How to Mesh in FEMAP with HEX and TET elements

Hello!,
I have answered a question in the FEMAP FORUM about how to mesh with 3-D solid elements a complex assembly, here the requirement was to have at least 3 elements in the AIR VOLUME GAP between solid capacitors to capture with accuracy the fluid flow between components. The following picture shows the simplified geometry proposed by the end user and uploaded to the FEMAP Community to be used to show how to mesh with 3-D solid elements.

1.- HEX Meshing using SWEEP method

I have recorded a video where I teach how to mesh the above assembly using an alternate method to the classical one based in slicing solids and later use command MESH > MESH CONTROL > SIZE ON SOLID that automatically performs the multi-solid sizing in assemblies. Not, my alternative method is “manual” but not complex at all, basically we use the commands MESH > SWEEP followed by MODIFY > ASSOCIATIVITY > AUTOMATIC that allows to generate perfectly shaped hexahedral 8-nodes elements with excellent quality and very low reduced model size, valid only in such special cases where the geometry has a predominant direction of extrusion.

The first step in the model geometry preparation is to use command TOOLS > CONVERT UNITS because I noted the geometry was in meters, and the wall thickness of AIR GAP is only 2.54 mm, then to have 3 elements in the thickness the element size should be 2.54/3=0.85 mm (ie, 0.00085 meters). My experience tells me that working in meters in FEMAP is not recommended at all for both meshing and geometry reasons, the mesher can give error due to tight tolerances used internally by FEMAP. To help the conversion units more automatically search in the FEMAP directory where you have *.CT files like IDEAS_from_m_N_degK_to_mm_N_degC.CF that include all parameters to convert the full database of FEMAP (not only geometry, but also material properties, loads, etc..) from meters to milimeters:

The next step is to prepare the base 2-D mesh to sweep along a curve in the extrusion direction: the key is to use GEOMETRY > Curve – from Surface > Project command, first select the top surface and next select ALL curves to project over that surface, the result will be the following figure:

The next step is to mesh the splitted surfaces with 2-D Plot-Only elements: to arrive to a mapped mesh the key is to use MESH > MESH CONTROL > APPROACH ON SURFACE command and prescribe to all surfaces the option MAPPED – FOUR CORNER, the result after meshing is great, magic!, see next picture.

Next after using the MESH > SWEEP command the resulting HEXAHEDRAL 8-nodes 3-D solid elements will have an extremely good quality mesh, you can see yourself, the ASPECT RATIO = 1.0, perfect!. And the resulting model size is really, really low, the lowest possible. Also HEXAHEDRAL elements provide the best accuracy possible, they have superior performance to ANY other 3-D solid element, nothing compares.

The final step will be to use MODIFY > ASSOCIATIVITY > AUTOMATIC command, select ALL elements, next select ALL solids, and do not forget to activate the option DETAILED ASSOCIATIVITY SUMMARY, this will help you to control that not any element or node failed to associate with geometry. This command is great, in addition to the nodes and elements being associated to the main entity, they will then also be associated to the surfaces of solids, curves on those surfaces, and points on those curves allowing you to use geometry based commands in FEMAP (i.e., Loads and Constraints on geometry, any selection method using a geometric entity, etc.).

To learn more how to do it, please take a look to this video and enjoy!. By the way, sorry for my bad english speaking, I need to practice more!.

Also take a look to this another video, I have recorded as well to explain how to use HEX meshing with simply geometry solids, the idea was to explain how simple is to HEX mesh solids, then not need to think in meshing with tetrahedral elements all the time. The geometry is simply, I tried to explain basically the above geometry manipulation and meshing procedures. Ah!, enjoy the Country music.

And finally another example of HEX meshing using the great “MESH > SWEEP” command in FEMAP, in this case the solid part was meshed originally with TET10 elements resulting in a total model size of 49437 nodes: the same geometry meshed with HEX8 elements using exactly the same element size results in only 6872 nodes, a reduction of more than 86%, ie, meshing with TET10 elements will increase the model size in more than 7x times!! (enjoy the COUNTRY music again, I love it!, definitely I am a man of few words, better facts!!).

2.- TET Meshing using NonManifold-Add 

The next recorded video shows the Tetrahedral meshing approach that need to be followed with multi-solid assemblies where touching solid faces don´t have the same size. Here, I will show you how the two commands GEOMETRY > SURFACE > NonManifold-Add and GEOMETRY > SURFACE > RECOVER MANIFOLD GEOMETRY plays a critical role in cases where adjacent surfaces DON’T HAVE THE SAME SIZE: solid faces are coincident (touching each-other, yes), but if the two surfaces don’t have exactly the same size the mesh matching is not performed successfully, and the mesher will give errors of type “Unable to link mesh locations between Surface XXX and Surface YYY. Surfaces must be on same solid or coincident“.

To set the element size in multi-solid assemblies using the classical command MESH > MESH CONTROL > SIZE ON SOLIDS you need to SELECT ALL SOLIDS AT THE SAME TIME, and FEMAP will set a “slaved” mesh approach on surfaces that are adjacent to each other and with the same size. The user must ensure that the meshes on these two surfaces are identical. Setting one of the surfaces as a slave to the other insures a consistent mesh. This option automatically finds surfaces which are adjacent between multiple solids and slaves them to each other.

In cases where solid faces are touching each-other but don’t have the same size, simply run command Geometry > Surface > NonManifold-Add, select all solids and done!. The result will be ONENon-Manifold Solid Geometry”, an option in the Parasolid modeling kernel which creates “General Bodies” as opposed to regular solids (FEMAP solids). The command allows you to essentially Boolean Add solids to one another.

The key will be next to use immediately the command “Geometry > Surface > Recover Manifold Geometry“, here FEMAP will take the selected “general body” in your model and separate them into component “Manifold” Parasolid solids (FEMAP solids), maintaining the imprinted curves between touching surfaces, in summary, having coincident surfaces between solids with exactly the same size, and then the process of slaving mesh approach required to have consistent mesh between coincident surfaces will be successfully performed, OK?.

In the next video you can see that ALL solid bodies are initially perfectly cleaned, not any imprint exist, like the air component of the following image:

After using the command NonManifold-Add selecting all solids, followed by Recover Manifold Geometry then all components are each-other imprinted, see the result on the Air component:

It’s surprising how the command NonManifold-Add that is used mainly to work with stitched surfaces to mesh with 2-D Shell elements plays an important role (together with Recover Manifold Geometry command) to mesh multi-solid assemblies with 3-D Solid elements. Well, take a look to the following video where I explain how to perform the meshing approach, I hope you understand perfectly the workflow, if you have any question please do not hesitate to contact me, it will be a pleasure to be of help!!. Ah!, again the system of units here is critical, more than ever, working in millimeters is mandatory, forget at all to use meters. If for any reason you need to work in meters (typical in CFD jobs), first solve the meshing task in millimeters and when successful use command TOOLS > CONVERT UNITS to convert your model from millimeters to meters, OK?.

Saludos,
Blas.

 

• BEAM CROSS SECTION using SURFACE with REFERENCE POINT on FEMAP

En FEMAP desde hace varias versiones tenemos disponible una utilidad muy interesante para generar las propiedades de la Sección Transversal de elementos 1-D tipo viga CBAR/CBEAM a partir de la geometría CAD 3-D Sólida que permite crear el  PUNTO DE REFERENCIA a la vez que seleccionamos la superficie correspondiente a la sección transversal de la viga sobre la geometría CAD 3-D. Para que se active esta opción durante la creación de la Sección Transversal  de Vigas deberás seleccionar en FEMAP tanto el método Standard como Shape = General Section.

beam-cross-section-definition

El Punto de Referencia sólo se usa cuando se asignan los atributos de mallado a curvas usando la orden Mesh > Mesh Control > Attributes along Curve, siendo una manera cómoda de definir automáticamente el #OFFSET del centro de cortadura en secciones no simétricas.

mesh-attributes-along-curve

Aquí os dejo un vídeo explicando las ventajas de utilizar el PUNTO DE REFERENCIA a la hora de prescribir los attributos en curvas para mallar con elementos CBAR/CBEAM. Se trata de un ensamblaje de Aluminio 6066 (T6) compuesto por una placa de espesor 2.5 mm reforzada con perfiles tubulares de dimensiones 25x15x2.5 mm que se desean mallar con elementos 1-D viga CBEAM.

dimensiones-modelo

Se crea la superficie media de la placa para mallar con elementos 2-D Shell CQUAD4.

midsurface

Modelo final con la placa mallada con elementos 2-D Shell CQUAD4 y las vigas malladas con elementos CBEAM. La curva utilizada para mallar las vigas es la misma curva de la superficie media, por tanto los elementos CBEAM comparten nodos con los elementos CQUAD4. La clave está en utilizar como REFERENCE POINT el punto situado en la curva de la superficie media.

malla-shell-beam

Y aquí tenéis el vídeo con el ejemplo explicado paso-a-paso:

Saludos,
Blas.

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41.- FEMAP MIDSURFACE MODELING: Método “OFFSET”

Midsurface Modeling” se denomina así el proceso de extracción de la superficie media entre dos caras paralelas de la pared de un sólido con el objetivo de preparar la geometría para mallar con elementos Shell 2-D CQUAD4 en orden a reducir la complejidad del modelo y aumentar la precisión y exactitud del Análisis por Elementos Finitos.

Es un recurso muy potente, versátil y de máxima importancia, particularmente en análisis avanzados (lineales y no lineales) donde, por ejemplo, sería imposible abordar un problema de Análisis No Lineal Dinámico Transitorio Implícito (SOL601,129) con cientos de steps en caso de mallar con elementos sólidos tetraédricos CTETRA, el tamaño de la base de datos sería enorme, probablemente cientos de Gigas, habría que disponer de cientos de GB de memoria RAM para poder abrir el modelo debido al enorme tamaño de la base de datos resultante. Por esta razón es crítico conocer bien cómo crear superficies medias de forma rápida y eficiente para mallar con elementos Shell CQUAD4, en la práctica profesional del experto analista son los elementos más utilizados.

En FEMAP existen numerosas funcionalidades para la creación más o menos automática de superficies medias, las dos más importantes son:

  • Geometry > Midsurface > Automatic…“: agrupa en un mismo comando las tres órdenes siguientes de creación semi-manual de una superficie media: Generate, Intersect y Cleanup. La orden solicita que se introduzca una distancia máxima de búsqueda de pares de superficies, crea las superficies medias, las recorta y borra los trozos que sobran.

Las tareas que lleva a cabo esta orden son las siguientes:

Midsurface Auto
xxxx Surface(s) Selected…
Examining Surfaces…
Extracting Mid-Surfaces…
Removing Duplicates…
Intersecting Mid-Surfaces…
Identifying Unnecessary Mid-Surfaces…
Deleting Unnecessary Mid-Surfaces…

  • Geometry > Midsurface > Offset Tangent Surfaces…“: se utiliza preferentemente sólo con sólidos de espesor constante. La orden pide seleccionar una cara, busca todas las que sean tangentes en base a una tolerancia dada y genera la superficie media. Tiene una peculiaridad muy importante: las superficies medias generadas con el método OFFSET ya están “cosidas“, todas forman un único cuerpo, lo cual facilita el posterior mallado.

La utilización de una u otra orden dependerá en general del tipo de geometría de partida. Por ejemplo, en el siguiente modelo CAD 3-D sólido existe una intersección en T que condiciona como más adecuado el uso del método “Automatic” en vez de “Offset“.

La siguiente imagen muestra la malla generada a base de elementos Shell 2-D CQUAD4. Sobre dicha malla se representa el reparto de la calidad de los elementos utilizando el parámetro de distorsión de la malla ALTERNATE TAPER (se considera fallo cuando Q4_TAPER > 0.5) que en general es el parámetro de control de distorsión de la malla más exigente de NX Nastran con los elementos Shell CQUAD4.

La siguiente imagen muestra la distribución de la calidad de la malla en el modelo de elementos finitos utilizando el parámetro de distorsión de los elementos en base a la relación de aspecto (ASPECT RATIO, AR). Se considera fallo cuando el valor máximo es AR > 10.

Si quieres repetir este tutorial en tu propio ordenador pídenos los modelos con la geometría de entrada y te lo remitimos por e-mail, es un servicio gratuito y exclusivo para nuestros clientes de IBERISA.

Saludos,
Blas.

20.- TECNICAS AVANZADAS DE MALLADO 2-D

Hola!,
Cuando tenemos superficies con geometría complicada (o simplemente no regular) las opciones de mallado automático 2D “por defecto” en general no nos permiten conseguir mallas con elementos CQUAD4 de buena calidad, es entonces cuando debemos utilizar los recursos avanzados de mallado 2D. Este vídeo enseña cómo utilizarlos.

La orden “Mesh > Mesh Control > Approach On Surface ..” se utiliza en FEMAP para especificar el tipo de malla a crear en una superficie. Normalmente, si no se especifica ningún método, FEMAP decide si crear una malla libre (free mesh) o una malla estructurada (mapped mesh). Esta orden le permite al usuario tomar el control de la situación y crear mallas mapeadas de buena calidad…

MAPPED – FOUR CORNER

Este método de mallado 2-D permite crear una malla mapeada entre cuatro esquinas de una superficie, el orden de selección de puntos puede ser arbitrario.

La siguiente figura muestra las cuatro esquinas seleccionadas de una superficie. Para que FEMAP cree una malla mapeada es requisito imprescindible que la suma de elementos especificados en las curvas exteriores sea igual al nº de elementos en las curvas interiores. Este requisito es clave, si el nº de divisiones no coincide entonces FEMAP crea una malla libre.

No es obligatorio seleccionar los puntos de la superficie, FEMAP automáticamente realiza esta tarea por el usuario, lo cual es muy útil en superficies con numerosas curvas como en la siguiente figura:

En el vídeo adjunto podréis aprender cómo definir mallas utilizando el método “Mapped-Four Corner” y generar mallas como la siguiente:

MAPPED – THREE CORNER

Esta opción es similar al método “Four Corner Meshing Approach“. La malla resultante puede estar creada completamente a base de cuadriláteros, pero dependiendo de la geometría puede presentar elevada distorsión en ciertas zonas.

MAPPED – THREE CORNER FAN

Este método es similar al “Three Corner Meshing Approach”, la diferencia es que la malla resultante contiene únicamente triángulos en la primera esquina seleccionada.

CURVATURE-BASED MESH REFINEMENT

Existe un parámetro en la ordenMesh > Mesh Control > Size On Surface..” denominado Curvature Based Mesh Refinementque permite reducir automáticamente el tamaño del elemento en superficies con elevada curvatura.

La siguiente imagen es el resultado de activar la función de refinado de malla basado en la curvatura, en el vídeo adjunto explico cómo hacerlo:

QUAD EDGE LAYERS

Existe un parámetro en la ordenMesh > Geometry > Surface..” denominado Quad Edge Layersque permite especificar el nº de capas de elementos CQUAD4 que FEMAP tratará de crear en cada curva del contorno de una superficie.

La siguiente imagen muestra la malla resultante de combinar la orden WASHER con QUAD EDGE LAYERS = 2

Por supuesto, combinando las diferentes técnicas de mallado 2-D de superficies de FEMAP explicadas anteriormente podemos crear una malla “chula” como la de la figura, con la mínima distorsión de la malla posible — con imaginación!!:

En el siguiente vídeo explico las técnicas avanzadas de mallado 2-D de FEMAP V10.2 — espero que os sea útil!.

Saludos,
Blas.