Unified computer-aided engineering through isogeometric analysis: a feature-based approach

Abstract

In this work, a prototype product development process utilizing feature-based computer-aided design, isogeometric analysis and additive manufacturing is implemented for exploring the possibilities of process integration with currently available methods and technologies.

The focus of the work is on the integration of design and analysis phases. The isogeometric analysis model is created by utilizing templates based on a feature-based design model. The feature-based approach is natural to engineering design. The presented approach reduces the complex process of creating a separate analysis model to a task of exporting the design model into a different file format. The approach is tested on a simple sweep feature but the results can be generalized to more complex features and assemblies. A mortar method is utilized for handling interfaces of multipatch geometries.

The work shows that isogeometric analysis provides a tightly integrated computer-aided product development process. Using a feature-based CAD model as a basis for the isogeometric analysis model is the novelty of this work. A similar template-based modeling approach has been utilized earlier in the context of isogeometric analysis but up to author's knowledge this is the first time the approach is combined with feature-based CAD modeling. In particular, the feature-based approach is shown to be an efficient method for creating trivariate isogeometric parametrizations. In addition, the work shows that to fully utilize additive manufacturing technologies computer-aided design, analysis and manufacturing need to be integrated.

Tässä työssä toteutetaan yhtenäistetyn tietokoneavusteisen tuotekehitysprosessin prototyyppi, joka hyödyntää piirrepohjaista suunnittelua, isogeometrista analyysiä sekä ainetta lisääviä valmistusmenetelmiä. Tavoitteena on tutkia tällä hetkellä käytössä olevien teknologioiden mahdollisuuksia yhtenäistetyn prosessin osina.

Työn painopiste on analyysi- ja suunnitteluvaiheiden yhdistämisessä. Analyysimallit luodaan piirrepohjaisen CAD-mallin pohjalta. Piirrepohjainen mallinnustapa on insinöörisuunnittelulle luonnollinen lähestymistapa. Työssä käytetyllä metodiikalla analyysimallin luominen redusoituu geometrian uudelleenmallintamisesta uuteen tiedostomuotoon tallentamiseksi. Menetelmää testataan yksinkertaisilla pyyhkäistyillä geometrioilla, mutta tehdyt johtopäätökset yleistyvät monimutkaisempiin geometrioihin sekä kokoonpanoihin. Mortar-menetelmää käytetään yhdistämään moniosaisten geometrioiden osa-alueet.

Työssä todennetaan isogeometrisen analyysin toimivuus osana pitkälle integroitua tietokoneavusteista tuotekehitysprosessia. Erityisesti työssä osoitetaan piirrepohjaisen lähestymistavan toimivuus kolmimuuttujaisten parametrisointien luomisessa. Piirrepohjaista menetelmää on hyödynnetty aiemmin isogeometrisen analyysin yhteydessä, mutta kirjallisuushakujen perusteella piirrepohjaista CAD-mallia hyödynnetään ensimmäistä kertaa tässä työssä. Työssä esitetyllä menetelmällä, jossa piirrepohjaisia CAD-malleja käytetään analyysimallien pohjana, on siis uutuusarvoa. Suunnittelu-, analyysi- sekä valmistustyökalujen integrointi osoitetaan välttämättömäksi ainetta lisäävien valmistusmenetelmien täysimääräiselle hyödyntämiselle.