Modeling Techniques of Nested Helical Structure Based Geometry for Numerical Analysis

Abstract

Le but de cet article est d'introduire une nouvelle méthodologie de définition et de modélisation de la structure hélicoïdale imbriquée (NHS) pour les câbles métalliques, et de présenter une modélisation solide 3D précise des câbles métalliques, qui peut être utilisée pour l'analyse par éléments finis. Les équations paramétriques des câbles hélicoïdaux simples et imbriqués sont présentées. La déduction du cadre Frenet-Serret pour les structures hélicoïdales est expliquée, ce qui permet de définir un plan normal le long de l'axe d'une seule courbe hélicoïdale ou hélicoïdale imbriquée dans l'espace 3D. Les structures pleines hélicoïdales simples et imbriquées sont générées en balayant un cercle ou un quadrilatère en utilisant le trièdre mobile le long de l'axe de la géométrie hélicoïdale. Lorsque la longueur du NHS est augmentée, la qualité de surface du NHS diminue rapidement et il n'est pas possible de générer un bon maillage en utilisant les outils de CAO commerciaux. Cependant, la méthode proposée introduit une solution de modélisation des structures hélicoïdales sans limitation de longueur avec génération d'un maillage précis et valide. Des exemples illustratifs sont présentés pour montrer les avantages de la modélisation proposée procédure en utilisant l'analyse par éléments finis.El objetivo de este artículo es introducir una nueva metodología de definición y modelado de la estructura helicoidal anidada (NHS) para cables de acero, y presentar un modelado sólido 3D preciso de cables de acero, que se puede utilizar para el análisis de elementos finitos. Se presentan ecuaciones paramétricas de alambre helicoidal único y anidado. Se explica la derivación del marco de Frenet-Serret para las estructuras helicoidales. que permite definir un plano normal a lo largo de la línea central de una curva helicoidal única o helicoidal anidada en el espacio 3D. Tanto las estructuras sólidas helicoidales únicas como las helicoidales anidadas se generan barriendo un círculo o un cuadrilátero utilizando el triedro móvil a lo largo de la línea central de la geometría helicoidal. Cuando se aumenta la longitud del NHS, la calidad de la superficie del NHS disminuye rápidamente y no es posible generar una buena malla utilizando las herramientas CAD comerciales. Sin embargo, el método propuesto introduce una solución de modelado de estructuras helicoidales sin limitación de longitud con la generación de una malla precisa y válida. Se presentan ejemplos ilustrativos para mostrar los beneficios del modelado propuesto mediante el uso de análisis de elementos finitos.The aim of this paper is to introduce a new methodology of defining and modeling the nested helical structure (NHS) for wire ropes, and to present an accurate wire rope 3D solid modeling, which can be used for finite element analysis.Both single and nested helical wire parametric equations are presented.Derivation of the Frenet-Serret frame for the helical structures is explained, which enables one to define a normal plane along the centerline of a single helical or nested helical curve in 3D space.Both single helical and nested helical solid structures are generated by sweeping a circle or a quadrilateral by using the moving trihedron along the centerline of the helical geometry.When the length of the NHS is increased, surface quality of the NHS diminishes rapidly and it is not possible to generate a good mesh by using the commercial CAD tools.However, the proposed method introduces a solution of modeling helical structures without length limitation with generating an accurate and valid mesh.Illustrative examples are presented to show the benefits of the proposed modeling procedure by using finite element analysis.الهدف من هذه الورقة هو تقديم منهجية جديدة لتحديد ونمذجة الهيكل الحلزوني المتداخل (NHS) للحبال السلكية، وتقديم نمذجة صلبة ثلاثية الأبعاد للحبل السلكي دقيقة، والتي يمكن استخدامها لتحليل العناصر المحدودة. يتم تقديم كل من المعادلات البارامترية للسلك الحلزوني الفردي والمتداخل. يتم شرح اشتقاق إطار Frenet - Serret للهياكل الحلزونية، والتي تمكن المرء من تحديد مستوى عادي على طول الخط المركزي لمنحنى حلزوني واحد أو حلزوني متداخل في مساحة ثلاثية الأبعاد. يتم إنشاء كل من الهياكل الصلبة الحلزونية الحلزونية الواحدة والمتداخلة عن طريق مسح دائرة أو رباعي باستخدام المثلث السطحي المتحرك على طول الخط المركزي للهندسة الحلزونية. عندما يتم زيادة طول NHS، تتضاءل جودة سطح NHS بسرعة ولا يمكن توليد شبكة جيدة باستخدام أدوات CAD التجارية. ومع ذلك، تقدم الطريقة المقترحة حلاً لنمذجة الهياكل الحلزونية دون قيود طولية مع توليد شبكة دقيقة وصالحة. يتم تقديم أمثلة توضيحية لإظهار فوائد النمذجة المقترحة باستخدام تحليل العناصر المحدودة.