Transcript Эффективное использование открытых пакетов SALOME

ВВЕДЕНИЕ
Эффективное использование открытых
пакетов SALOME, CalculiX, OpenFOAM для
создания расчётных сеток в задачах МСС
Калиш С.А. (НИЦ «Курчатовский институт»)
Крапошин М.В. (НИЦ «Курчатовский институт»)
Тагиров А.М. (НИЦ «Курчатовский институт»)
Сибгатуллин И.Н. (НИИ механики МГУ им. Ломоносова)
Стрижак С.В. (МГТУ им. Баумана)
1
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ
●
2
Скачать репозиторий и проверить
окружение
https://unihub.ru/tools/unicfdc04/svn/trunk/
data
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА
●
●
●
●
3
Ознакомление с современным открытым
инструментарием построения сеток для задач
механики сплошных сред
Ознакомление с базовыми принципами построения
сеток и контроля их качества
Освоение навыков эффективной работы с наиболее
известными открытыми пакетами для построения
сеток
Исследование возможностей взаимодействия
конечно-элементных и конечно-объёмных пакетов
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ СЕТОК
Численная сетка — дискретное представление геометрической
области, в которой решается задача.
Основные типы сеток:
1) Структурированные (регулярные) сетки, в том числе
- ортогональные
- неортогональные
- H-типа, O-типа, C-типа
2) Блочно-структурированные сетки, в том числе:
- сетки с совмещением на внутренних границах
- сетки без совмещений на внутренних границах
- композитные сетки или химеры
3) Неструктурированные сетки
4
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
СТРУКТУРИРОВАННЫЕ(РЕГУЛЯРНЫЕ) СЕТКИ
●
●
●
Структурированные (регулярные) состоят из семейств
линий, таких что члены одного семейства не
пересекаются между собой и пересекают любую
линию из другого семейства только один раз.
В структурированных сетках положение любой точки
сетки (или контрольного объема) в области уникально
определяется набором двух (в 2D) или трех (в 3D)
индексов, например, (i, j, k).
Логически эквивалетна декартовой сетке
5
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
СВОЙСТВА СТРУКТУРИРОВАННЫХ СЕТОК
Достоинства:
●
●
Простота описания: один из индексов каждой соседней точки P отличается на 1
от соответствующего индекса точки P.
При дискретизации уравнений в ч. п. результирующая матрица системы
алгербраических уравнений обладает регулярной структурой, что может
использовано при разработке метода решения
Недостатки:
●
●
Применение только в простых геометриях расчетной области
Измельчение сетки в одной области влечет слишком мелкую сетку в других
областях решения и бесполезную трату ресурсов. Длинные узкие ячейки могут
плохо влиять на сходимость.
6
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
ПРИМЕР СТРУКТУРИРОВАННОЙ
НЕОРТОГОНАЛЬНОЙ СЕТКИ H-типа
Двумерная структурированная неортогональная сетка, разработанная для
расчета течения в симметричном фрагменте пучка труб (элемент ячейки
периодичности)
Н-тип сетки при отображении на прямоугольник имеет четыре различные
гранцы — северную, южную, западную и восточную
7
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
СТРУКТУРИРОВАННЫЕ СЕТКИ O-типа,
БЛОЧНО-СТРУКТУРИРОВАННЫЕ СЕТКИ
В сетках O-типа линии одного из семейств замкнуты.
Для определения координат необходимо ввести разрез,
на котором координат испытывает скачек.
Блочно-структурированные сетки состоят из набора структурированных сеток.
На рисунке показана блочно-структурированная сетка с совмещением линий
на границах.
Внешнаяя сетка является сеткой H-типа.
8
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
СТРУКТУРИРОВАННЫЕ СЕТКИ C-типа,
БЛОЧНО-СТРУКТУРИРОВАННЫЕ СЕТКИ
БЕЗ СОВМЕЩЕНИЙ НА ИНТЕРФЕЙСАХ
●
В сетках С-типа точки на части одной из линий совпадают, и требуется ввести
разрез аналогично разрезу на сетках типа O.
●
Такой тип часто используется для тел с острыми кромками
●
На рисунке показана блочно-структурированная
сетка без совмещений линий на границах
9
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
КОМПОЗИТНЫЕ СЕТКИ
Композитная двумерная сетка для расчета обтекания цилиндра в канале
Композитные сетки или химеры или погруженные сетки - блочно-структурированные
сетки с перекрывающимися блоками
Достоинство: можно использовать для двигающихся тел.
Недостаток: на границах трудно соблюдать консервативноть численных методов
10
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
НЕСТРУКТУРИРОВАННЫЕ СЕТКИ
●
Подходит для областей произвольных геометрий
●
Нет ограничений на форму и количество соседних элементов
●
Возможность локального измельчения
Недостатки:
●
11
Нерегулярность структуры данных, соответственно более
сложные и медленные алгоритмы решения.
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
Двойственные сетки
Ячейки двойственной сетки привязаны к узлам, а узлы - к центрам ячеек основной сетки.
12
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
Общая структура сеток
●
●
●
●
●
13
Сетки состоят из вершин (точек) и ячеек
(элементов)
Взаимное расположение вершин и ячеек
определяет связность (connectivity)
Для хранения информации о сетке обычно не
требуется явно задавать грани и ребра,
достаточно определить тип сетки и связность.
Исключение составляет произвольный
многогранник, для которого грани хранятся явно
Сетка полностью определяется набором вершин
и топологией
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
Поля значений на сетках (аттрибуты)
●
14
Давление, температура,
скорость и т. д.
(аттрибуты) могут
задаваться в узлах сетки,
вершинах или ячейках
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
Метод конечных элементов
●
●
●
●
15
В каждом элементе (ячейке) неизвестная
функция представляется комбинацией
базисных или весовых функций и затем
минимизируется ошибка исходного
уравнения:
Коэффициенты при базисных функциях
выражаются через значения в вершинах
элементов
Уравнение сохранения умножается на
весовую функцию и интегрируется по
всему объему
В результате получается СЛАУ с
неизвестными значениями в вершинах
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
Метод контрольного объема.
●
Законы сохранения в общем виде записываются
●
Аппроксимация поверхностных интегралов
●
Аппроксимация объемных интегралов
16
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
Метод контрольного объема:
расположение узлов и граней
17
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
●
●
18
Метод контрольного объема:
расположение узлов в ячейках
Узлы располагаются в
центрах ячеек.
Преимущество: лучше
аппроксимация объемных
интегралов
Грани располагаются по
ценрту между узлами.
Преимущество: более
точная аппроксимация
центральными разностями
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
СТРУКТУРА КУРСА
●
День 1
●
●
●
●
●
●
19
Создание блочно-структурированных сеток —
blockMesh
Структурный Анализ. МКЭ - CalculiX GraphiX,
CalculiX CrunchiX
Ручная параметризация
Построение неструктурированных сеток с
помощью snappyHexMesh
Демонстрация и самостоятельная работа
День 2
●
SALOME, построение геометрии
●
Параметризация геометрии в salome
●
Построение сеток в SALOME
●
Демонстрация и самостоятельная работа
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР КУРСА - Создание блочноструктурированных сеток - blockMesh
●
20
Рассматриваются принципы создания блочноструктурированных сеток средствами
OpenFOAM:
●
Задание вершин
●
Топологии
●
Внешних границ
●
Ориентирование
●
Склеивание блоков
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР КУРСА — Структурный Анализ. МКЭ CalculiX GraphiX, CalculiX CrunchiX
●
●
Работа в пакетном и интерактивном режимах
●
Типы элементов
●
Сохранение данных
●
●
21
Создание конечно-элементных сеток
средствами CalculiX
Основы использования пакета для решения
задач статической прочности с помощью МКЭ
Задание исходных данных
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР КУРСА — Ручная параметризация
●
Даются основы использования языков
высокого уровня для параметризации сеток,
представляемых в виде текстовых файлов:
●
●
22
Основные принципы параметризации
текстовых файлов
Язык bash — основные определения,
операции ветвления и циклов
●
Язык макроподстановок m4
●
Язык Perl — работа с текстом
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР КУРСА — построение неструктурированных сеток с
помощью snappyHexMesh
●
Описание утилиты snappyHexMesh:
●
Принцип работы утилиты
●
Формат исходных данных
●
●
23
Уровни разбиения сетки: а) построение
«зазубренной» сетки, б) привязка узлов к
исходной геометрии, в) построение
призматических слоёв
Контроль качества сетки
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР КУРСА — Самостоятельная работа, 1
●
Для получения практических навыков в
использовании blockMesh, CalculiX,
snappyHexMesh и ручной параметризации
рассматриваются примеры:
●
●
●
24
Напряженно-деформированное состояние
балки
НДС пластины с вырезанным в центре
цилиндром
Анализ сеточной сходимости, сравнение МКО
и МКЭ
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР КУРСА — SALOME, построение геометрии
●
●
25
Подходы к созданию геометрии в SALOME
Работа с геометрическими объектами на
плоскости и в пространстве
●
Поддержка криволинейной геометрии
●
Операции преобразования координат
●
Контроль качества геометрии
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР КУРСА — параметризация геометрии в
SALOME
●
●
●
26
Рассматривается способ «полуавтоматической» параметризации геометрии в
SALOME с помощью инструмента
«Notebook»
Анализ Python-сценариев, генерируемых
SALOME при работе с геометрией и сеткой
В качестве примера используется задача
консольно закреплённой балки из первого дня
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР КУРСА — построение сеток в SALOME
●
●
27
Принципы построения сетки в SALOME
Способы дискретизации каркасов,
поверхностей и объёмов в SALOME
●
Контроль качества сеток
●
Ручная модификация сеток
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР КУРСА — самостоятельная работа, 2
●
●
●
●
28
Создание сетки в задаче обтекания профиля
Создание сетки в задаче моделирования
течения в миксере
Импорт сеток из SALOME в CalculiX и
OpenFOAM
Использование различных сеток в одной
задаче
Институт Системного Программирования РАН
ВВЕДЕНИЕ
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
29
Институт Системного Программирования РАН