CMT 25/2014

Automatische Erzeugung von Netzen für CFD-Berechnungen von Schiffsumströmungen (shipMesh)

 

Universität Rostock, Lehrstuhl Schiffbau
Prof. Dr.-Ing. Robert Bronsart, Dipl.-Ing. Lutz Kleinsorge, MSc Desta Milkessa Edessa

 

Das IGF-Vorhaben 17257 BR der Forschungsvereinigung Center of Maritime Technologies e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

 

Der Bericht kann bei CMT bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an igf(at)cmt-net.org

 

Projektbegleitender Ausschuss (PA):

FutureShip / DNV GL SE, Daniel Schmode/ Ole Hympendahl

Flensburger Schiffbau-Gesellschaft mbH & Co. KG, Dr. Florian Kluwe

Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH, Scott Gatchell/ Dr. Jochen Marzi

IBMV Maritime Innovationsgesellschaft, Steve Leonard

MTG Marinetechnik GmbH, Ulrich Neumann/ Yasar Naumann

Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH, Karsten Rieck/ Pascal Anschau

ThyssenKrupp Marine Systems GmbH, Dr. Wolfgang Sichermann

 

Zusammenfassung

Im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelte die Universität Rostock Methoden zur automatisierten Integration der Schiffsform in den Netzgenerierungsprozess.

CFD-Methoden zur Analyse der hydrodynamischen Eigenschaften sind heutzutage ein gängiges Werkzeug im Schffsentwurfsprozess. An das hierfür benötigte Netz werden hohe Anforderungen bzgl. seiner Qualität gestellt, da das Berechnungsergebnis maßgeblich hiervon abhängt. Einige der vorhandenen Netzgenerierungswerkzeuge bieten eine automatisierte Netzgenerierung an, jedoch hängt hierbei die Effizienz des Gesamtprozesses maßgeblich von der Qualitat der bereitgestellten CAD Geometrie der Schiffsform ab.

Im allgemeinen wird die Schiffsform durch eine Vielzahl einzelner Flächen dargestellt und mit Hilfe des IGES-Standards ausgetauscht. Durch Datenaustauschprobleme, numerische Ungenauigkeit, unpräzisen Entwurf oder sonstige Fehler erhält die Definition der Schiffsform ungewollte Toleranzen zwischen den Flächen, was zu Klaffungen, Löchern, Überlappungen, falschen Topologiebeziehungen und zu einer falscher Orientierung der Flächennormale führen kann. Dies alles verhindert eine zügige Verwendung der Geometrie in der Netzgenerierung. Diese Fehler müssen häufig mit erheblichen manuellen Aufwand behoben werden, was ein zeitaufwendiger Prozess ist, der vor der Netzgenerierung und CFD Analyse vorgenommen werden muss.

Als Konsequenz wurden in dem Projekt shipMesh Methoden entwickelt, um die Schiffsform automatisiert reparieren und die Geometrie fehlerkorrigiert für die Netzerstellung bereitstellen zu können. Diese ermöglichen die Reparatur häufiger topologischer und geometrischer Inkonsistenzen - wie oben genannt - von im IGES-Standard repräsentierten Freiformflächen. Aufbauend darauf wurden verschiedene Methoden entwickelt und bewertet, um Regionen der Schiffsform zu erkennen und für eine bessere Vernetzung bereitzustellen. Zur weiteren Verbesserung der Reparatur wurden zusätzlich Methoden entwickelt, mit deren Hilfe die Schiffsform als geschlossenen Körper dargestellt werden kann (d.h. Konstruktion des Decks, Spiegelung der Backbordseite nach Steuerbord). Basierend auf den Anforderungen der zwei gängigen Netzgenerierungsprogramme Numeca Hexpress und OpenFOAM snappyHexMesh wurden Strategien zur direkten Bereitstellung der fertigen Geometrie für die Netzerstellung erarbeitet.

Die entwickelten Methoden wurden beispielhaft in einem Softwareprogramm implementiert. Dieses liest die Schifsform als IGES-Datei ein, heilt alle Fehler und Inkonsistenzen mit geringem Nutzeraufwand, konstruiert - falls erwünscht - einen geschlossenen Schiffskorper und identifiziert verschiedene Bereiche der Form mittels der Datenbereichsmethode, um anschließend die geheilte Geometrie dem Netzgenerierungsprogramm zur Verfügung zu stellen. Das Werkzeug speichert hierbei die Geometrie als STL-Datei, um eine konsistente Weiterverarbeitung sicherzustellen.

Mit Hilfe der Beispielimplementierung ist es gelungen, einen automatisierten Netzgenerierungsprozess während der Projektlaufzeit durchzuführen. Die Flächenreparatur wurde mit Hilfe von vielen Testfallen überprüft und hinsichtlich ihrer Robustheit bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die erarbeiteten Methoden den zeitlichen Aufwand für die CAD Reparatur und die Bereitstellung der Geometrie für die Netzgenerierung und CFD Analyse stark verringern können. Neben diesen Ergebnissen besteht weiterer Forschungsbedarf hinsichtlich der Regionenerkennung und der Optimierung der Triangulisierung der Geometrie zur Bereitstellung für die Netzgenerierung.

Während einer Projektlaufzeit von zwei Jahren wurden die Ergebnisse des Projektes in einer Fachzeitschrift publiziert und auf zwei internationalen Fachkonferenzen vorgestellt.

Industriepartner waren IBMV in Rostock, SVA in Potsdam, FSG in Flensburg, FutureShip, MTG, ThyssenKrupp und HSVA.


Abstract

In ship design downstream applications such as mesh generation, structural/fluid/thermal analysis, rapid prototyping, production data generation, numerical controlled machining, casting end e.g. computer graphics are fundamentally based on computer aided design (CAD) models. Each of these downstream applications are strongly dependent on the accuracy and consistency of the input geometry. Due to data exchange issues, numerical problems, imprecise design, Software idiosyncrasies, the ship hull form representation in form of surface patches produced in the early design phase may abut within unpredictable tolerances, resulting in gaps, cracks, holes, overlaps, T-connections, invalid topology, and inconsistent orientation which resulted in elusive automatic grid generation. In many cases this requires additional tedious and time, resource consuming efforts to adapt the corrupted ship hull form CAD data for grid generation and further for CFD computation. This project developed a strategies and methods to reduce the time associated to geometric preprocessing and mesh generation for ship hydrodynamic computation. As a result an automatic ship hull form data repairing and domain preparation tool is developed. The tool helps to adapt geometries for automatic mesh generation and CFD computations. It is primary developed to resolve inconsistencies in parametric surfaces but also provide a repair based on STL file format. It reads patches in IGES file format and automatically detects and repairs commonly found geometrical and topological errors. Based on the repaired hull form automatic domain preparation strategies are implemented for mesh generators such as (Numeca Hexpress and OpenFOAMs snappyHexMesh). Data range region identification of ship hull forms is implemented which is able to divide hull forms into different regions and the repaired and consistent geometry is exported in the colored STL file format. The repair algorithms are tested against several test cases to evaluate the tool robustness. The results achieved reveal that the developed tool substantially decreases the time, and therefore cost, required for CAD data repairing and domain preparation. Based on colored STL file format, methods and procedures specific to ship hull form volume mesh generation with OpenFOAMs snappyHexMesh are developed. The developed strategies are scripted to ease the procedure for end user.

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