ansys子模型介紹與應(yīng)用實(shí)例

1、ANSYS高級(jí)分析技術(shù)指南 子模型第五章 子模型何為子模型？子模型是得到模型部分區(qū)域中更加精確解的有限單元技術(shù)。在有限元分析中往往出現(xiàn)這種情況，即對(duì)于用戶關(guān)心的區(qū)域，如應(yīng)力集中區(qū)域，網(wǎng)格太疏不能得到滿意的結(jié)果，而對(duì)于這些區(qū)域之外的部分，網(wǎng)格密度已經(jīng)足夠了。見圖5-1。 圖5-1 輪轂和輪輻的子模型 a)粗糙模型，b)疊加的子模型要得到這些區(qū)域的較精確的解，可以采取兩種辦法：(a)用較細(xì)的網(wǎng)格重新劃分并分析整個(gè)模型，或(b)只在關(guān)心的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格并對(duì)其分析。顯而易見，方法a太耗費(fèi)機(jī)時(shí)，方法b即為子模型技術(shù)。子模型方法又稱為切割邊界位移法或特定邊界位移法。切割邊界就是子模型從整個(gè)較粗糙的模型分割開

2、的邊界。整體模型切割邊界的計(jì)算位移值即為子模型的邊界條件。子模型基于圣維南原理，即如果實(shí)際分布載荷被等效載荷代替以后，應(yīng)力和應(yīng)變只在載荷施加的位置附近有改變。這說(shuō)明只有在載荷集中位置才有應(yīng)力集中效應(yīng)，如果子模型的位置遠(yuǎn)離應(yīng)力集中位置，則子模型內(nèi)就可以得到較精確的結(jié)果。ANSYS程序并不限制子模型分析必須為結(jié)構(gòu)（應(yīng)力）分析。子模型也可以有效地應(yīng)用于其他分析中。如在電磁分析中，可以用子模型計(jì)算感興趣區(qū)域的電磁力。除了能求得模型某部分的精確解以外，子模型技術(shù)還有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 它減少甚至取消了有限元實(shí)體模型中所需的復(fù)雜的傳遞區(qū)域。 它使得用戶可以在感興趣的區(qū)域就不同的設(shè)計(jì)（如不同的圓角半徑）進(jìn)行分析。

3、它幫助用戶證明網(wǎng)格劃分是否足夠細(xì)。使用子模型的一些限制如下： 只對(duì)體單元和殼單元有效。 子模型的原理要求切割邊界應(yīng)遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)域。用戶必須驗(yàn)證是否滿足這個(gè)要求。如何作子模型分析子模型分析的過(guò)程包括以下步驟：1. 生成并分析較粗糙的模型。2. 生成子模型。3. 提供切割邊界插值。4. 分析子模型。5. 驗(yàn)證切割邊界和應(yīng)力集中區(qū)域的距離應(yīng)足夠遠(yuǎn)。第一步：生成并分析較粗糙的模型第一個(gè)步驟是對(duì)整體建模并分析。（注為了方便區(qū)分這個(gè)原始模型，我們將其稱為粗糙模型。這并不表示模型的網(wǎng)格劃分必須是粗糙的，而是說(shuō)模型的網(wǎng)格劃分相對(duì)子模型的網(wǎng)格是較粗糙的。）分析類型可以是靜態(tài)或瞬態(tài)的，其操作與各分析的步驟相同。

4、下面列出了其他的一些要記住的方面。文件名粗糙模型和子模型應(yīng)該使用不同的文件名。這樣就可以保證文件不被覆蓋。而且在切割邊界插值時(shí)可以方便地指出粗糙模型的文件。用下列方法指定文件名：Command: /FILNAMEGUI: Utility Menu>File>Change Jobname單元類型子模型技術(shù)只能使用塊單元和殼單元。分析模型中可以有其他單元類型（如梁?jiǎn)卧鳛榧訌?qiáng)筋），但切割邊界只能經(jīng)過(guò)塊和殼單元。一種特殊的子模型技術(shù)，稱為殼到體子模型技術(shù)，允許用戶用殼單元建立粗糙模型而用三維塊單元建立子模型。本技術(shù)在后面還要討論。建模在很多情況下，粗糙模型不需要包含局部的細(xì)節(jié)如圓角等，見

5、下圖。但是，有限元網(wǎng)格必須細(xì)化到足以得到較合理的位移解。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樽幽Ｐ偷慕Y(jié)果是根據(jù)切割邊界的位移解插值得到的。 圖5-2 粗糙模型可以不包括一些細(xì)節(jié)部分文件結(jié)果文件（Jobname.RST,Jobname.RMG等）和數(shù)據(jù)庫(kù)文件（Jobname.DB,包含幾何模型）在粗糙模型分析中是需要的。在生成子模型前應(yīng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)文件。用下列方法存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)：Command: SAVEGUI: Utility Menu>File>Save as Utility Menu>File>Save as Jobname.db第二步：生成子模型子模型是完全依靠粗糙模型的。因此在初始分析

6、后的第一步就是在初始狀態(tài)清除數(shù)據(jù)庫(kù)（另一種方法是退出并重新進(jìn)入ANSYS）。用下列方法清除數(shù)據(jù)庫(kù)：Command: /CLEARGUI: Utility Menu>File>Clear&Start New同時(shí)，應(yīng)記住用另外的文件名以防止粗糙模型文件被覆蓋。用下列方法指定文件名：Command: /FILNAMEGUI: Utility Menu>File>Change Jobname然后進(jìn)入PREP7并建立子模型。應(yīng)該記住下列幾點(diǎn)：使用與粗糙模型中同樣的單元類型。同時(shí)應(yīng)指定相同的單元實(shí)參（如殼厚）和材料特性。（另一種子模型技術(shù)殼到體技術(shù)允許從粗糙模型的殼單元轉(zhuǎn)換

7、為體單元，見后。）子模型的位置（相對(duì)全局坐標(biāo)原點(diǎn)）應(yīng)與粗糙模型的相應(yīng)部分相同，見圖53。 圖5-3 疊加在粗糙模型上的子模型指定合適的結(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)位移。切割邊界結(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角在插值步驟一寫入結(jié)點(diǎn)文件時(shí)不應(yīng)改變（見第三步：生成切割邊界插值）。用下列方法指定結(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)：Command:NROTATGUI: Main Menu>Preprocessor>Create>Nodes>-Rotate Node CS-To Active CS Main Menu>Preprocessor>Move/Modify>-Rotate Node CS-To ACtive CS注意結(jié)

8、點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角會(huì)因?yàn)槭┘咏Y(jié)點(diǎn)約束，傳遞線上約束或面上約束等操作而改變，同樣也會(huì)為更加明顯的操作如NROTAT和NMODIF等改變。粗糙模型中結(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角的出現(xiàn)或缺省并不影響子模型。子模型的載荷和邊界條件將在后面兩步中施加。第三步：生成切割邊界插值本步是子模型的關(guān)鍵步驟。用戶定義切割邊界的結(jié)點(diǎn)，ANSYS程序用粗糙模型結(jié)果插值方法計(jì)算這些點(diǎn)上的自由度數(shù)值（位移等）。對(duì)于子模型切割邊界上的所有結(jié)點(diǎn)，程序用粗糙模型網(wǎng)格中相應(yīng)的單元確定自由度數(shù)值，然后這些數(shù)值用單元形狀功能插值到切割邊界上。在切割邊界插值中有下面幾步操作：1.指定子模型切割邊界的結(jié)點(diǎn)并將其寫入一個(gè)文件（缺省為Jobname.NODE）中?？梢?/p>

9、在PREP7 中選擇切割邊界的結(jié)點(diǎn)，用下列命令將其寫入文件：Command: NWRITEGUI: Main Menu>Preprocessor>Create>Nodes>Write Node File下面是一個(gè)NWRITE命令的例子：NSEL,. !選擇切割邊界上的結(jié)點(diǎn)NWRITE !將其寫入Jobname.NODE 圖5-4 子模型切割邊界在這里討論一下溫度插值的問(wèn)題。在包含特性隨溫度變化的材料的分析中，或熱應(yīng)力耦合分析中，粗糙模型和子模型中的溫度分布是相同的。在這種情況下，必須將粗糙模型的溫度插值到子模型中的所有結(jié)點(diǎn)上。要完成這步操作，要選擇子模型中所有結(jié)點(diǎn)并寫入

10、另外一個(gè)文件中，使用NWRITE,Filename,Ext。 記住必須另外指定一個(gè)文件名，否則切割邊界結(jié)點(diǎn)文件將被覆蓋！第7步中說(shuō)明了關(guān)于溫度插值的命令。2.重新選擇所有結(jié)點(diǎn)并將數(shù)據(jù)庫(kù)存入Jobname.DB中，然后退出PREP7。 必須將數(shù)據(jù)庫(kù)寫入文件，因?yàn)樵诤竺孀幽Ｐ头治鲋幸褂玫?。用下列命令重新選擇所有結(jié)點(diǎn)：Command: ALLSELGUI: Utility Menu>Select>Everything用下列命令存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)：Command: SAVEGUI: Utility Menu>File>Save as Jobname.db3.要進(jìn)行切割邊界插值（和溫度

11、插值），數(shù)據(jù)庫(kù)中必須包含粗糙模型的幾何特征。因此要用下列一種方法讀入粗糙模型數(shù)據(jù)庫(kù)：Command: RESUMEGUI: Utility Menu>File>Resume from如，粗糙模型文件名為COARSE，就輸入命令RESUME,COARSE,DB。4.進(jìn)入POST1，即通用處理器（/POST1或Main Menu>General Postproc）。插值只有在POST1中進(jìn)行。5.指向粗糙模型結(jié)果文件（FILE或Main Menu>General Postproc>Data & File Opts）。6.讀入結(jié)果文件中相應(yīng)的數(shù)據(jù)（SET或Mai

12、n Menu>General Postproc>-Read Results-option）。7.開始切割邊界插值。用下列方法完成本步操作：Command: CBDOFGUI: Main Menu>General Postproc>Submodeling>Interpolate DOF缺省狀態(tài)下，CBDOF命令假定切割邊界結(jié)點(diǎn)在文件Jobname.NODE中。ANSYS程序?qū)⒂?jì)算切割邊界的DOF數(shù)值并用D命令的形式寫入文件Jobname.CBDO中。用下列方法作溫度插值，但要保證文件包含所有子模型結(jié)點(diǎn)：Command: BFINTGUI: Main Menu>

13、General Postproc>Submodeling>Interp Body Forc溫度插值以BF命令的格式寫入文件Jobname.BFIN中。注如果數(shù)據(jù)包括實(shí)部和虛部的話，步驟6和7就要作兩遍。先用SET 命令讀入實(shí)部的數(shù)據(jù)并作插值CBDOF和/或BFINT，然后用SET命令將域設(shè)為1 讀入虛部的數(shù)據(jù)并重新進(jìn)行插值，但這次將虛部插值寫入另一個(gè)文件。8.至此，所有的插值任務(wù)完成，退出POST1FINISH并讀入子模型數(shù)據(jù)庫(kù)（RESUME或Main Menu>File>Resume from）。第四步：分析子模型在本步中，用戶指定分析類型和分析選項(xiàng)，加入插值的DOF

14、數(shù)值（和溫度數(shù)值），施加其他的載荷和邊界條件，指定載荷步選項(xiàng)，并對(duì)子模型求解。第一步是進(jìn)入求解器（/SOLU或Main Menu>Solution）。然后定義分析類型（一般為靜態(tài)）和分析選項(xiàng)。要施加切割邊界自由度約束，用下列命令讀入CBDOF命令生成的由D命令組成的文件：Command: /INPUTGUI: Utility Menu>File>Read Input from要施加溫度插值，用下列命令讀入BFINT命令生成的由BF命令組成的文件：Command: /INPUTGUI: Utility Menu>File>Read Input from如果數(shù)據(jù)有實(shí)部

15、和虛部，先讀入實(shí)部數(shù)據(jù)文件，指定自由度約束數(shù)值和（/或）結(jié)點(diǎn)體載荷是否計(jì)算，然后讀入虛部數(shù)據(jù)文件。用下列方法指定計(jì)算自由度約束數(shù)值：Command: DCUM,ADDGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>-Loads-Settings>Contraints Main Menu>Solution>-Loads-Settings>Constraints用下列方法指定計(jì)算結(jié)點(diǎn)體載荷數(shù)值：Command: BFCUM,ADDGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>-Loads-Sett

16、ings>Nodal Body Ld Main Menu>Solution>-Loads-Settings>Nodal Body Ld注意在執(zhí)行DCUM和BFCUM命令時(shí)要先將其初始狀態(tài)設(shè)為初始值。重要的一點(diǎn)是要將粗糙模型上所有其他載荷和邊界條件復(fù)制到子模型上。比如對(duì)稱邊界條件，面力，慣性載荷（如重量），集中力等（見圖55）。 圖5-5 子模型的載荷然后指定載荷步選項(xiàng)（如輸出控制）并開始計(jì)算：Command: SOLVEGUI: Main Menu>Solution>Current LS Main Menu>Solution>Run FLOTRA

17、N在求解完成后，退出SOLUTION。FINISH子模型的數(shù)據(jù)流向（無(wú)溫度插值）見圖56。 圖5-6 子模型分析（無(wú)溫度插值）的數(shù)據(jù)流向第五步：驗(yàn)證切割邊界和應(yīng)力集中位置的距離是否足夠最后一步是驗(yàn)證子模型切割邊界是否遠(yuǎn)離應(yīng)力集中部分?？梢酝ㄟ^(guò)比較切割邊界上的結(jié)果（應(yīng)力，磁通密度等）與粗糙模型相應(yīng)位置的結(jié)果是否一致來(lái)驗(yàn)證。如果結(jié)果符合得很好，證明切割邊界的選取是正確的。如果不符合的話，就要重新定義離感興趣部分更遠(yuǎn)一些的切割邊界重新生成和計(jì)算子模型。一個(gè)比較結(jié)果的有效方法是使用云圖顯示和路徑顯示，見圖57和58。 圖5-7 比較結(jié)果時(shí)的云圖顯示 圖5-8 比較結(jié)果時(shí)的路徑顯示輸入示例下面列出了一個(gè)

18、子模型分析的輸入示例：!開始子模型分析/FILNAME,coarse !工作文件名為coarse/PREP7 !進(jìn)入PREP7. !生成粗糙模型FINISH/SOLU !進(jìn)入求解器ANTYPE,. !分析類型和分析選項(xiàng).D,. !載荷和載荷步選項(xiàng)DSYMM,.ACEL,.SAVE !粗糙模型數(shù)據(jù)庫(kù)文件coarse.dbSOLVE !求解粗糙模型 !結(jié)果在文件coarse.rst(或rmg等)FINISH!生成子模型/CLEAR !清除數(shù)據(jù)庫(kù)（或退出ANSYS并重新進(jìn)入）/FILNAME,submod !新工作文件名為submod/PREP7 !重新進(jìn)入PREP7. !生成子模型!進(jìn)行切割邊界插

19、值NSEL,. !選擇切割邊界上的結(jié)點(diǎn)NWRITE !將其寫入文件submod.nodeALLSEL !讀入所有實(shí)體NWRITE,temp,node !將所有結(jié)點(diǎn)寫入文件temp.node(用于 溫度插值)SAVE !存儲(chǔ)子模型數(shù)據(jù)庫(kù)文件submod.dbFINISHRESUME,coarse,db !讀入粗糙模型數(shù)據(jù)庫(kù)(coarse.db)/POST1 !進(jìn)入POST1FILE,coarse,rst !使用粗糙模型結(jié)果文件SET,. !讀入需要的結(jié)果數(shù)據(jù)CBDOF !從submod.node中讀入切割邊界結(jié)點(diǎn)并 將D命令寫入submod.cbdoBFINT,temps,node !從temp

20、s.node中讀入所有子模型結(jié)點(diǎn) 并將BF命令寫入文件submod.bfin(用 于溫度插值)FINISH !結(jié)束插值過(guò)程RESUME !讀入子模型數(shù)據(jù)庫(kù)(submod.db)/SOLU !進(jìn)入求解器ANTYPE,. !分析類型和選項(xiàng)./INPUT,submod,cbdo !切割邊界自由度/INPUT,submod,bfin !溫度插值DSYMM,. !其他載荷和載荷步選項(xiàng)ACEL,.SOLVE !子模型求解FINISH/POST1 !進(jìn)入POST1. !驗(yàn)證子模型數(shù)據(jù)FINISH殼到體子模型在殼到體子模型技術(shù)中，粗糙模型為殼模型而子模型為三維實(shí)體模型。圖59所示為三維實(shí)體子模型添加到粗糙殼模

21、型上的例子。 圖5-9 3-D實(shí)體模型疊加到殼單元模型上殼到體子模型分析與體對(duì)體子模型分析大致一致。下面的幾點(diǎn)是要記住的：殼到體子模型分析是將DBDOF命令（Main Menu>General Postproc>Submodeling>Interpolate DOF）和BFINT命令（Main Menu>General>Submodeling>Interp Body Forc）中KSHS域設(shè)為1實(shí)現(xiàn)的。 本特性不適用于SHELL91或SHELL99（KEYOPT（11）不等于0）。子模型切割邊界應(yīng)為垂直于殼平面的端面（見圖510）。切割邊界上的結(jié)點(diǎn)寫入文件中

22、NWRITE(Main Menu>Preprocessor>Create>Node>Write Node File)。要確定切割邊界上結(jié)點(diǎn)的自由度數(shù)值CBDOF，程序首先將結(jié)點(diǎn)延伸到殼平面的最近的單元上，該延伸結(jié)點(diǎn)的自由度數(shù)值就插值并賦值給相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)。溫度插值是由計(jì)算最近殼單元的中面平均溫度得到的。注切割邊界上的結(jié)點(diǎn)位置必須在最近殼單元平均厚度的0.75倍之間，見圖510。也就是說(shuō)，子模型應(yīng)大致在粗糙模型的中間。 圖5-10結(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)：a)CBDOF命令之前，b)CBDOF命令之后在結(jié)構(gòu)分析中，切割邊界結(jié)點(diǎn)只計(jì)算平動(dòng)自由度，但其數(shù)值是根據(jù)延伸結(jié)點(diǎn)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度得到的。

23、而且，結(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)以使結(jié)點(diǎn)的UY自由度始終垂直于殼平面，見圖510。UY自由度只有當(dāng)結(jié)點(diǎn)在殼平面平均厚度的10之內(nèi)時(shí)才計(jì)算。這防止了子模型在反向的過(guò)度位移。由CBDOF命令寫的.CBDO文件包括兩個(gè)部分：(1)一組NMODIF命令(表示結(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度)和DDELE命令(刪除UY約束)，(2)一組D命令(施加自由度插值)。這兩個(gè)部分用/EOF命令和一個(gè):CBnn標(biāo)記分開(nn為結(jié)果序列迭代次數(shù))。用戶必須將.CBDO文件讀入PREP7中，因?yàn)镹MODIF命令只能在PREP7中適用。要完成這步操作，進(jìn)入前處理器，然后用下列命令：Command: /INPUTGUI: Utility Menu>Fi

24、le>Read Input from同時(shí)，要讀入.CBDO文件兩次，因?yàn)閮蓚€(gè)命令部分被/EOF命令分開了。在第二次讀入文件時(shí)，用/INPUT命令的LINE域指定程序從:CBnn處開始讀入，見下：/PREP7 !.CBDO文件必須在PREP7中讀入/INPUT,cbdo !讀入Jobname.cbdo到/EOF處/INPUT,dbdo,:cb1 !從:cb1處讀入同一文件子模型分析實(shí)例（命令行格式）問(wèn)題描述求解矩形平板中心開孔，承受橫向拉力時(shí)的應(yīng)力集中情況。材料特性和模型的幾何形狀見下圖。 /FILNAM,coarse /PREP7 smrt,off /TITLE, STRESS CONC

25、ENTRATION AT A HOLE IN A PLATE /NOPR ANTYPE,STATIC ! 靜力分析 ET,1,PLANE2 MP,EX,1,30E6 MP,NUXY,1,0.3 K,1,6 ! 關(guān)鍵點(diǎn) K,2,6,6 K,3,6 K,4,.5 K,5,.5 K,6 L,1,2 L,2,3 L,3,4 LESIZE,3,4,.25 ! 定義線3的分段數(shù) LARC,4,5,6,0.5 LESIZE,4,6 ! 定義線4的分段數(shù) L,5,1 LESIZE,5,4,4 ! 定義線5的分段數(shù) AL,1,2,3,4,5 ESIZE,4 ! 每條線分為4段 AMESH,ALL /AUTO,1

26、 /PLOPTS,INFO,0 /PLOPTS,WINS,0 /WINDOW,LTOP LSEL,S,LINE,3,5,2 DL,ALL,SYMM LSEL,S,LINE,1 NSLL,1 SF,ALL,PRES,-1000. ! 施加拉力 LSEL,ALL NSEL,ALL CSYS,1 FINISH /SOLU SOLVE FINISH SAVE ! 存儲(chǔ)文件VM142.DB /POST1 SET,1,1 NSORT,S,X,3 PRNSOL,S,COMP /WINDOW,1,OFF /NOERASE /DSCALE,2,1 /WINDOW,2,RTOP PLNSOL,S,X *GET,C

27、RSESTR,NODE,18,S,X *STATUS *DIM,LABEL,CHAR,1,2 *DIM,VALUE,1,3 LABEL(1,1) = 'MX STR ' LABEL(1,2) = 'CRS MODEL' *VFILL,VALUE(1,1),DATA,3018 *VFILL,VALUE(1,2),DATA,CRSESTR *VFILL,VALUE(1,3),DATA,ABS(CRSESTR/3018) SAVE,TABLE_1 FINISH /CLEAR, NOSTART ! CLEAR THE DATABASE /FILNAM,SUBMODEL

28、! 定義子模型文件名 /PREP7 smrt,off /NOPR /TITLE, STRESS CONCENTRATION AT A HOLE IN A PLATE ANTYPE,STATIC ET,1,PLANE42 MP,EX,1,30E6 MP,NUXY,1,0.3 CSYS,1 K,10,.5,45 K,11,.5,90 K,12,1.5,45 K,13,1.5,90 A,10,12,13,11 ESIZE,8 MSHK,1 MSHA,0,2D AMESH,1 /WINDOW,2,OFF /NOERASE /PLOPTS,INFO,0 /PLOPTS,WINS,0 /WINDOW,1,

29、LTOP /USER ! 用戶定義的比例 /DIST,1,3.3 /FOCUS,1,3,3 EPLOT LSEL,S,LINE,1,2 NSLL,1 ! 選擇切割邊界的結(jié)點(diǎn) NWRITE ! 將結(jié)點(diǎn)寫入文件SUBMODEL.NODE LSEL,ALL NSEL,ALL FINISH SAVE ! 存儲(chǔ)子模型數(shù)據(jù)庫(kù)文件SUBMODEL.DB /POST1 RESUME,coarse,db FILE,coarse,rst CBDOF,0,0 !激活邊界條件插值 FINISH /PREP7 smrt,off RESUME !從文件SUBMODEL.DB中讀入子模型 /NOPR /INPUT,cbdo

30、,:cb1 ! 從文件SUBMODEL.CBDO中讀入插值邊界條件 /GOPR LSEL,S,LINE,3 ! 施加其余的邊界條件 DL,ALL,SYMM FINISH /SOLU SOLVE FINISH /POST1 SET,1,1 NSORT,S,X,3 PRNSOL,S,COMP /WINDOW,1,OFF /AUTO,3 /WINDOW,3,BOT /NOERASE /PLOPTS,MINM,1 /USER,3 /DIST,3,.2 /FOCUS,3,.2,.5 /CONTOUR,3,AUTO PLNSOL,SX *GET,SUBSTR,NODE,18,S,X *DIM,LABEL,CHAR,1,2 *DIM,VALUE,1,3 LABEL(1,1) = 'MAX STRS' LABEL(1