Renkaan laskentamallin luomisen automatisointi
Huotari, Jaakko (2020)
Huotari, Jaakko
2020
Konetekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Mechanical Engineering, MSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-06-05
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202006025884
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202006025884
Tiivistelmä
Tässä diplomityössä ohjelmoitiin elementtimenetelmälle soveltuva verkkogeneraattori, joka soveltuu henkilöauton renkaan pyörähdyssymmetriseen analysointiin. Tavallisesti renkaan pyörähdyssymmetrinen laskentamalli luodaan ja verkotetaan käsin. Tarkoituksena oli automatisoida tämä paljon aikaa vievä toimenpide.
FEM-analyysejä tehdään Abaqus-laskentaohjelmistolla. Laskennan nopeuttamiseksi käytetään ali-integroituja nelikulmioelementtejä, jotka ovat herkkiä epästabiilille tiimalasimuodolle. Muodonmuutosten ehkäisemiseksi elementtejä stabiloidaan tiimalasimuotoihin nähden ortogonaalisilla stabilointivoimilla. Työn ensimmäisessä vaiheessa tarkasteltiin, miten Abaqus käsittelee stabiloituja ja stabiloimattomia elementtejä. Elementeistä muodostettiin puhtaassa taivutuksessa oleva testikappale, jonka taipumaa verrattiin analyyttisiin tuloksiin. Laskennan tuloksista havaittiin, että tiimalasimuotojen heräämisen lisäksi stabilointi ehkäisee tehokkaasti myös leikkaus- ja tilavuuslukkiutumista. Stabiloidut elementit toimivat merkittävästi paremmin kuin stabiloimattomat elementit, riippumatta verkon tiheydestä.
Työn jälkimmäinen osa keskittyi verkottajan toiminnan kuvaamiseen. Renkaan geometriamallista tuodaan geometriaviivojen koordinaattipisteitä. Pisteet projisoidaan projektiokäyrään nähden kohtisuorille normaalisuorille, mikä maksimoi elementtien suorakulmaisuuden. Pisteet järjestetään koordinaattien mukaiseen järjestykseen ennen solmupisteiden luomista. Lähekkäin olevat solmupisteet yhdistetään numeeristen virheiden ehkäisemiseksi. Pisteet yhdistetään pystypuiksi normaalisuorien mukaisesti. Solmut yhdistetään vaakapuiksi pystypuiden solmumäärien mukaan. Lopulta pysty- ja vaakapuut kootaan elementeiksi.
Uusi verkottaja nopeuttaa merkittävästi mallin luomista ja verkottamista. Käsin tehtäessä tähän kuluu tunteja. Uusi verkottaja laskee tämän ajan minuutteihin, vaikka se ei vielä täysin poistakaan käsin tehtävää työtä. Mallien kasvanut systemaattisuus parantaa mallien vertailtavuutta. A finite element mesh generation program was coded for a passenger car tire analysis. Traditionally, these axisymmetric models have been created and meshed by hand. The aim of this work was to automate this time-consuming task.
Finite element method (FEM) -simulations are done with simulation software Abaqus. Reduced integrated quadrilateral elements are used to increase simulation speed. This form is susceptible to hourglass-deformations. To prevent these deformations, the elements are stabilized using forces orthogonal to desired deformation modes. Handling of stabilized and unstabilized elements was studied in Abaqus. An ideal disc was loaded with pure bending numerically and analytically. The results showed that enhanced stabilization prevents hourglass deformations and limits shear- and volumetric locking regardless of mesh density.
A new mesh creation algorithm was described. Coordinate points are imported from tire geometry model. The points are projected onto normal lines orthogonal to a selected projection curve, which maximizes element orthogonality. The points are then sorted according to their coordinates. Points close together are merged before node creation. Nodes are connected as vertical rails based on their normal lines. Nodes are connected as horizontal rungs based on rail node counts. The nodes in rails and rungs are then combined into elements.
The new mesh creation algorithm improves model and mesh creation speed. Done by hand, this task takes hours. Done automatically, it takes only minutes, although manual corrections are still required. A systematic method for creating the models increases model comparability.
FEM-analyysejä tehdään Abaqus-laskentaohjelmistolla. Laskennan nopeuttamiseksi käytetään ali-integroituja nelikulmioelementtejä, jotka ovat herkkiä epästabiilille tiimalasimuodolle. Muodonmuutosten ehkäisemiseksi elementtejä stabiloidaan tiimalasimuotoihin nähden ortogonaalisilla stabilointivoimilla. Työn ensimmäisessä vaiheessa tarkasteltiin, miten Abaqus käsittelee stabiloituja ja stabiloimattomia elementtejä. Elementeistä muodostettiin puhtaassa taivutuksessa oleva testikappale, jonka taipumaa verrattiin analyyttisiin tuloksiin. Laskennan tuloksista havaittiin, että tiimalasimuotojen heräämisen lisäksi stabilointi ehkäisee tehokkaasti myös leikkaus- ja tilavuuslukkiutumista. Stabiloidut elementit toimivat merkittävästi paremmin kuin stabiloimattomat elementit, riippumatta verkon tiheydestä.
Työn jälkimmäinen osa keskittyi verkottajan toiminnan kuvaamiseen. Renkaan geometriamallista tuodaan geometriaviivojen koordinaattipisteitä. Pisteet projisoidaan projektiokäyrään nähden kohtisuorille normaalisuorille, mikä maksimoi elementtien suorakulmaisuuden. Pisteet järjestetään koordinaattien mukaiseen järjestykseen ennen solmupisteiden luomista. Lähekkäin olevat solmupisteet yhdistetään numeeristen virheiden ehkäisemiseksi. Pisteet yhdistetään pystypuiksi normaalisuorien mukaisesti. Solmut yhdistetään vaakapuiksi pystypuiden solmumäärien mukaan. Lopulta pysty- ja vaakapuut kootaan elementeiksi.
Uusi verkottaja nopeuttaa merkittävästi mallin luomista ja verkottamista. Käsin tehtäessä tähän kuluu tunteja. Uusi verkottaja laskee tämän ajan minuutteihin, vaikka se ei vielä täysin poistakaan käsin tehtävää työtä. Mallien kasvanut systemaattisuus parantaa mallien vertailtavuutta.
Finite element method (FEM) -simulations are done with simulation software Abaqus. Reduced integrated quadrilateral elements are used to increase simulation speed. This form is susceptible to hourglass-deformations. To prevent these deformations, the elements are stabilized using forces orthogonal to desired deformation modes. Handling of stabilized and unstabilized elements was studied in Abaqus. An ideal disc was loaded with pure bending numerically and analytically. The results showed that enhanced stabilization prevents hourglass deformations and limits shear- and volumetric locking regardless of mesh density.
A new mesh creation algorithm was described. Coordinate points are imported from tire geometry model. The points are projected onto normal lines orthogonal to a selected projection curve, which maximizes element orthogonality. The points are then sorted according to their coordinates. Points close together are merged before node creation. Nodes are connected as vertical rails based on their normal lines. Nodes are connected as horizontal rungs based on rail node counts. The nodes in rails and rungs are then combined into elements.
The new mesh creation algorithm improves model and mesh creation speed. Done by hand, this task takes hours. Done automatically, it takes only minutes, although manual corrections are still required. A systematic method for creating the models increases model comparability.