注射成形过程三维模拟快速求解及前后置处理技术

发布时间：2020-04-29 19:48

【摘要】：塑料注射成形模拟对塑料加工领域中的工艺优化、生产成本降低和产品周期缩减起到了不可替代的作用,基于Hele-Shaw假设的二维半模型由于忽略了厚度方向的部分变量,所以无法准确地模拟厚薄不均的制件以及厚壁件的注射成形过程,随着注塑制件日益复杂化和精密化,对注射成形过程三维模拟技术的研发已经成为必然趋势。由于注塑件外形结构复杂,为了更好地计算复杂的求解域,三维模拟往往会采用非结构网格,网格规模与二维半模型相比增加了一个数量级以上,同时由于注射成形过程中塑料熔体物理量变化剧烈,非结构网格必须划分得极为复杂细致才能保证模拟求解过程的高效和稳定,一般而言网格表层由若干层细小的三棱柱或者六面体组成,而内层则划分为尺寸较大的四面体。复杂的非结构网格大大增加了三维模拟前后置处理难度和求解难度,本文针对注射成形过程三维模拟中的前置处理、后置处理以及充填过程中速度压力耦合方程的求解问题,主要展开了如下工作:本文定义了复杂非结构网格的通用数据结构和文件读取接口,通过生成表面网格来实现复杂非结构网格的快速渲染,并利用可编程渲染管线技术提高三维实体网格渲染速率,进一步实现了复杂非结构网格的边界条件设置功能,有效地解决了复杂非结构网格的庞大的数据量和复杂的拓扑关系对前置处理中数据存取、图形渲染以及边界条件设置造成的巨大困难。本文利用VTK的外部渲染模式,在其稳定高效的数据处理算法的基础上,研究了复杂非结构网格标量场的颜色云图、等值面和等色带,矢量场的三维符号图以及曲线图的高效渲染技术,并进一步研究了剪切剖视等可视化功能,完成了复杂非结构网格的后处理数据场的可视化和人机交互功能,从而避免了复杂非结构网格的后处理场的大量的渲染数据带来的性能问题。在三维充填模拟模块中,速度-压力全耦合算法会产生一个大规模的极其病态的非正定的块状线性方程组,常见的迭代求解技术和代数多重网格等方法都难以直接对其进行求解。本文对该方程系统的块状特点和求解难点进行了详细分析,提出了一种基于舒尔补预处理子的FGMRES算法,通过将速度-压力耦合方程分离为速度和压力子系统,利用块状雅可比和代数多重网格法分别对子系统进行求解,加快了迭代求解的收敛速度,有效地提高了三维数值模拟整体的求解速率。在上述基础上,本文实现了基于非结构网格的高效三维模拟系统,首先通过应用实例验证了该三维模拟系统的可行性,然后利用短射实验验证了该三维模拟系统的模拟准确性。在最后的方程测试中,舒尔补预处理的FGMRES算法与BGS-FGMRES等其他算法相比,效率基本上提高了47.4%,很好地体现了该算法的高效性;而且在不同规模的网格下,该算法也保持了良好的稳定性和可扩放性;并行效率测试进一步验证了该算法良好的并行性能。
【图文】：

图 3-1 CGNS 树状数据结构对 CGNS 网格文件中的几何信息进行读取，并利用 MLL用 cg_open 和 cg_base_read 打开 CGNS 文件并读取到根 遍历各个区域的信息：在每个区域中，首先读取顶点取所有顶点的坐标，将顶点插入到非结构网格对象中；型，由于CGNS会将存放单元的顶点索引数组分成不同的tion_read 读取区域中不同段在数组中的具体位置，在 读取段中的各个单元对应的顶点索引以及单元类型，并建单元，并将其添加到非结构网格；最后根据非结构网构网格的拓扑结构。流程图如图 3-2 所示：

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文非结构网格中三维实体网格渲染效果相近，而每帧的渲染时间对比如表网格单元数从 29 万增长到 94 万，本文渲染引擎的每帧的渲染时间一直s，远远小于 HsCAE3D 原有渲染引擎的渲染时间，FPS 也一直保持在 64到更佳的效果与本文采用了普通性能显卡和开启了垂直同步有关，，但是普通 PC 上，与 HsCAE3D 原有渲染引擎相比，本文渲染引擎极大地提高格的渲染速度。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ320.662

【参考文献】

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本文编号：2644931