Cartesian grid FEM (cgFEM): High performance h-adaptive FE analysis with efficient error control. Application to structural shape optimization

Abstract

More and more challenging designs are required everyday in today¿s industries. The traditional trial and error procedure commonly used for mechanical parts design is not valid any more since it slows down the design process and yields suboptimal designs. For structural components, one alternative consists in using shape optimization processes which provide optimal solutions. However, these techniques require a high computational effort and require extremely efficient and robust Finite Element (FE) programs. FE software companies are aware that their current commercial products must improve in this sense and devote considerable resources to improve their codes. In this work we propose to use the Cartesian Grid Finite Element Method, cgFEM as a tool for efficient and robust numerical analysis. The cgFEM methodology developed in this thesis uses the synergy of a variety of techniques to achieve this purpose, but the two main ingredients are the use of Cartesian FE grids independent of the geometry of the component to be analyzed and an efficient hierarchical data structure. These two features provide to the cgFEM technology the necessary requirements to increase the efficiency of the cgFEM code with respect to commercial FE codes. As indicated in [1, 2], in order to guarantee the convergence of a structural shape optimization process we need to control the error of each geometry analyzed. In this sense the cgFEM code also incorporates the appropriate error estimators. These error estimators are specifically adapted to the cgFEM framework to further increase its efficiency. This work introduces a solution recovery technique, denoted as SPR-CD, that in combination with the Zienkiewicz and Zhu error estimator [3] provides very accurate error measures of the FE solution. Additionally, we have also developed error estimators and numerical bounds in Quantities of Interest based on the SPR-CD technique to allow for an efficient control of the quality of the numerical solution. Regarding error estimation, we also present three new upper error bounding techniques for the error in energy norm of the FE solution, based on recovery processes. Furthermore, this work also presents an error estimation procedure to control the quality of the recovered solution in stresses provided by the SPR-CD technique. Since the recovered stress field is commonly more accurate and has a higher convergence rate than the FE solution, we propose to substitute the raw FE solution by the recovered solution to decrease the computational cost of the numerical analysis. All these improvements are reflected by the numerical examples of structural shape optimization problems presented in this thesis. These numerical analysis clearly show the improved behavior of the cgFEM technology over the classical FE implementations commonly used in industry.

Cada d'¿a dise¿nos m'as complejos son requeridos por las industrias actuales. Para el dise¿no de nuevos componentes, los procesos tradicionales de prueba y error usados com'unmente ya no son v'alidos ya que ralentizan el proceso y dan lugar a dise¿nos sub-'optimos. Para componentes estructurales, una alternativa consiste en usar procesos de optimizaci'on de forma estructural los cuales dan como resultado dise¿nos 'optimos. Sin embargo, estas t'ecnicas requieren un alto coste computacional y tambi'en programas de Elementos Finitos (EF) extremadamente eficientes y robustos. Las compa¿n'¿as de programas de EF son conocedoras de que sus programas comerciales necesitan ser mejorados en este sentido y destinan importantes cantidades de recursos para mejorar sus c'odigos. En este trabajo proponemos usar el M'etodo de Elementos Finitos basado en mallados Cartesianos (cgFEM) como una herramienta eficiente y robusta para el an'alisis num'erico. La metodolog'¿a cgFEM desarrollada en esta tesis usa la sinergia entre varias t'ecnicas para lograr este prop'osito, cuyos dos ingredientes principales son el uso de los mallados Cartesianos de EF independientes de la geometr'¿a del componente que va a ser analizado y una eficiente estructura jer'arquica de datos. Estas dos caracter'¿sticas confieren a la tecnolog'¿a cgFEM de los requisitos necesarios para aumentar la eficiencia del c'odigo cgFEM con respecto a c'odigos comerciales. Como se indica en [1, 2], para garantizar la convergencia del proceso de optimizaci'on de forma estructural se necesita controlar el error en cada geometr'¿a analizada. En este sentido el c'odigo cgFEM tambi'en incorpora los apropiados estimadores de error. Estos estimadores de error han sido espec'¿ficamente adaptados al entorno cgFEM para aumentar su eficiencia. En esta tesis se introduce un proceso de recuperaci'on de la soluci'on, llamado SPR-CD, que en combinaci'on con el estimador de error de Zienkiewicz y Zhu [3], da como resultado medidas muy precisas del error de la soluci'on de EF. Adicionalmente, tambi'en se han desarrollado estimadores de error y cotas num'ericas en Magnitudes de Inter'es basadas en la t'ecnica SPR-CD para permitir un eficiente control de la calidad de la soluci'on num'erica. Respecto a la estimaci'on de error, tambi'en se presenta un proceso de estimaci'on de error para controlar la calidad del campo de tensiones recuperado obtenido mediante la t'ecnica SPR-CD. Ya que el campo recuperado es por lo general m'as preciso y tiene un mayor orden de convergencia que la soluci'on de EF, se propone sustituir la soluci'on de EF por la soluci'on recuperada para disminuir as'¿ el coste computacional del an'alisis num'erico. Todas estas mejoras se han reflejado en esta tesis mediante ejemplos num'ericos de problemas de optimizaci'on de forma estructural. Los resultados num'ericos muestran claramente un mejor comportamiento de la tecnolog'¿a cgFEM con respecto a implementaciones cl'asicas de EF com'unmente usadas en la industria.