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Design Science Journal
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ADAPTATION OF CAD MODELS FOR FINITE ELEMENT ANALYSIS (ADAPTATION DE MODČLES CAO PARAMÉTRÉS EN VUE D’UNE ANALYSE DE COMPORTEMENT MÉCANIQUE PAR ÉLÉMENTS) FINIS

ADAPTATION OF CAD MODELS FOR FINITE ELEMENT ANALYSIS (ADAPTATION DE MODČLES CAO PARAMÉTRÉS EN VUE D’UNE ANALYSE DE COMPORTEMENT MÉCANIQUE PAR ÉLÉMENTS) FINIS

Language: French

Year: 2007

Author: Foucault, Gilles

Supervisor: Léon, M. Jean-Claude; Cuillière, M. Jean-Christophe

Institution: Institut national polytechnique de Grenoble, Université de Grenoble

Pages: 267

Abstract

Expressing hypotheses and simplifying an analysis domain are mandatory for current simulations in the context of finite element analyses (FEA). The adaptation of design models is achieved by the elimination of shape details and topological details in order to generate a finite element (FE) mesh where elements’ size is well suited to part’s mechanical behaviour and simulation accuracy goal (size map). Currently, the adaptation of large Computer Aided Design (CAD) models for FEA is a long and difficult task because of the lack of automatic tools to eliminate details and generate an adapted FE mesh.
Our work contributes to the automatic generation of FEA models from CAD design models with the following points:
– shape simplification of CAD models,
– topology adaptation of BREP models,
– trans-patch mesh generation over composite geometry.

We propose criteria to identify form features relying on CAD design features and FE mesh generation requirements (FE size map, boundary conditions). These criteria identify CAD transformations that are required to simplify the FEA model.
The second main contribution proposes the Meshing Constraints Topology (MCT) aiming at transforming a CAD model into a FEA model featuring only faces, edges, and vertices that are relevant for meshing. Therefore, MCT models represent explicitly the topology of meshing constraint entities. MCT operators provide high-level topological transformations (such as edge deletion), and cluster CAD faces and edges to form composite geometry. The adaptation process features identification criteria that determine automatically MCT operators required to adapt the CAD BREP topology to meshing requirements : FE size map, sharp edges, and boundary condition zones.
The last part of our contribution extends the advancing front triangulation over a single parametric surface (Cuilličre, 1998) to surfaces composed with multiple parametric surfaces : the triangulation is propagated over multiple parametric domains, and front collisions are processed in the parametric space of surfaces. This method uses the exact BREP geometry, and presents the advantage to be applicable to closed composite surfaces, i.e. spheres and n-torus.

Resume
Pour utiliser efficacement les moyens de simulation, l’analyse mécanique par éléments finis (ÉF) doit être préparée en posant les hypothčses et en simplifiant le domaine d’étude. L’adaptation des modčles de conception (CAO) pour le calcul se traduit par l’élimination des détails de forme et de topologie afin de générer un maillage ÉF dont la taille des éléments est adaptée au comportement mécanique et à la précision souhaitée (carte de tailles). Actuellement, la préparation des modčles CAO pour le calcul ÉF reste une tâche longue et difficile à cause du manque d’outils automatiques pour éliminer ces détails et générer des maillages adaptés.
Notre travail contribue aux recherches concernant le passage entre les modčles CAO et les modčles de calcul ÉF en traitant trois points : la simplification des aspects de forme d’une pičce CAO, l’adaptation de la topologie du modčle BREP, la génération de maillages trans-carreaux.
Nous proposons des critčres d’identification de détails de forme qui reposent sur les caractéristiques de forme CAO et les besoins du maillage ÉF (carte de tailles, conditions aux limites). Ces critčres identifient les transformations CAO nécessaires pour simplifier la forme du modčle.
Nous avons mis en place la structure et les opérateurs de Topologie des Contraintes deMaillage (TCM), qui visent à adapter la topologie d’un modčle CAO pour représenter uniquement les entités pertinentes pour la génération du maillage. Les opérateurs TCM gčrent des transformations topologiques de haut niveau (par exemple découpage-suppression d’arête), et regroupent les surfaces et courbes sous-jacentes pour former des entités géométriques composites. Le processus d’adaptation est automatisé par des critčres d’identification de détails qui déterminent automatiquement les opérations topologiques TCM nécessaires pour adapter la topologie aux contraintes du maillage : carte de tailles, géométrie, et zones de conditions aux limites.
La derničre partie de notre contribution étend la génération de maillages par approche frontale aux entités géométriques composites. Cette extension propose la génération de trajectoires trans-carreaux pour la progression frontale et la construction des images des éléments sur les carreaux d’une surface composite. Cette méthode utilise la géométrie exacte du modčle, ne nécessite pas de re-paramétrisation, et présente l’avantage de ne pas être limitée par la topologie et la forme des surfaces composites.

Keywords: CAD, FEA, mesh generation, composite geometry, meshing constraints topology, defeaturing, CAO, Calcul par éléments finis, génération de maillages, géométrie composite, topologie des contraintes de maillage, simplification de détails

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Keywords
SIG Workshop - March 2013 - 1