Netz-Morphing

Im Bereich der numerischen Simulation ist Netz-Morphing eine Technik um eine vorhandene Geometrie oder ein bestehendes FEM- bzw. CFD-Netz durch eine gezielte Verzerrung zu verändern. In der ursprünglichen Form dieser Methode beziehen sich die Änderungen nur auf die Positionen der Knoten, die Konnektivität der Elemente bleibt also erhalten. Gleiches gilt für alle anderen Modelldefinitionen, wie z.B. Lasten, Randbedingungen, Kontakteinstellung, Materialdaten. Auf diese Weise lässt sich ein Simulationsmodell schnell an eine geänderte CAD-Geometrie anpassen oder eine neue Geometrie ohne die Verwendung eines CAD-Modells herstellen.

Geometrieänderung durch Netz-Morphing ohne Neuvernetzung der geänderten Bereiche

Beschränkt man die Methode auf die reine Verzerrung der Knotenpunkte, entstehen mit zunehmender Verformung des Netzes mitunter unzulässig stark deformierte Elemente. Der Raum für mögliche Modifikationen ist dadurch also beschränkt. Um diese Limitierung zu umgehen, wird das Morphing in der Praxis oftmals um eine Neuvernetzung, der betroffen Bereiche erweitert. Auf diese Weise lassen sich auch grosse Geometrieveränderungen umsetzen.

Geometrieänderung durch Netz-Morphing mit Neuvernetzung der geänderten Bereiche

Für das Netz-Morphing wird eine zusätzliche Modellbeschreibung benötigt. Mit dieser wird festgelegt, nach welchen Regeln die Knoten einzelner Modellbereiche verzerrt werden können und unter welchen Voraussetzungen eine Neuvernetzung durchgeführt wird. Hierfür haben sich im Wesentlichen zwei Varianten durchgesetzt, das Box-Morphing und das Direkt-Morphing.

Box-Morphing

Bei Box-Morphing werden zunächst ein oder mehrere Kontrollvolumen oder Kontrolldomains erstellt, die jeweils einen Teil des ursprünglichen Netzes umschliessen. Die einfachste Form eines 3D Kontrollvolumens ist hierbei ein Quader. Über die Veränderung der Position der Eck- bzw. Kontrollpunkte kann die Morphing-Domain angepasst werden. Dabei folgen die darin eingeschlossenen Knoten des Netzes dieser Verzerrung im Verhältnis ihrer individuellen Abstände zu den Kontrollpunkten. Die Knoten die zu benachbarten Kontrollvolumen gehören, verändern ihre Position nur, wenn auch deren Kontrollpunkte eine Änderung erfahren haben. Der Aufbau und die Einteilung des Modells in geeignete Morphing-Boxen ist von der Aufgabe abhängig und benötigt etwas Erfahrung. Durch die Berücksichtigung von Symmetriebedingungen sowie die Möglichkeit gemusterte Anordnungen abzubilden, aber auch durch in sich geschachtelte Kontrollvolumen kann die Handhabung und Parametrierung des Morphing-Modells vereinfacht werden.

Direkt-Morphing

Im Gegensatz zum zuvor beschriebenen Praxis des Box-Morphing verzichtet das Direkt-Morphing auf die Erstellung von Kontrollvolumen. Hier wird stattdessen der zu verändernde Elementbereich direkt am Modell definiert. Die den Elementen zugehörigen Knoten können sich in drei Kategorien einteilen lassen. Eine Gruppe bilden die Knoten, die ihre Position nicht verändern dürfen. Dies sind in der Regel die Randknoten an der Schnittstelle zu benachbarten Elementen und andere fest definierte Bereiche die irgendeiner Restriktion unterliegen. Dem gegenüber stehen die Knoten, deren Koordinaten gezielt und unmittelbar verändert werden sollen. Die letzte Gruppe bilden die verbleibenden Knoten, die sich mit den veränderlichen mitbewegen. Der Betrag und die Richtung der Bewegung hängen auch hier von den individuellen Abständen zu den direkt veränderlichen Knoten ab.

Beide Varianten bieten je nach Anwendungsfall Vorteile und können parallel in einem Modell zur Anwendung kommen. Ebenso wird in beiden Fällen jede Morphing-Operation über verschiedene Parameter definiert. Diese können einzeln oder gruppiert über einen Optimierungsalgorithmus angesprochen werden und für die Suche nach einer optimalen Geometrie herangezogen werden.

Bedeutung

Mit dem Morphing existiert seit vielen Jahren eine leistungsfähige Alternative zum CAD basierten Ansatz der Geometrieanpassung. Mit dem Verzicht auf den Schritt zurück ins CAD-System entfallen einige, teils sehr zeitintensive Arbeitsschritte. So ist unter anderem der notwendige Export aus dem CAD und neuerlichen Import in den Preprocessor nicht mehr notwendig. Auch die daran anschliessenden Prozesse wie Geometriebereinigung, eine vollständige oder teilweise Neuvernetzung und schliesslich die Zuweisung aller sonstigen Modelldefinitionen sind nicht notwendig.

Insbesondere wenn es sich um komplexe Modelle mit vielen Bauteilen und Definition oder komplizierte Geometrien mit vielen Freiformflächen handelt, bietet diese Methode daher sehr grosse Vorteile. Neben der reinen Arbeitsgeschwindigkeit erhöht sich auf diese Weise auch die Arbeitsqualität, da mit den eingesparten Arbeitsschritten auch Fehlermöglichkeiten reduziert werden.

Zum Einsatz kommt Morphing vor allem in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und in der Entwicklung von Schienenfahrzeugen. Dies liegt vor allem auch daran, dass die Preprocessor, die Morphing anbieten und unterstützen in diesen Branchen am weitesten verbreitet sind.