Изогеометрический метод расчета как альтернатива стандартному методу конечных элементов
Автор: Исрафилова Алина Ильдаровна, Кутрунов Владимир, Гарсия Марио, Калиске Михаэль
Журнал: Строительство уникальных зданий и сооружений @unistroy
Статья в выпуске: 9 (84), 2019 года.
Бесплатный доступ
В статье рассмотрена модификация метода конечных элементов, так называемый изо-геометрический метод, использующая в качестве базисных функций рациональные B-сплайны (NURBS). Новый подход должен предотвратить аппроксимацию геометрии рассчитываемого тела и обеспечить гладкость базисных функций на границе конечных элементов. В статье выполнен краткий обзор рациональных B-сплайнов, описаны их основные свойства, выполнен обзор существующих на сегодняшний день программных продуктов, в которых описанный метод реализован в той или иной степени. В тексте приведены примеры расчета простых твердых тел в программе FEAP (Finite Element Analysis Program) для сопоставления результатов, полученных стандартным и модифицированным методами. В изо-геометрическом методе расчета геометрия тела остается точной независимо от размера расчетной сетки, что повышает точность решения контактных задач и анализа композитных тел. Знакопостоянность рациональных B-сплайнов повышает качество получаемых полей искомых переменных. Геометрия для расчета может быть получена напрямую из графических редакторов CAD без изменения, что является необходимым шагом по направлению к внедрению технологий BIM в проектировании. Преимущества описанного метода делают его выгодной альтернативой при расчете тел с криволинейными очертаниями.
Изогеометрический анализ, рациональные b-сплайны, метод конечных элементов
Короткий адрес: https://sciup.org/143170708
IDR: 143170708 | УДК: 624.04 | DOI: 10.18720/CUBS.84.1
Isogeometric analysis as an alternative to standard finite element method
In the article, the modification of the Finite Element Method, the so-called Isogeometric Analysis, which employs rational B-splines (NURBS) as basis-functions is considered. The new approach is aimed to prevent approximation of the geometry and provide higher continuity on elements’ borders. A brief review of rational B-splines is made, their basic properties are described, a review of existing today software products in which the described method is implemented to some extent is executed. In the contribution, a numerical example of analysis for a simple solid body in FEAP (Finite Element Analysis Program) is given for comparing results obtained by standard and modified methods. In the Isogeometric approach, the geometry of the analysed body stays exact no matter how coarse is the computational mesh. This leads to the more robust solution of the contact problems and of the composites analysis. Non-negative basis functions increase the quality of the created continuous variable fields. Moreover, the geometry for analysis can be obtained directly from CAD graphical editors, which becomes an important step towards the introduction of BIM technology in engineering design. The advantages of this method illustrate that it can be preferred for structural analysis of solids especially in cases when complex curved geometry has to be considered.
Список литературы Изогеометрический метод расчета как альтернатива стандартному методу конечных элементов
- Box G. E. P., Draper N. R. Empirical Model-Building and Response Surfaces. John Wiley & Sons, Ltd. Oxford, 1987. 669 p.
- Zienkiewicz O., Taylor R., Zhu J.Z. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals. Butterworth-Heinemann. Oxford, 2013. 756 p.
- Hughes T. J. R., Cottrell J.A., Bazilevs Y. Isogeometric analysis: CAD, finite elements, NURBS, exact geometry mesh refinement. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2004. № 194. Pp. 4135-4195.
- Wriggers P. Computational Contact Mechanics. Springer. Berlin, 2006. 519 p.
- Bauer A.M., Breitenberger M., Philipp B., Wüchner J.A., Bletzinger K.U. Embedded structural entities in NURBS-based isogeometric analysis. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2017. № 325. Pp. 198-218.
- Thai S., Thai H.T., Vo T., Reddy J.N. Post-buckling of functionally graded microplates under mechanical thermal loads using isogeomertic analysis. Engineering Structures. 2017. № 150. Pp. 905-917.
- Bontinck Z., Corno J., De Gersem H., Kurz S., Pels A., Schöps S., Wolf F., De Falco C., Dölz J., Vázquez R., Römer U. Isogeometric analysis harmonic stator-rotor coupling for simulating electric machines. ICS Newsletter. 2017.
- Bontinck Z., Corno J., Schöps S., De Gersem H. Recent advances of isogeometric analysis in computational electromagnetics. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2017. № 3.
- Garcia Tzintzun M. A., Kaliske M. On isogeometric analysis for tire simulation at steady state rolling. In 36th Annual Meeting Conference on Tire Science and Technology. Akron, Ohio, 2017.
- Zhang Y., Bazilevs Y., Goswami S., Bajaj C.L., Hughes T.J. Patient-Specific Vascular NURBS Modeling for Isogeometric Analysis of Blood Flow. Proceedings of the 15th International Meshing Roundtable. Springer, Berlin, Heidelberg, 2006. Pp. 73-92.
- Carson E., Cobelli C. Modelling Methodology for Physiology Medicine. Second edition. Elsevier Inc. London, 2014. 588 p.
- Bazilevs Y., Takizawa K., Tezduyar T.E. Biomedical fluid mechanics and fluid-structure interaction. Computational Mechanics. 2014. № 54. Pp. 893-893.
- Krishnamurthy A. A., Gonzales M.J., Sturgeon G., Segars W., McCulloch A. D. Biomechanics simulations using cubic hermite meshes with extraordinary nodes for isogeometric cardiac modeling. Computer Aided Geometric Design. 2016. № 43. Pp. 27-38.
- Piegl L., Tiller W. The NURBS Book. Second edition. Springer-Verlag. New York, 1996. 646 p.
- Cottrell J. A., Hughes T.J., Bazilevs Y. Isogeometric Analysis: Toward Integration of CAD and FEA. John Wiley & Sons, Ltd. Chichester, 2009. 360 p.
- Rogers D.F., Adams J.A., Иваненко В.Г. Математические основы машинной графики. М.: Машиностроение, 1980. 240 с.
- Vuong A.-V. Adaptive Hierarchical Isogeometric Finite Element Methods. Springer Spektrum. Wiesbaden, 2012. 127 p.
- Hughes T. J. R., Reali A., Sangalli G. Efficient quadrature for NURBS -based isogeometric analysis. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2010. № 199. Pp. 301-313.
- Echter R., Bischoff M. Numerical efficiency, locking and unlocking of NURBS finite elements. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2010. № 199. Pp. 374-382.
- Basu D., Kumar S. Importing mesh entities through IGES/PDES. Advances in Engineering Software. 1995. № 23(3). Pp. 151-161.
- Bradford J. R., Summa F. Bidirectional translator between DXF and IGES formats. Allied Signal Aerospace Company. Kansas City, 1990. 37 p.
- Mustafa F., Al-Ashaab A., Al-Amili H. A comparative study of product data exchange among cad systems. 1st International Conference on Recent Trends of Engineering Sciences and Sustainability. Baghdad, 2017.
- Kirkwood R., Sherwood J. Sustained CAD/CAE integration: integrating with successive versions of STEP or IGES files. Springer-Verlag. 2017. № 34. Pp. 1-13.
- Vergeest J. S. M. CAD surface data exchange using step. Computer-Aided Design. 1991. № 23(4). Pp. 269-281.
- Пономарёв М.В Использование файлов формата STEP в процессе автоматизированного технологического проектирования. Особенности, проблемы, реализация // Научно-технический вестник Поволжья. 2015. № 1. C. 127-131.
- Мустюков Н. А. Интегрирование моделей данных систем CAD и CAE на основе разработки анализатора форматов STEP, XML, DXF // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2013. № 3. C. 67-71.
- Минкин, А.С. Применение технологии NURBS для построения геометрии, генерации сеток и расчёта начально-краевых задач // Новые информационные технологии в автоматизированных системах. 2009. № 12. C. 223-232.
- Suziyanti M., Mohd Fahmi M. A., Khairul A., Setyawan W., Nur A. A. M., Riza S. A Review and Comparison of IGES and STEP. Proceedings of world academy of science, engineering and technology. 2010. № 62. Pp. 1013-1017.
- Autodesk. Autocad 2013: Autolisp developer's guide, 2012.
- Denning A. ActiveX controls inside out. Microsoft Press. Redmond, 1997. 635 p.
- Hartmann S., Benson D. J., Lorenz D. About Isogeometric Analysis and the new NURBS-based Finite Elements in LS-DYNA. In 8th European LS-DYNA Users Conference. Strasburg, 2011. Pp. 23-24.
- Lai Y., Zhang Y. J., Liu L., Wei X., Fang E., Lua J. Integrating CAD with ABAQUS: a practical isogeometric analysis software platform for industrial applications. Computers & Mathematics with Applications. 2017. № 74(7). Pp. 1648-1660.
- Vishwanathan A. Shape Optimization of a NURBS Modelled Coronary Stent Using Kriging and Genetic Algorithm. Cardiology and Cardiovascular Research. 2017. № 1. Pp. 39-47.
- Taylor R. L. FEAP. Version 8.5 User Manual. Berkeley. California, 2017. 690 p.
- Garcia Tzintzun M. A., Israfilova A., Kaliske M. Numerical simulation of rolling tires using isogeometric analysis. In 6th European Conference on Computational. Glasgow, 2018.
- Nguyen K. D., Nguyen-Xuan H. An isogeometric finite element approach for three-dimensional static and dynamic analysis of functionally graded material plate structures. Composite Structures. 2015. № 132. Pp. 423-439.
- Milic P., Marinkovic D. Isogeometric structural analysis based on NURBS shape functions. Facta Universitatis, Series: Mechanical Engineering. 2014. № 11(2). Pp. 193-202.
- He W., Ren M., Qi Tan Y. Realization of NURBS surface CNC machining simulation in MATLAB. Building materials and structural engineering. 2012. № 461. Pp. 381-383.
- Chiozzi A., Malagu M., Tralli A., Cazzani A. ArchNURBS: NURBS-based tool for the structural safety assessment of masonry arches in MATLAB. Journal of Computing in Civil Engineering. 2015. № 2. Pp. 401-501.
- Zhou X., Lu J. NURBS-based Galerkin method and application to skeletal muscle modeling. ACM Symposium on Solid Modeling and Applications. Cambridge, 2005. Pp. 71-78.
- Chivukula V., Lu J., Vigmostad S. C. RBC modeling using NURBS-based isogeometric analysis. In ASME 2012 Summer Bioengineering Conference. Fajardo, 2012. Pp. 1313-1314.