ポンプブラケットのモーダル解析の可視化

次の例は，PyVistaを使用して，異なる振動モードのモード形状を表す点配列に基づいて，ポンプブラケットのモード解析を可視化する方法を示しています．

背景 モーダル解析は，機械構造物の動的特性を周波数領域で研究するものです．特に自動車，航空宇宙，土木工学などの構造力学において一般的な手法です．

モード形状とは，構造物の特定の固有振動数かモードで発生する変形パターンです．構造物が外力によって励起されると，構造物はすべての固有振動数で応答し，各モード形状は他から独立しています．この例では，モード形状を可視化することで，ポンプブラケットが異なる振動モードに対してどのように応答するかを理解することができます．

import numpy as np

import pyvista as pv
from pyvista import examples

データセットを読み込む

download_pump_bracket() を使って，データセットをロードすることから始めます．

この例では，ポンプブラケットのモード形状の可視化，その大きさの表現，および変位のアニメーションを示しています．この例で使用したデータセットには，10個のモード形状(disp_0～disp_9)が含まれています．

dataset = examples.download_pump_bracket()
dataset

Header

Data Arrays

UnstructuredGrid Information N Cells 124806 N Points 250487 X Bounds -5.000e-01, 5.000e-01 Y Bounds -4.000e-01, 0.000e+00 Z Bounds -2.500e-02, 2.500e-02 N Arrays 10

Name Field Type N Comp Min Max disp_0 Points float32 3 -5.702e-02 1.000e+00 disp_1 Points float32 3 -9.769e-01 1.000e+00 disp_2 Points float32 3 -9.165e-01 1.000e+00 disp_3 Points float32 3 -9.808e-01 1.000e+00 disp_4 Points float32 3 -9.494e-01 1.000e+00 disp_5 Points float32 3 -9.759e-01 1.000e+00 disp_6 Points float32 3 -7.134e-01 1.000e+00 disp_7 Points float32 3 -8.740e-01 1.000e+00 disp_8 Points float32 3 -6.784e-01 1.000e+00 disp_9 Points float32 3 -8.212e-01 1.000e+00

データセットのプロット

データセットにある利用可能な配列からモードシェイプを選択します．各 "disp_N" 配列は，与えられた振動モードに対する固有解または単一モード形状を表します．

データセットの4番目のモードをプロットします．これはブラケットの最初のねじりモードです．

cpos = [
    (0.744, -0.502, -0.830),
    (0.0520, -0.160, 0.0743),
    (-0.180, -0.958, 0.224),
]

dataset.plot(
    scalars='disp_3',
    cpos=cpos,
    show_scalar_bar=False,
    ambient=0.2,
    anti_aliasing='fxaa',
)

変位モード形状の可視化

ここでは， warp_by_vector を使って元のデータセットを変位させ，ポンプブラケットのモード形状を可視化します．

# Create a plotter
pl = pv.Plotter()

# Add the undeformed pump bracket
pl.add_mesh(dataset, color="white", opacity=0.5)

# Add the deformed pump bracket with the mode shape
warp = dataset.warp_by_vector('disp_2', factor=0.1)
pl.add_mesh(warp, show_scalar_bar=False, ambient=0.2)

pl.camera_position = cpos
pl.enable_anti_aliasing('fxaa')
pl.show()

モード形状の変位をアニメーション化します

各時間ステップで頂点位置を更新することで，モードシェイプの変位をアニメーション化します．よりリアルなアニメーションを実現するために，正弦波関数を使用して変位を変化させます．

# feel free to change this to visualize different mode shapes
mode_shape = 'disp_6'

# copy the dataset as we will modify its coordinates
ds = dataset.copy()

pl = pv.Plotter(off_screen=True)
pl.add_mesh(ds, lighting=True, color='w')
pl.camera_position = cpos
pl.enable_anti_aliasing('fxaa')

n_frames = 16
pl.open_gif("pump_bracket_mode_shape.gif")
for phase in np.linspace(0, 2 * np.pi, n_frames, endpoint=False):
    # use the original unmodified points, modify copy inplace
    ds.points = dataset.points + ds[mode_shape] * np.cos(phase) * 0.05
    pl.write_frame()

pl.close()