ANSYS高級分析子結(jié)構(gòu)

1、1 引言在 ANSYS平臺上，所謂子結(jié)構(gòu)技術(shù)就是將一組單元用矩陣凝聚為一個單元過程的技術(shù)， 切吧這個單一的矩陣單元稱為超單元。 在 ANSYS分析中，超單元可以象其他單元類型一樣使用。 唯一的區(qū)別就是必須先進(jìn)行結(jié)構(gòu)生成分析以生成能夠利用的超單元。但子結(jié)構(gòu)并非在所有 ANSYS模塊中都能利用，目前 ANSYS子結(jié)構(gòu)技術(shù)可以在 ANSYS/Mutiphysics ，ANSYS/Mechanical 和 ANSYS/Structural中使用。在 ANSYS平臺上，使用子結(jié)構(gòu)的目的主要是為了節(jié)省機(jī)時，并且允許在比較有限的計算機(jī)設(shè)備資源的基礎(chǔ)上求解超大規(guī)模的問題。 比如進(jìn)行非線性分析和帶有大量重復(fù)幾何

2、結(jié)構(gòu)的分析。 在非線性分析中， 可以將模型線性部分作成子結(jié)構(gòu)，這部分的單元矩陣就不用在非線性迭代過程中重復(fù)計算。 而在有重復(fù)幾何結(jié)構(gòu)的模型中（如有四條腿的桌子），可以對于重復(fù)的部分生成超單元，然后將它拷貝到不同的位置，這樣做可以節(jié)省大量的計算時間和計算機(jī)資源。子結(jié)構(gòu)還用于模型有大轉(zhuǎn)動的情況下。對于這些模型， ANSYS假定每個結(jié)構(gòu)都是圍繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)動的。 在三維情況下， 子結(jié)構(gòu)有三個轉(zhuǎn)動自由度和三個平動自由度。在大轉(zhuǎn)動模型中， 用戶在使用部分之前無須對子結(jié)構(gòu)施加約束， 因為每個子結(jié)構(gòu)都是作為一個單元進(jìn)行處理，是允許剛體位移的。對于大型三維問題的分析而言，需用磁盤空間相對于一個普通計算機(jī)系統(tǒng)來說太

3、龐大了， 在這種情況下， 用戶可以通過子結(jié)構(gòu)將問題分塊進(jìn)行分析， 從而使得每一塊對于計算機(jī)系統(tǒng)來說都是可以計算和承受的。2 ANSYS子結(jié)構(gòu)使用步驟1 ）ANSYS子結(jié)構(gòu)生成部分生成部分就是將普通的有限元單元凝聚為一個超單元。凝聚是通過定義一組主自由度來實現(xiàn)的。 主自由度用于定義超單元與模型中其他單元的邊界， 提取模型的動力學(xué)特性。 圖 1 是一個板狀構(gòu)件用接觸單元分析的示意。 由于接觸單元需要迭代計算， 將板狀構(gòu)件形成子結(jié)構(gòu)將顯著地節(jié)省機(jī)時。 本例中，主自由度是板與接觸單元相連的自由度。圖 1子結(jié)構(gòu)使用示例2 ）ANSYS子結(jié)構(gòu)使用部分用部分就是將超單元與模型整體相連進(jìn)行分析的部分。整個模型

4、可以是一個超單元，也可以象上例一樣是超單元與非超單元相連的。使用部分的計算只是超單元的凝聚（自由度計算僅限于主自由度）和非超單元的全部計算。3 ）ANSYS子結(jié)構(gòu)擴(kuò)展部分使擴(kuò)展部分就是從凝聚計算結(jié)果開始計算整個超單元中所有的自由度。如果在使用部分有多個超單元，那么每個超單元都需要有單獨(dú)的擴(kuò)展過程。圖 2 示出了整個子結(jié)構(gòu)分析的數(shù)據(jù)流向和所用的文件。三個步驟的詳細(xì)解釋見以后的敘述。圖 2 典型子結(jié)構(gòu)分析中的數(shù)據(jù)流向3 關(guān)于子結(jié)構(gòu)生成部分本節(jié)主要介紹在 ANSYS子結(jié)構(gòu)生成部分在使用時的一些操作技術(shù)問題。在利用子結(jié)構(gòu)生成部分生成超單元時分為兩步： 建立模型、施加邊界條件， 生成超單元矩陣。3.1

5、建立模型在子結(jié)構(gòu)建立模型的工作中，通用性的工作指定文件名和分析名稱，用PREP7定義單元類型，單元實參，材料特性和模型幾何結(jié)構(gòu)。而需要特別注意和記憶的有以下幾點：1 ）文件名：在子結(jié)構(gòu)分析中很有用處。有效地使用文件名，在三部分分析中可以省略很多文件處理操作?？梢杂靡韵路椒ㄖ付ㄎ募篊ommand: /FILENAMEGUI: Utility MenuFileChange Jobname如： /FILENAME,GEN2 ）單元類型： ANSYS提供的絕大多數(shù)單元都可以用來生成超單元。唯一的限制是單元必須是線性的。如果生成超單元時有雙線性單元的話， ANSYS將自動作為線性單元處理。 需要注意

6、的是在直接耦合中帶載荷向量的耦合單元是不能做子結(jié)構(gòu)分析的。可以用同種形狀的單元來替代。 細(xì)節(jié)參看 ANSYSCoupled-FieldAnalysis Guide。3 ）材料特性：定義所有必須的材料特性。例如，如果生成質(zhì)量矩陣，就必須定義密度或其他形式的質(zhì)量； 如果要生成熱傳導(dǎo)矩陣， 就要定義比熱。同樣，超單元是線性的，非線性材料將被忽略。4 ）模型生成：在生成部分，主要生成模型的超單元部分。非超單元部分是在以后的使用部分生成的。 但是，在建模的開始就需要對模型的兩個部分有所規(guī)劃，主要是確定超單元部分和非超單元部分如何連接。 為了保證連接正確， 應(yīng)該保證接觸部分結(jié)點號一致。如果想生成整體模型則

7、需將模型存儲在數(shù)據(jù)庫文件中，選擇子結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行生成計算。在以后的使用部分， RESUME（Utility MenuFileResumefrom ）數(shù)據(jù)庫文件，不選（ unselect ）子結(jié)構(gòu)，用超單元矩陣代替。3.2 邊界條件與超單元矩陣生成部分的結(jié)果包含超單元矩陣。象其他分析一樣，用戶要自行定義分析類型和分析設(shè)置、施加邊界條件、定義載荷步、開始計算。這部分的分析步驟如下文所示：1 ）進(jìn)入求解器Command: /SOLUGUI: Main MenuSolution2 ）定義分析類型和分析設(shè)置分析類型選擇生成超單元使用下列方法：Command: ANTYPEGUI: Main MenuSol

8、ution-Analysis Type-New Analysis3 ）用下列方法定義主自由度Command: MGUI: Main MenuSolutionMaster DOFsDefine4 ）施加邊界條件5 ）定義載荷步選項子結(jié)構(gòu)中可以施加的載荷如表 1 所示。表 1 子結(jié)構(gòu)中可以施加的載荷6 ）存儲數(shù)據(jù)庫的備份文件Command: SAVE7 ）開始計算Command: SOLVEGUI: Main MenuSolutionCurrent LS計算結(jié)果包括超單元矩陣文件， Sename.SUB，Sename是通過 SEOPT指定的文件名或是工作文件名 /FILENAME。矩陣文件包括根據(jù)

9、施加的載荷計算出的載荷向量。（如果沒有施加載荷，載荷向量將為零。）8 ）如有另外的載荷步，重復(fù)步驟7 來生成其他的載荷向量。9 ）退出 SOLUTIONCommand: FINISHGUI: Main MenuFinish4 總結(jié)ANSY子結(jié)構(gòu)技術(shù)能夠讓普通計算機(jī)發(fā)揮更大的作用， 使得普通機(jī)進(jìn)行大規(guī)模問題的分析成為可能， 子結(jié)構(gòu)技術(shù)擴(kuò)展了 ANSYS在分析問題時的適用性， 靈活的掌握和應(yīng)用子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)能夠給分析帶來極大的方便， 特別是分析問題規(guī)模較大時，更能體現(xiàn)子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的優(yōu)勢。1 引言ANSYS子結(jié)構(gòu)技術(shù)的使用部分可以適用于 ANSYS分析類型（FLOTRAN和顯式動力分析除外） 。它

10、與普通分析的區(qū)別就是分析過程中的一個或幾個單元是前面生成的超單元。 ANSYS幫助文檔每個單獨(dú)的分析指南中都有做不同分析的詳細(xì)介紹。在這一部分， 我們主要介紹如何將超單元變成模型的一部分。 這個過程有以下幾個步驟：1 ）清除數(shù)據(jù)庫并指定一個新的工作文件名。2 ）建立模型。3 ）施加邊界條件并求解。2 使用部分過程本小節(jié)按照引言中所示將超單元變?yōu)槟Ｐ鸵徊糠值娜齻€步驟分別講述。2.1定義工作文件名使用部分應(yīng)該首先建立新的模型和新的邊界條件。因此，第一步是清除現(xiàn)存的數(shù)據(jù)庫。 這與退出并重新進(jìn)入ANSYS的效果是一樣的。 清除數(shù)據(jù)庫可用下列兩種方法：Command: /CLEARGUI: Utilit

11、y MenuFileClear&Start New缺省情況下，清除數(shù)據(jù)庫就會重新讀入 START.ANS文件。（可以改變這個設(shè)置）新定義的文件名要與生成部分使用的文件名不同。這樣，生成部分的文件就不會被覆蓋。用下列方式之一定義新的工作文件名：Command: /FILNAMEGUI: Utility MenuFileChange Jobname2.2建立模型本步是在 ANSYS前處理器 PREP7中實現(xiàn)的。主要完成以下內(nèi)容：1 ）定義 MATRIX50（超單元）為一種單元。用以下方法：Command: ETGUI: Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Ed

12、it/Delete2 ）定義其他非超單元的單元類型。 非線性可以使用， 能否使用取決于進(jìn)行分析的類型。3 ）定義非超單元的單元實參和材料特性。 非線性可以使用， 同樣取決于進(jìn)行分析的類型。4 ）定義非超單元的幾何形狀。在定義與超單元接觸部分時應(yīng)非常注意。其結(jié)點位置要精確重合。（見圖 1）圖 1 超單元與非超單元的接觸處結(jié)點應(yīng)與主自由度精確重合我們可以使用如下三種方法保證結(jié)點重合：a 、使用與生成部分同樣的結(jié)點號。b 、在生成部分的接觸部分結(jié)點和使用部分的接觸結(jié)點使用相同的結(jié)點號碼增值（或平移）。c 、將這兩部分結(jié)點所有的自由度固連起來。（用 CP系列命令）在不能使用前兩種方法時，這種方法是有效

13、的。定義自由度固連可以用下列方法：Command: CPGUI: Main MenuPreprocessorCoupling/CeqnCouple DOFs2.3施加邊界條件 / 求解本步在求解器中完成。 取得使用部分結(jié)果的過程取決于所做的分析類型。以上提到，可以在絕大多數(shù)分析中使用超單元。 用戶應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的通過生成部分生成的矩陣。例如，如果要做結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析， 必須有質(zhì)量矩陣。 具體過程如下：1 ）進(jìn)入 SOLUTIONCommand: /SOLUGUI: Main MenuSolution2 ）定義分析類型和分析選項對于大轉(zhuǎn)動分析，打開大位移效果 NLGEOM，ON，并正確定義非線性分析的

14、子步數(shù)。3 ）在非超單元上施加邊界條件主要包括自由度約束和對稱邊界，集中載荷，平面載荷，體載荷，和慣性載荷。注意慣性載荷只有在通過生成部分生成了質(zhì)量矩陣時才生效。注對大轉(zhuǎn)動分析，在本步中要施加正確的約束條件。4 ）用以下方法施加超單元載荷向量Command: SFEGUI: Main MenuSolution-Loads-ApplyLoad VectorForSuperelement在超單元矩陣文件中， 每個載荷步對應(yīng)一個載荷向量，用參考號來區(qū)別。如： SFE，63，1，SELV， 0.75上面命令行的含義是在63 號單元上施加載荷向量，號為1，比例系數(shù)為0.75 。5 ）定義與分析類型相適應(yīng)

15、的載荷步選項注：用 MATRIX50超單元時不要用 PCG求解器。6 ）開始計算Command: SOLVEGUI: Main MenuSolutionCurrent LS本步計算包括非超單元的完整解和超單元的凝聚解主自由度解。非超單元的完整解記錄在結(jié)果文件中（Jobname.RST,RTH或 RMG），可以進(jìn)行普通的后處理操作。凝聚解記錄在文件Jobname.DSUB中?？梢酝ㄟ^如下方法查看這個文件：Command: SEDLISTGUI: Main MenuGeneral PostprocList ResultsSuperelem DOFUtility MenuListResultsSup

16、erelem DOF Solu如果想得到超單元中所有自由度的解，就要用到擴(kuò)展部分。下面還會說明。7 ）退出 SOLUTION。Command: FINISHGUI: Main MenuFinish3 擴(kuò)展部分?jǐn)U展部分從使用部分的凝聚解計算出整個超單元的完整解。下面說明擴(kuò)展部分的過程。本部分要求生成部分的 .EMA T,.ESAV,.SUB,.TRI,.DB 和 .SELD 文件，使用部分的 .DSUB 文件存在。如果在使用部分中使用了結(jié)點偏移，在擴(kuò)展部分中將自動計入。具體過程如下：1）清除數(shù)據(jù)庫。相當(dāng)于退出并重新進(jìn)入ANSYS 。用下列方法：Command: /CLEARGUI: Utilit

17、y MenuFileClear&Start New2）將文件名切換到生成部分的文件名。這樣，程序就可以識別擴(kuò)展部分所用的文件。用下列方法：Command: /FILENAMEGUI: Utility MenuFileChange Jobname3）讀入生成部分的數(shù)據(jù)庫文件。用下列方法：Command: RESUMEGUI: Utility MenuFileResume Jobname.db4）進(jìn)入 SOLUTION 。用下列方法：Command: /SOLUGUI: Main MenuSolution5）激活擴(kuò)展部分及其選項。擴(kuò)展部分開關(guān)選為 ON 。Command: EXPASSGUI: M

18、ain MenuSolutionExpasionPass被擴(kuò)展的超單元名 指定 SENAME 。Command: SEEXPGUI: Main MenuSolutionExpasionPassExpand Superelem(完整的文件名假定為Sename.SUB)使用部分生成的凝聚解文件。用完整的文件名假定為Usefil.DSUB。SEEXP命令（或其相應(yīng)的GUI路徑）指定該文件名。位移的實部或虛部GUI 路徑）。 只有在使用部分是諧波分析時使用。用SEEXP命令（或其相應(yīng)的被擴(kuò)展的解 指定被擴(kuò)展的使用部分結(jié)果?？梢酝ㄟ^給出載荷步和子步，也可以通過給出時間或頻率來指定結(jié)果。用下列方法：Command: EXPSOLGUI: Main MenuSolutionExpansionPassBy Load StepMain MenuSolutionExpansionPassBy Time/Freq6）指定載荷步選項。對于子結(jié)構(gòu)擴(kuò)展部分，只有輸出控制選項是可用的：輸出控制 這些選項控制打印輸出，數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件輸出和結(jié)果的插值。如果在打