is a flowchart showing a mesh generation process by the
First, the operator operates the
[0012]
The following processing is executed by the automatic
[0013]
When the hexahedral mesh generation is completed, the remaining area is divided into meshes by the tetrahedron. However, if the tetrahedral mesh is directly pasted on the hexahedral mesh as described above, mesh mismatch occurs. In other words, since the hexahedral mesh and the tetrahedral mesh have different surface shapes (one is a quadrangle and the other is a triangle), the consistency of nodes and elements is maintained, and there is little problem in analysis. It is desirable to connect by a method. In order to satisfy this problem, in the present invention, a quadrangular pyramid mesh is sandwiched only between the hexahedral mesh region and the tetrahedral mesh region (step S207), and the joining of the two types of meshes is realized while maintaining the consistency of the nodes. ing. By making this quadrangular pyramid mesh the same topological structure as the hexahedral mesh (generated by degenerating one face of the hexahedral mesh into one point), even when an analysis program that does not support the quadrangular pyramid mesh is used. Analysis becomes possible. The degeneracy mentioned here is a process in which the identification numbers of the nodes belonging to one surface of the hexahedron are all set to the same value, and apparently a quadrangular pyramid-shaped mesh is formed.
When generating the tetrahedral mesh, first, a hexahedral mesh region having a joint surface is searched, that is, a hexahedral mesh region adjacent to the tetrahedral mesh region is searched, and a tetrahedral mesh having the joint surface portion as a bottom surface is searched. Generate The coordinate values of the vertices facing the bottom surface of the quadrangular pyramid mesh are determined based on geometric information such as the node coordinate values of the hexahedral mesh and the standard mesh dimension values.
[0014]
When the generation of the quadrangular pyramid mesh for the necessary part is completed, a tetrahedral mesh is generated. (Step S208). As a method of generating a tetrahedral mesh, a triangular mesh at a boundary surface excluding a junction between the tetrahedral mesh region and the hexahedral mesh is generated, and the tetrahedral mesh is sequentially generated while generating nodes toward the inside of the region. The advancing front method or the like to be generated is used. At this time, the mesh size follows the standard mesh size (average size of the generated mesh) set in the shape model input unit. In addition, a quadrangular pyramid mesh is previously arranged at a joint with the hexahedral mesh region, and since all the boundaries are triangular, a triangular mesh is not generated in this portion.
[0015]
Note that, in terms of graphic processing, when a hexahedron and a tetrahedron are joined, any one of a four-sided pyramid, a three-sided prism, and a three-dimensional object having both a four-sided surface and a three-sided surface on its surface is used. Two types of meshes can be joined by joining a square face to a hexahedron and joining one of the triangle faces to a tetrahedron. However, such a method requires a great deal of time for automatic processing because of a large amount of calculation. On the other hand, according to the above-described embodiment, as an integrated process of automatically generating a mesh in which a hexahedral mesh and a tetrahedral mesh are mixed, a hexahedral mesh as an intermediate product is always generated after the hexahedral mesh is generated. Since the mesh is regularly arranged on the surface of the hexahedral mesh, the amount of calculation can be reduced and automatic processing becomes easy.
[0016]
Hereinafter, of the above-described processes, the features of the present invention will be described in more detail.
FIG. 3 is a diagram illustrating a quadrangular pyramid-shaped mesh generated by degenerating a hexahedral mesh. The structures of the
[0017]
FIG. 4 shows the node identification numbers and data representations of the mesh when there is also a node at the center of the side of the mesh. The node identification numbers "9" to "20" of the
[0018]
FIG. 5 shows an example of a shape model to be subjected to finite element analysis, and a process of generating a mesh model in which a hexahedral mesh and a tetrahedral mesh are mixed using this shape model will be described.
It is related to the good regularity of the hexahedral mesh and the high applicability to the complex shape of the tetrahedral mesh. By making use of the advantages of each mesh, it is possible to increase the efficiency of mesh generation. I have.
[0019]
FIG. 6 is a diagram in which the number of mesh divisions is set for each side of the
[0020]
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a method of determining the coordinates of the vertices (nodes facing the bottom surface) of the quadrangular pyramid mesh. In FIG. 7, symbols N1 to N8 are nodes of the hexahedral mesh, symbol Np is the center of gravity of the surface <N1, N2, N3, N4>, and symbol Nq is the center of gravity of the surface <N5, N6, N7, N8>. It is. Also, let the coordinate value of the center of gravity Np be (Xp, Yp, Zp) and the coordinate value of the center of gravity Nq be (Xq, Yq, Zq). Further, the distance between the nodes N1 and N2 is D1, the distance between the nodes N2 and N3 is D2, the distance between the nodes N3 and N4 is D3, the distance between the nodes N4 and N1 is D4, and the average of D1 and D3 is Dd. , D2 and D4 as Dw, and the distance between the centers of gravity Np and Nq as Dh. Here, Dd, Dw, and Dh generally correspond to the width, depth, and height of the hexahedral mesh. When the standard mesh size is MS, the height Ht of the quadrangular pyramid mesh is expressed by the following equation based on the MS and the above defined values.
(Equation 1)
Ht = min (Dd / 2, Dw / 2, Dh / 2, MS / 5)
Here, min is a function that returns the minimum value of the argument. Further, the vertex coordinate values (Xc, Yc, Zc) of the quadrangular pyramid mesh are obtained by the following equation.
(Equation 2)
Xc = Xp + (Xp−Xq) / Dh × Ht
Yc = Yp + (Yp−Yq) / Dh × Ht
Zc = Zp + (Zp−Zq) / Dh × Ht
The above equation means that the vector in the vertex direction of the tetrahedral mesh is determined from the center of gravity points Np and Nq of the surface of the hexahedral mesh, and the height of the tetrahedral mesh is determined based on the dimensions of the hexahedral mesh. A quadrangular pyramid mesh is generated from the vertices obtained by the above equation and the corresponding nodes (N1, N2, N3, N4) of the hexahedral mesh. Note that this example is an example of a primary element, but in the case of a secondary element, it is obtained in the same way as in the case of a primary element using eight node coordinate values from N1 to N8 without considering intermediate nodes. .
[0021]
FIG. 8 is a diagram showing a state after generating the quadrangular pyramid meshes 801 and 802 in all necessary portions on the hexahedral mesh in FIG. A quadrangular pyramid mesh is not generated for a portion not adjacent to the tetrahedral mesh region. As shown in the method for determining the coordinates of the tetrahedral mesh vertices (FIG. 7), the dimensions of the tetrahedral mesh depend on the dimensions of the hexahedral mesh, and the vertices of the tetrahedral mesh form the
[0022]
FIG. 9 is a diagram showing a state in which a hexahedral mesh and a tetrahedral mesh are connected using a tetragonal pyramid mesh. In FIG. 9, the quadrangular pyramid mesh is indicated by hatching. A
[0023]
FIG. 10 is a mesh model of a final form with respect to the model of FIG. 5 completed by adding tetrahedral meshes 1001 and 1002 to the state of FIG. In the case of automatic tetrahedral mesh generation for an arbitrary shape, the regularity of the mesh is inferior to that of a hexahedral mesh, but the applicability of automatic mesh generation is high, so this is effective. The algorithm for generating the tetrahedral mesh is known, and therefore detailed description is omitted. For example, a Delaunay method, an advancing front method, or the like can be used.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for generating a mesh for analysis of the present invention, a quadrangular pyramid mesh in which one surface is a quadrilateral surface and the other four surfaces are a triangular surface is connected to a connecting portion of a hexahedral mesh and a tetrahedral mesh. And the tetragonal surface of the tetragonal pyramid mesh is connected to the tetragonal surface of the hexahedral mesh, and the triangular surface of the tetragonal pyramid mesh is connected to the triangular surface of the tetrahedral mesh. However, it is possible to join two types of meshes without generating free sides. Furthermore, by making the quadrangular pyramid mesh the same topological structure as the hexahedral mesh, analysis using an analysis program that does not support the quadrangular pyramid mesh becomes possible.
[0025]
According to the method for generating a mesh for analysis of the present invention, a hexahedral mesh is first generated, and then a quadrangular pyramid mesh is arranged on the surface of the hexahedral mesh adjacent to the tetrahedral mesh. After the tetrahedral mesh is placed on the triangular surface of the mesh, the tetrahedral mesh is generated in the area where the tetrahedral mesh can be generated, so that it is possible to automate the mesh generation while improving the stability in analysis. Become. Further, since the hexahedral mesh and the tetrahedral mesh are joined without using the MPC, the amount of calculation can be reduced as compared with the case where the MPC is used, so that the processing time can be reduced.
[0026]
Further, according to the analysis mesh generation apparatus of the present invention, input means for inputting a shape model in an interactive format, and shape model creation means for automatically creating a three-dimensional geometric model and generating a hexahedral mesh Area setting means and hexahedral mesh generating means, tetrahedral mesh generating means for generating a quadrangular pyramid mesh at a connecting portion of tetrahedral mesh and hexahedral mesh, and tetrahedral mesh generation automatically generating the tetrahedral mesh By providing the means, the hexahedral mesh having no free side and the tetrahedral mesh can be connected, and the stability in analysis is improved. Further, the analysis processing using the finite element method can be automated. Further, since the hexahedral mesh and the tetrahedral mesh are joined without using the MPC, the amount of calculation can be reduced as compared with the case where the MPC is used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of an analysis mesh generation device according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a mesh generation process.
FIG. 3 is a diagram showing a data representation of a hexahedral mesh and a quadrangular pyramid mesh generated by degenerating the mesh.
FIG. 4 is a diagram showing a data representation of a hexahedral mesh having a node also at the center of a side of the mesh and a quadrangular pyramid mesh generated by degenerating the hexahedral mesh.
FIG. 5 is a shape diagram showing an example of a shape model to be subjected to finite element analysis.
6 is an explanatory diagram in which a mesh division number is set for each side of the mesh region in FIG. 5 and a hexahedral mesh is generated using a mapping method.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a method of determining coordinates of vertices of a quadrangular pyramid mesh.
FIG. 8 is a diagram showing a state after generating a quadrangular pyramid mesh for all necessary portions on a hexahedral mesh.
FIG. 9 is a diagram showing a state in which a hexahedral mesh and a tetrahedral mesh are connected using a tetragonal pyramid mesh.
FIG. 10 is a mesh model of a final form completed by adding a tetrahedral mesh to the state of FIG. 8;
[Explanation of symbols]
Claims (2)
前記四角錐メッシュ生成手段は、前記4角錐メッシュを、6面体の1面に属する節点の識別番号が全て同一値にされ、前記6面体メッシュと同一の位相構造を持つように生成するものとしたことを特徴とする解析用メッシュ生成装置。An analysis mesh generation device for generating mesh data for finite element analysis based on a model of a three-dimensional geometric shape to be analyzed, comprising: input means for inputting data related to the model; and a shape model for generating the model. Creating means, area setting means for specifying an area for generating a hexahedral mesh, hexahedral mesh generating means for generating a hexahedral mesh, and searching for a hexahedral mesh adjacent to the tetrahedral area, And a tetrahedral mesh generating means for generating a tetrahedral mesh in an area in contact with the quadrangular pyramid mesh.
The quadrangular pyramid mesh generating means generates the quadrangular pyramid mesh such that all the identification numbers of the nodes belonging to one surface of the hexahedron have the same value and have the same topological structure as the hexahedral mesh. An analysis mesh generation device, characterized in that:
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