ANSYS分析指南-子結(jié)構(gòu)

第四章子結(jié)構(gòu)

什么是子結(jié)構(gòu)？

子結(jié)構(gòu)就是將一組單元用矩陣凝聚為一個(gè)單元的過程。這個(gè)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)生成分析以生成超單元。子結(jié)構(gòu)可以在

ANSYS/Mutiphysics,ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structural中使用。

使用子結(jié)構(gòu)主要是為了節(jié)省機(jī)時(shí)，并且允許在比較有限的計(jì)算機(jī)設(shè)備資源

的基礎(chǔ)上求解超大規(guī)模的問題。原因之一如a）非線性分析和帶有大量重復(fù)幾何

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)，這樣這部分的

單元矩陣就不用在非線性迭代過程中重復(fù)計(jì)算。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(duì)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)省大量的機(jī)時(shí)。

子結(jié)構(gòu)還用于模型有大轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下。對(duì)于這些模型，ANSYS假定每個(gè)結(jié)

構(gòu)都是圍繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的。在三維情況下，子結(jié)構(gòu)有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和三個(gè)平動(dòng)

自由度。在大轉(zhuǎn)動(dòng)模型中，用戶在使用部分之前無須對(duì)子結(jié)構(gòu)施加約束，因?yàn)槊?/p>

個(gè)子結(jié)構(gòu)都是作為一個(gè)單元進(jìn)行處理，是允許剛體位移的。

另外一個(gè)原因b）一個(gè)問題就波前大小和需用磁盤空間來說相對(duì)于一個(gè)計(jì)算

機(jī)系統(tǒng)太龐大了。這樣，用戶可以通過子結(jié)構(gòu)將問題分塊進(jìn)行分析，每一塊對(duì)于

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來說都是可以計(jì)算的。

如何使用子結(jié)構(gòu)

子結(jié)構(gòu)分析有以下三個(gè)步驟：

?生成部分

?使用部分

?擴(kuò)展部分

生成部分就是將普通的有限元單元凝聚為一個(gè)超單元。凝聚是通過定義一

組主自由度來實(shí)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(dòng)力學(xué)特性。圖4-1是一個(gè)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(jì)算，將板狀構(gòu)件形成子結(jié)構(gòu)將顯著地節(jié)省機(jī)時(shí)。本例中，主自由度

是板與接觸單元相連的自由度。

圖4-1子結(jié)構(gòu)使用示例

.PlatesuperelementMasterDOF

.Contactelements

/

A->—

使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(gè)模型可以是

一個(gè)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(jì)算只

是超單元的凝聚（自由度計(jì)算僅限于主自由度）和非超單元的全部計(jì)算。

擴(kuò)展部分就是從凝聚計(jì)算結(jié)果開始計(jì)算整個(gè)超單元中所有的自由度。如果

在使用部分有多個(gè)超單元，那么每個(gè)超單元都需要有單獨(dú)的擴(kuò)展過程。

圖4-2示出了整個(gè)子結(jié)構(gòu)分析的數(shù)據(jù)流向和所用的文件。三個(gè)步驟的詳細(xì)

解釋見以后的敘述。

圖4-2典型子結(jié)構(gòu)分析中的數(shù)據(jù)流向

生成部分：生成超單元

本部分主要有兩步：

1.建立模型。

2.施加邊界條件，生成超單元矩陣。

第一步：建立模型

在這一步中，指定文件名和分析名稱，用PREP7定義單元類型，單元實(shí)參,

材料特性和模型幾何結(jié)構(gòu)。這些任務(wù)在ANSYS絕大多數(shù)分析中都是通用的，在

ANSYSBasicAnalysisProceduresGuide有所敘述。在生成部分,需要記住

以下幾點(diǎn)：

文件名一一在子結(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。

用以下方法指定文件名：

Command:/FILENAME

GUI:UtilityMenu>File>ChangeJobname

：/FILENAME,GEN

將生成過程中所有文件名都定義為缺省的文件名是（或）

GENOFILEfile

或在進(jìn)入ANSYS后定義的任意文件名。

單元類型一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(shí)有雙線性單元的話，ANSYS將自

動(dòng)作為線性單元處理。

注意：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?？梢?/p>

用同種形狀的單元來替代。細(xì)節(jié)參看

ANSYSCoupled-FieldAnalysisGuideo

材料特性一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。

模型生成一在生成部分，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(duì)模型的兩個(gè)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(diǎn)號(hào)一致。（其他可以方便用戶的方法在本章"使用部分"一節(jié)

還有介紹。）

要生成整體模型應(yīng)該這樣做：將模型存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫文件中，選擇子結(jié)構(gòu)部

分進(jìn)行生成計(jì)算。在以后的使用部分，RESUME（UtilityMenu>File>Resume

from）數(shù)據(jù)庫文件，不選（unselect）子結(jié)構(gòu)，用超單元矩陣代替。

第二步：施加邊界條件，生成超單元矩陣。

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(jì)算。如何完成這些工作見下面

的敘述：

1.進(jìn)入求解器：

Command:/SOLD

GUI:MainMenu>Solution

2.定義分析類型和分析設(shè)置：

分析類型一選擇生成超單元使用下列方法：

Command:ANTYPE

GUI:MainMenu>Solution>-AnalysisType-NewAnalysis

新的分析或重啟動(dòng)一如果是開始一個(gè)新的分析時(shí)，只要指定分析類型（如

上所述）即可。如果是重啟動(dòng)計(jì)算，必須在ANTYPE命令中設(shè)定STATUS=REST

（）如果要另外施加載荷

MainMenu>Solution>-AnalysisType-Restarto

時(shí)，可以用重啟動(dòng)。（重啟動(dòng)時(shí)初始運(yùn)算后的Jobname.EMATJobname.ESAV

和Jobname.DB文件要存在。）

超單元矩陣文件名一指定超單元矩陣文件名（Sename\程序?qū)⒆詣?dòng)添

加后綴因此完整的文件名是缺省是使用工作文件名

SUB,Sename.SUBo

[/FILENAME]定義超單元矩陣文件名，可以使用以下命令：

Command:SEOPT

GUI:MainMenu>Solution>AnalysisOptions

要生成的矩陣一可以指定僅生成剛度矩陣（或傳導(dǎo)矩陣，電磁系數(shù)矩陣）；

生成剛度和質(zhì)量矩陣（或熱傳導(dǎo)矩陣等）；生成剛度，質(zhì)量和阻尼矩陣。質(zhì)量矩

陣用于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析和在使用部分有慣性載荷的情況下。在熱分析中，只有瞬

態(tài)熱分析才用到熱傳導(dǎo)矩陣。對(duì)于其他分析和阻尼矩陣也大同小異。用SEOPT

命令或其GUI路徑來定義。

輸出矩陣一這個(gè)選項(xiàng)允許輸出超單元矩陣?？梢灾付ㄝ敵鼍仃嚭洼d荷向

量，也可以只輸出載荷向量。缺省值是不輸出任何矩陣。要輸出矩陣，用SEOPT

命令或其相應(yīng)的GUI路徑。

質(zhì)量矩陣形成一只在想生成質(zhì)量矩陣時(shí)使用。用戶可以選擇缺省生成（取

決于所用單元類型）或集中質(zhì)量近似。對(duì)于絕大多數(shù)情況，推薦使用缺省生成的

方式。但是，在極薄構(gòu)件的分析中，如細(xì)長(zhǎng)桿或極薄殼體，集中質(zhì)量近似將得到

更好的結(jié)果。用下列方法指定集中質(zhì)量近似：

Command:LUMPM

GUI:MainMenu>Solution>AnalysisOptions

3.用下列方法定義主自由度：

Command:M

GUI:MainMenu>Solution>MasterDOFs>Define

在子結(jié)構(gòu)中，主自由度有四種作用：

a.它們作為超單元與非超單元的邊界。應(yīng)保證將超單元與非超單元接

觸的結(jié)點(diǎn)自由度都定義為超單元（在M命令中Lab=ALL）,如圖4-1所示。當(dāng)

模型中只有超單元時(shí)同樣要定義主自由度。

b.如果在動(dòng)力學(xué)分析中使用超單元，那么主自由度規(guī)定了結(jié)果的動(dòng)力

學(xué)特性。在ANSYSStructuralAnalysisGuide第三章的"MatrixReduction"

中有所說明。

c.如果在使用部分要施加約束［D］或集中力舊時(shí)，這些位置結(jié)點(diǎn)的自由

度也要定義為主自由度。

d.在大位移情況下[NLGEOM,ON](Main

Mene>Solution>AnalysisOptions)的使用部分需要主自由度，或者在使用

SETRAN命令(Main

Menu>Preprocessor>Create>Elements>-Superelements-ByCSTranfer)

時(shí)。在這些時(shí)候，所有主自由度的結(jié)點(diǎn)都要定義6個(gè)方向的自由度(UX,UY,

UX,ROTX,ROTY,ROTZ1

4.施加邊界條件。在生成部分可以施加所有的載荷類型，但有以下幾

點(diǎn)情況需要注意：

?程序?qū)⑸梢粋€(gè)包括所有施加的載荷的等效載荷向量。每個(gè)載荷步一個(gè)

載荷向量將寫入超單元矩陣文件中。載荷向量的最大允許值是31個(gè)。

?在生成部分可以使用非零的自由度約束并作為載荷向量的一部分。(在

擴(kuò)展部分，如果被擴(kuò)展的載荷步中有非零的自由度約束時(shí)，數(shù)據(jù)庫中必須有相應(yīng)

的自由度數(shù)值。如果沒有的話，自由度約束就要在擴(kuò)展部分重新定義。

?自由度約束和集中載荷的施加可以推遲到使用部分，但在這些位置的主

自由度一定要先定義好。

?同樣，線或角加速度的施加也可以推遲到使用部分，但只有在生成質(zhì)量

矩陣時(shí)。如果在使用部分要旋轉(zhuǎn)超單元時(shí)，推薦使用這種作法，因?yàn)榇藭r(shí)載荷向

量的方向是“凍結(jié)”的，它隨著超單元旋轉(zhuǎn)。

?Maxwell力的標(biāo)志通常用于電磁分析中，用來標(biāo)記計(jì)算哪個(gè)單元面上的

電磁力分布。這個(gè)標(biāo)志在電磁子結(jié)構(gòu)分析中無效，因此不要使用。

注一如果生成質(zhì)量矩陣，建議在使用部分對(duì)主自由度（在生成部分定義）

施加約束。這樣就保證所有的質(zhì)量都包含在子結(jié)構(gòu)中。

5.定義載荷步選項(xiàng)。子結(jié)構(gòu)生成部分只能使用動(dòng)力選項(xiàng)（阻尼X

阻尼（動(dòng)力選項(xiàng)）一只在生成阻尼矩陣時(shí)可用。

指定質(zhì)量（alpha）阻尼使用下列方法：

Command:ALPHAD

GUI:MainMenu>Solution>Time/Frequenc>Damping

指定剛度（beta）阻尼使用下列方法：

Command:BETAD

GUI:MainMenu>Solution>Time/Frequenc>Damping

指定與材料有關(guān)的beta阻尼使用下列方法：

Command:MP,DAMP

GUI:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>-Constan-Isotropic

MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>Polynomial

表4-1子結(jié)構(gòu)中可以施加的載荷

LoadNameLoadCategoryCommands*

SolidModelLoadsFiniteElementLoads

DisplacementConstraintsDK,DKLIST,DKDELE,D,DSYMM,DLIST,

TemperatureDL,DLLIST,DLDELE,DDELE,

Mag.PotentialDA,DALIST,DADELE,DSCALE,DCUM

Etc.DTRAN

ForceForcesFK,FKLIST,FKDELE,F,FLIST,FDELE,

HeatFlowRateFTRANFSCALE,FCUM

Mag.Flux

Etc.

PressureSurfaceLoadsSFL,SFLLIS,SFLDEL,SF,SFLIST,SFDELE,

ConvectionSFA,SFALIS,SFADEL,SFE,SFELIS,SFEDEL,

MaxwellSurfaceSFGRAD,SFTRANSFBEAM,SFGRAD,

Etc.SFFUN,SFSCALE,

SFCUM

TemperatureBodyLoadsBFK,BFKLIS,BF,BFLIST,BFDELE,

HeatGenerationRateBFKDEL,BFE,BFELIS,BFEDEL,

CurrentDensityBFTRANBFSCALE,BFCUM

Etc.

Gravity,LinearandInertiaLoadsACEL,DOMEGA

AngularAcceleration

6.存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫的備份文件。

注一這樣做的目的是需要在擴(kuò)展部分使用同樣的數(shù)據(jù)庫文件。用下列方法完成

本步操作：

Command:SAVE

GUI:UtilityMenu>File>SaveasJobname.db

7.開始計(jì)算：

Command:SOLVE

GUI:MainMenu>Solution>CurrentLS

計(jì)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)施加的載荷計(jì)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。載荷向量

的號(hào)碼是遞增的，并添加到同一個(gè)超單元矩陣文件內(nèi)。關(guān)于多載荷步的其他方法

見

ANSYSBasicAnalysisProceduresGuideo

9.退出SOLUTION:

Command:FINISH

GUI:MainMenu>Finish

使用部分：使用超單元

使用部分可以是任何ANSYS分析類型（FLOTRAN和顯式動(dòng)力分析除外1

和普通分析的區(qū)別就是一個(gè)或幾個(gè)單元是前面生成的超單元。每個(gè)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(gè)過程有以下幾個(gè)步驟：

1.清除數(shù)據(jù)庫并指定一個(gè)新的工作文件名。

2.建立模型。

3.施加邊界條件并求解。

第一步：清除數(shù)據(jù)庫并指定一個(gè)新的工作文件名。

使用部分包含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)庫用下列方法：

Command:/CLEAR

GUI:UtilityMenu>File>Clear&StartNew

缺省情況下，清除數(shù)據(jù)庫就會(huì)重新讀入START.ANS文件。（可以改變這個(gè)

設(shè)置）

注：如果通過命令行輸入來清除數(shù)據(jù)庫時(shí)，在/CLEAR命令行中不能有其

他的命令。

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(huì)被覆蓋。用下列方式之一定義新的工作文件名：

Command:/FILNAME

GUI:UtilityMenu>File>ChangeJobname

第二步：建立模型

本步是在PREP7中實(shí)現(xiàn)的。主要完成以下任務(wù)：

1.定義MATRIX50（超單元）為一種單元。用以下方法：

Command:ET

GUI:MainMenu〉Preprocessor〉日ementType〉A(chǔ)dd/Edit/Delete

2.定義其他非超單元的單元類型。非線性可以使用，取決于進(jìn)行分析

的類型。

3.定義非超單元的單元實(shí)參和材料特性。非線性可以使用，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(shí)應(yīng)非常注意。

其結(jié)點(diǎn)位置要精確重合。（見圖4-3）

圖4-3超單元與非超單元的接觸處結(jié)點(diǎn)應(yīng)與主自由度精確重合

Superelement

ONodesforcontactelemer

?Masternodesonsuperele

共有三種方法保證結(jié)點(diǎn)重合：

?使用與生成部分同樣的結(jié)點(diǎn)號(hào)碼。

?在生成部分的接觸部分結(jié)點(diǎn)和使用部分的接觸結(jié)點(diǎn)使用相同的結(jié)點(diǎn)

號(hào)碼增值（或平移\（使用SETRAN,在第五步中說明）

?將這兩部分結(jié)點(diǎn)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(shí)，這種方法是有效的。定義自由度固連可以用下列方法：

Command:CP

GUI:MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>CoupleDOFs

如果超單元與其他單元不相連時(shí)，在使用部分可以不定義任何單元。

5.用正確的單元類型定義超單元，讀入超單元矩陣。

選擇正確的單元類型：

Command:TYPE

GUI:MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>日ements>日em

Attributes

用下列方法讀入超單元矩陣（可能要先用其他命令修改矩陣，見后）：

Command:SE

GUI:Main

Menu>Preprocessor>Create>Elements>-Superlements->From.SUBFile

a.如果模型中不包含非超單元，或是包含非超單元但接觸處的結(jié)點(diǎn)號(hào)與

主自由度結(jié)點(diǎn)號(hào)一致，那么可以用SE命令直接讀入超單元：

TYPE,...!單元類型號(hào)

SE,GEN!從文件GEN.SUB中讀入超單元

SE命令的文件名域表示超單元矩陣的文件名。擴(kuò)展名.SUB是給定的，因

此整個(gè)文件名就是Sename.SUB（GEN.SUB如上例）。超單元就給定下一個(gè)可用

的單元號(hào)。

b.如果模型中有非超單元存在，并且接觸處的結(jié)點(diǎn)號(hào)與主自由度的結(jié)點(diǎn)

號(hào)是有一個(gè)偏移量的話，就必須先用新的結(jié)點(diǎn)號(hào)生成一個(gè)新的超單元矩陣，然后

讀入新的矩陣。

用下列方法生成新的超單元矩陣：

Command:SETRAN

GUI:Main

Menu>Preprocessor>Create>Elements>-Superelements-ByCSTransfer

MainMenu>Preprocessor>Create>Elements>-Superelements-By

GeomOffset用下列方法讀入新的矩陣：

Command:SE

GUI:Main

Menu>Preprocessor>Create>Elements>-Supreelements-From.SUBFile

例如，給出超單元矩陣文件GEN.SUB和新的結(jié)點(diǎn)偏移量為2000,命令如

下：

SETTRAN,GEN,,2000,GEN2,SUB!淑新的超單元GEN2.SUB，偏移

量為2000

TYPE,...!單元類型號(hào)

SE,GEN2!讀入新的超單元文件GEN2.SUB

c.如果模型中包含非超單元而且接觸處結(jié)點(diǎn)與主自由度結(jié)點(diǎn)無任何關(guān)系

（一般是結(jié)點(diǎn)自由生成的情況）,那么先看下面的注意事項(xiàng)：

注意：生成部分的主自由度的結(jié)點(diǎn)號(hào)往往會(huì)覆蓋使用部分的模型結(jié)點(diǎn)號(hào)。

這樣，讀入超單元將覆蓋使用部分的模型結(jié)點(diǎn)。為了避免這種覆蓋，在讀入超單

元前使用結(jié)點(diǎn)號(hào)偏移。在這種情況下，在使用SE命令前先存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫文件。

因此，應(yīng)該先存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫文件[SAVE],再用SETRAN命令用新的結(jié)點(diǎn)偏移

量生成新的超單元矩陣，最后用SE命令讀入新的矩陣。用CRINTF命令(Main

Menu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>CoincidentNodes》各接觸處的結(jié)點(diǎn)

連接。例如，給出超單元矩陣文件GEN.SUB:

*GET,MAXNOD,NODE?NUM,MAX!MAXNOD=最大結(jié)點(diǎn)號(hào)

SETRAN,GEN,,MAXNOD,GEN2,SUB!生成新的超單元，結(jié)點(diǎn)偏移量為

MAXNOD,文件名為GEN2.SUB

SE,GEN2!讀入新的超單元

NSEL,...!選擇接觸處的所有結(jié)點(diǎn)

CPINTF,ALL!固連所有結(jié)點(diǎn)的所有自由度

NSEL,ALL

d.如果要對(duì)超單元進(jìn)行移動(dòng)或拷貝到不同的位置,或進(jìn)行鏡向操作，必

須用SETRAN命令SESYMM命令(Main

Menu>Preprocessor>Create>Elements>

ByReflection),并給出正確的結(jié)點(diǎn)偏移量，生成新的超單元矩陣文件，然后用

SE命令讀入新的矩陣。連接超單元與非超單元同樣用上面的方法一用相同的

結(jié)點(diǎn)號(hào)，結(jié)點(diǎn)偏移量，或用CPINTF命令。

注一如果用SETRAN命令將超單元傳遞到不同的坐標(biāo)系中，缺省是超單

元的主自由度隨之旋轉(zhuǎn)。這一點(diǎn)在初始的超單元主自由度發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)很有用，比

如旋轉(zhuǎn)到柱坐標(biāo)系中。（在這種情況下，傳遞不影響超單元?jiǎng)偠染仃?。）如果初?/p>

超單元沒有結(jié)點(diǎn)發(fā)生旋轉(zhuǎn),那么傳遞的超單元也無須旋轉(zhuǎn)結(jié)點(diǎn)。用戶可以通過設(shè)

定SETRAN命令的NOROT域?yàn)?來防止結(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。（在這種傳遞中超單元的

剛度矩陣和載荷向量由程序自動(dòng)修改1

6.用圖形顯示和列表功能驗(yàn)證超單元的位置是否正確。超單元用輪廓

線表示，數(shù)據(jù)在生成部分寫到矩陣文件中。

要生成圖形顯示，用下列命令：

Command:EPLOT

GUI:UtilityMenu>Plot>Elements

要生成列表，用下列命令：

Command:SELIST

GUI:UtilityMenu>List>Other>SuperelemData

7.存儲(chǔ)整個(gè)模型文件：

Command:SAVE

GUI:UtilityMenu>File>SaveasJobname.db

退出PREP7:

Command:FINISH

GUI:MainMenu>Finish

第三步：施加邊界條件并求解。

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(dòng)力學(xué)分析，必須有質(zhì)量矩陣。具體過程如下：

1.進(jìn)入SOLUTION。

Command:/SOLU

GUI:MainMenu>Solution

2.定義分析類型和分析選項(xiàng)。

對(duì)于大轉(zhuǎn)動(dòng)分析，打開大位移效果[NLGEOM,ON],并正確定義非線性分

析的子步數(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(duì)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(shí)才生效。

注一對(duì)大轉(zhuǎn)動(dòng)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:SFE

GUI:MainMenu>Solution>-Loads-Apply>LoadVector>For

Superelement

在超單元矩陣文件中，每個(gè)載荷步對(duì)應(yīng)一個(gè)載荷向量，用參考號(hào)來區(qū)別。

如，

SFE,63,1,SELV,,0.75

在63號(hào)單元上施加載荷向量，號(hào)為1,比例系數(shù)為0.75。因此，ELEM域

代表超單元的單元號(hào)，LKEY域代表載荷向量號(hào)（缺省為1）,Lab是SELV,VAL1

代表比例系數(shù)（缺省為01（參看SFE命令）

注一載荷向量的方向是固定在超單元上的，因此如果超單元旋轉(zhuǎn)了，載

荷向量就隨之旋轉(zhuǎn)。對(duì)于自由度方向也是如此（UX,UY,ROTY等）,它們同樣

隨著超單元的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)（除非SETRAN命令中NOROT=1,此時(shí)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系

不旋轉(zhuǎn)1

5.定義與分析類型相適應(yīng)的載荷步選項(xiàng)。

注一用MATRIX50超單元時(shí)不要用PCG求解器。

6.開始計(jì)算：

Command:SOLVE

GUI:MainMenu>Solution>CurrentLS

本步計(jì)算包括非超單元的完整解和超單元的凝聚解一主自由度解。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(gè)文件：

Command:SEDLIST

GUI:MainMenu>GeneralPostprooListResults>SuperelemDOF

UtilityMenu>List>Results>SuperelemDOFSolu

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(huì)說明。

7.退出SOLUTION。

Command:FINISH

GUI:MainMenu>Finish

擴(kuò)展部分：在超單元中擴(kuò)展求解結(jié)果

擴(kuò)展部分從使用部分的凝聚解計(jì)算出整個(gè)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工1\^1,6人其5118/咫08和比1_口文件,

使用部分的.DSUB文件存在。如果在使用部分中使用了結(jié)點(diǎn)偏移，在擴(kuò)展部分

中將自動(dòng)計(jì)入。

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:/CLEAR

GUI:UtilityMenu>File>Clear&StartNew

2.將文件名切換到生成部分的文件名。這樣，程序就可以識(shí)別擴(kuò)展部

分所用的文件。用下列方法：

Command:/FILENAME

GUI:UtilityMenu>File>ChangeJobname

3.讀入生成部分的數(shù)據(jù)庫文件。用下列方法：

Command:RESUME

GUI:UtilityMenu>File>ResumeJobname.db

4.進(jìn)入SOLUTION。用下列方法：

Command:/SOLU

GUI:MainMenu>Solution

5.激活擴(kuò)展部分及其選項(xiàng)。

擴(kuò)展部分開關(guān)一選為ON。

Command:EXPASS

GUI:MainMenu>Solution>ExpasionPass

被擴(kuò)展的超單元名一指定

SENAMEO

Command:SEEXP

GUI:MainMenu>Solution>ExpasionPass>ExpandSuperelem

（完整的文件名假定為Sename.SUB）

使用部分生成的凝聚解文件。用SEEXP命令（或其相應(yīng)的GUI路徑）指定

該文件名。完整的文件名假定為

Usefil.DSUBo

位移的實(shí)部或虛部一只有在使用部分是諧波分析時(shí)使用。用SEEXP命令

（或其相應(yīng)的GUI路徑工

被擴(kuò)展的解一指定被擴(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(shí)間或頻率來指定結(jié)果。用下列方法:

Command:EXPSOL

GUI:MainMenu>Solution>ExpansionPass>ByLoadStep

MainMenu>Solution>ExpansionPass>ByTime/Freq

注一如果被擴(kuò)展的載荷步中包含非零自由度約束時(shí)，數(shù)據(jù)庫中應(yīng)該有相

應(yīng)的自由度數(shù)值。如果沒有，那么自由度約束必須在擴(kuò)展部分中重新聲明［D］。

6.指定載荷步選項(xiàng)。對(duì)于子結(jié)構(gòu)擴(kuò)展部分，只有輸出控制選項(xiàng)是可用

的：

輸出控制一這些選項(xiàng)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。

如果在打印輸出文件(JobnameQUT)中包含某些內(nèi)容，使用下列方法：

Command:OUTPR

GUI:MainMenu>Solution>OutputCtrls>DB/ResultsFile

如果控制結(jié)果文件(Jobname.RST)中的數(shù)據(jù)，使用下列方法：

Command:OUTRES

GUI:MainMenu>Solution>OutputCtrls>DB/ResultsFile

如果想用將單元積分點(diǎn)上的數(shù)據(jù)拷貝到結(jié)點(diǎn)的方法代替插值方法(缺省)

時(shí)，用下列命令:

Command:ERESX

GUI:MainMenu>Solution>OutputCtrls>IntegrationPt

7.開始擴(kuò)展部分：

Command:SOLVE

GUI:MainMenu>Solution>CurrentLS

8.重復(fù)步驟5到7對(duì)其他使用部分結(jié)果進(jìn)行擴(kuò)展。如果要擴(kuò)展不同超

單元的解，需要退出并重新進(jìn)入SOLUTION.

9.最后，退出SOLUTION。

Command:FINISH

GUI:MainMenu>Finish

10.用通用方法對(duì)超單元擴(kuò)展結(jié)果進(jìn)行后處理。

注一擴(kuò)展部分不適用于功率譜密度分析。

輸入示例

下面給出一個(gè)子結(jié)構(gòu)分析的命令流文件示例。本例假定一個(gè)超單元與非超

單元連接。

!生成部分

!建模（超單元部分）

/FILNAME,GEN!文件名為GEN

/TITLE,...

/PREP7!進(jìn)入PREP7

—!生成超單元部分模型

FINISH

!加載并生成超單元矩陣

/SOLU!進(jìn)入SOLUTION

ANTYPE,SUBST!子結(jié)構(gòu)分析

SEOPT,GEN,...!超單元名和其他子結(jié)構(gòu)分析選項(xiàng)

M,...!主自由度

D,...!載荷。一個(gè)載荷向量將產(chǎn)生并寫入超單元矩

陣文件

—!載荷步選項(xiàng)

SAVE!存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫文件

SOLVE!開始求解一生成GEN.SUB文件，包含超

單元矩陣載荷向量。

!載荷。生成第二個(gè)載荷向量（D和M可以

不變）

SOLVE!加入第二個(gè)載荷向量。

!重復(fù)加載和求解生成其他的載荷向量（最多

達(dá)到31個(gè)工

FINISH

!使用部分

!建模

/CLEAR!清除數(shù)據(jù)庫

/FILNAME,USE!文件名為USE

/PREP7!進(jìn)入PREP7

ET,1,MATRIX50!MATRIX50為超單元類型

ET,2,.!非超單元的單元類型

—!生成非超單元部分模型

TYPE,1!指向超單元類型

SETRAN,...!結(jié)點(diǎn)偏移量

SE；...!讀入由SETRAN生成的超單元

EPLOT!檢查超單元位置

NSEL,...!選擇接觸處的結(jié)點(diǎn)

CPINTF,ALL!固連接觸處結(jié)點(diǎn)（在結(jié)點(diǎn)號(hào)不相等時(shí)使用）

NSEL,ALL

FINISH

!加載并求解

/SOLU!進(jìn)入求解器

ANTYPE,...!分析類型和分析選項(xiàng)

D,...!非超單元上的載荷

SFE,...!施加超單元載荷向量

—!載荷步選項(xiàng)

SAVE!存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫文件

SOLVE!開始求解，計(jì)算非超單元完整解和超單元凝聚

解。

FINISH

!查看非超單元結(jié)果

!擴(kuò)展部分

/CLEAR!清除數(shù)據(jù)庫

/FILNAME,GEN!文件名切換到生成部分文件名

RESUME!讀入生成部分?jǐn)?shù)據(jù)庫

/SOLU!進(jìn)入求解器

EXPASS,ON!激活擴(kuò)展選項(xiàng)

SEEXP,GEN,USE!要擴(kuò)展的超單元名

!載荷步選項(xiàng)（主要是輸出控制）

SOLVE!開始擴(kuò)展部分求解。超單元完整解寫入文件

GEN.RST或RTH,RMG中。

FINISH

!查看超單元解

請(qǐng)查閱ANTYPE,SEOPT,M,ET,SETRAN,SE,CPINTF,EXPASS

和SEEXP命令得到更加詳細(xì)的說明。

自頂而下子結(jié)構(gòu)分析

上述的子結(jié)構(gòu)方法稱為自底而上的子結(jié)構(gòu)生成方法，每個(gè)超單元是通過獨(dú)立

的生成過程來生成，然后通過使用過程組裝。這種方法適用于超大型的模型，分

解為小的超單元便于求解。

如果對(duì)相對(duì)小一些的模型或具有統(tǒng)一的幾何外型控制和不同的結(jié)構(gòu)分析的

情況，可以用一種與上述方法有一點(diǎn)細(xì)微差別的技術(shù)，稱之為自頂而下的子結(jié)構(gòu)

分析。這種方法適于將非線性模型中線性部分（應(yīng)相對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)大小比較適中）

作成子結(jié)構(gòu)。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是可以在后處理中將幾個(gè)子結(jié)構(gòu)的結(jié)果加以組合。

自頂而下子結(jié)構(gòu)分析的步驟如下：

1.首先建立整體模型，包括超單元和非超單元部分。將模型存儲(chǔ)在一

個(gè)命名的數(shù)據(jù)庫文件中。這個(gè)整體的數(shù)據(jù)庫在后面擴(kuò)展部分中還要使用。如果模

型中包含非超單元部分，在使用部分中也要用到這個(gè)文件。

2.將模型的一部分選出完成生成部分操作。因?yàn)檎w模型都已經(jīng)建立

了，用戶所要做的就是選擇要生成超單元部分的單元，施加載荷（目的是生成載

荷向量），然后SOLVE命令生成超單元（Main

Menu>Solution>-Solve-CurrentLS\

3.完成使用部分。進(jìn)入PREP7,讀入整體模型數(shù)據(jù)庫并選擇非超單元

部分。接下來定義超單元類型[ET,TYPE],讀入相應(yīng)的超單元矩陣。絕大多數(shù)

情況下，用戶不必?fù)?dān)心接觸處的結(jié)點(diǎn)連接，因?yàn)樗鼈兪怯梢粋€(gè)模型生成的。進(jìn)入

SOLUTION,定義分析類型和分析選項(xiàng)。在非超單元上施加載荷，讀入載荷向

量（如果有的話），指定載荷步選項(xiàng)，并開始使用部分的求解。

4.完成擴(kuò)展部分。首先讀入整體模型，需包含所有結(jié)點(diǎn)和單元，然后

對(duì)每個(gè)超單元做擴(kuò)展，每次應(yīng)定義不同的文件名，并每次進(jìn)入和退出

用戶可以用通用的后處理過程查看每個(gè)超單元的結(jié)果。注一使

SOLUTIONo

用整個(gè)數(shù)據(jù)庫文件，可以讀入多個(gè)超單元結(jié)果：

RESUME,FULL,DB

/P0ST1

FILE,GEN1

SET,...

FILE,GEN2

SET,...!不清除上一個(gè)超單元的結(jié)果。

以下給出一個(gè)自頂而下子結(jié)構(gòu)分析的輸入示例。本例假定模型有一個(gè)超單元

和其他非超單元部分。

!自頂而下子結(jié)構(gòu)分析的輸入示例

!建立整體模型

/FILNAME,FULL!文件名為FULL

/TITLE,...

/PREP7!進(jìn)入PREP7

—!生成整體模型,包括超單元部分和非超單元

部分

SAVE!存儲(chǔ)整體模型，以備（使用部分和）擴(kuò)展部

分使用

FINISH

!生成部分

/FILNAME,GEN!文件名為GEN

/SOLU!進(jìn)入SOLUTION

ANTYPE,SUBST!子結(jié)構(gòu)分析

SEOPT,GEN,...!子結(jié)構(gòu)分析選項(xiàng)

ESEL,...!選擇超單元部分的單元和結(jié)點(diǎn)

NSEL

M,...!主自由度

D,...!載荷。一個(gè)載荷向量將產(chǎn)生并寫入超單元矩

陣文件

!載荷步選項(xiàng)

SOLVE!開始求解一一生成超單元矩陣文件GEN.SUB

!載荷。生成第二個(gè)載荷向量（D和M可以

不變）

SOLVE!加入第二個(gè)載荷向量。

—!重復(fù)加載和求解生成其他的載荷向量（最多

達(dá)到31個(gè)1

FINISH

!使用部分

/CLEAR!清除數(shù)據(jù)庫

/FILNAME,USE!文件名為USE

RESUME,FFULL,DB!讀入整體模型數(shù)據(jù)庫

ESEL,...!選擇非超單元部分的單元和結(jié)點(diǎn)

NSEL

/PREP7

ET,...,MATRIX50!MATRIX50為超單元類型

TYPE,...!指向超單元類型

SE,GEN!讀入超單元矩陣

EPLOT

FINISH

/SOLU!進(jìn)入求解器

ANTYPE,...!分析類型和分析選項(xiàng)

D,...!非超單元上的載荷

SFE,...!施加超單元載荷向量

—!載荷步選項(xiàng)

SOLVE!開始求解,計(jì)算非超單元完整解和超單元凝聚解。

FINISH

!擴(kuò)展部分

/CLEAR!清除數(shù)據(jù)庫

/FILNAME,GEN!文件名切換到生成部分文件名

RESUME,FULL,DB!讀入整體模型數(shù)據(jù)庫

/SOLU!進(jìn)入求解器

ANTYPE,SUBSTR

EXPASS,ON!激活擴(kuò)展選項(xiàng)

EXPSOL,...!指定要擴(kuò)展的解

SEEXP,GEN,USE!要擴(kuò)展的超單元名

!載荷步選項(xiàng)（主要是輸出控制）

SOLVE!開始擴(kuò)展部分求解。超單元完整解寫入文件

GEN.RST或RTH,RMG中。

FINISH

!查看超單元解

請(qǐng)查閱ANTYPE,SEOPT,M,ET,SETRAN,SE,EXPASS和SEEXP命

令得到更加詳細(xì)的說明。

超單元嵌套

在ANSYS中一個(gè)強(qiáng)有力的子結(jié)構(gòu)特性就是允許嵌套：允許一個(gè)子結(jié)構(gòu)中

包含另一個(gè)子結(jié)構(gòu)。也就是說，在生成超單元時(shí)，生成部分的其中一個(gè)單元可以

是以前生成的超單元。

例如，有一個(gè)超單元名為PISTON,可以在生成一個(gè)名為CYLINDER的超

單元，其中包含超單元PIST0No為了完成柱體及其內(nèi)部的活塞的分析，就要進(jìn)

行一個(gè)使用部分計(jì)算和兩個(gè)擴(kuò)展部分的計(jì)算。使用部分計(jì)算超單元CYLINDER

的主自由度凝聚解第一個(gè)擴(kuò)展部分計(jì)算CYLINDER的完整解和超單元PISTON

的凝聚解，第二個(gè)擴(kuò)展部分計(jì)算PISTON的完整解。

有預(yù)應(yīng)力的子結(jié)構(gòu)

在建模中正確的描述系統(tǒng)特性，很重要的一點(diǎn)就是考慮其應(yīng)力情況。應(yīng)力

情況會(huì)影響剛度矩陣項(xiàng)的數(shù)值。前一步結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)力情況在超單元生成部分形

成剛度矩陣時(shí)會(huì)被計(jì)入。應(yīng)力剛化使得一般不能承受某種載荷的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。比如

說，拉緊的繩索能夠承受法向力而松弛的繩索就不能。應(yīng)力剛化同樣可以影響同

時(shí)有模態(tài)和瞬態(tài)動(dòng)力問題時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)頻率。

有兩種不同的方法能夠生成有預(yù)應(yīng)力的子結(jié)構(gòu)。以下用方法A和方法B列

出：

方法A:

1.建立模型，定義分析類型為靜力分析（ANTYPE,Main

Menu>Solution>NewAnalysis）,施加剛化載荷。

2.指定計(jì)算預(yù)應(yīng)力效果（PSTRES或MainMenu>Solution>Analysis

OptionsX

3.開始靜力計(jì)算（SOLVE或MainMenu>Solution>-Solve-Current

LSI

4.完成生成部分。用PSTRES命令或其等效的GUI路徑計(jì)入靜力分析

的預(yù)應(yīng)力效果。（注一在靜力分析和生成部分一定要打開預(yù)應(yīng)力效果。）

5.完成使用部分和擴(kuò)展部分。

6.查看結(jié)果。

方法B:

注一本方法不需進(jìn)行整體模型的靜力計(jì)算。

1.建模并完成生成部分。要通過將SEOPT（Mair）Menu>Solution>

AnalysisOptions）命令選項(xiàng)SESST設(shè)為1為應(yīng)力剛度矩陣保留空間。

2.加載并完成靜力的使用部分。

3.完成擴(kuò)展部分并用PSTRES（Mair）Menu>Solution>Analysis

0Ptions）計(jì)入預(yù)應(yīng)力效果。

4.保持預(yù)應(yīng)力效果打開進(jìn)行其他的生成部分以生成新的超單元。

5.求解新的生成部分并完成使用部分。

6.完成擴(kuò)展部分并查看結(jié)果。

子結(jié)構(gòu)分析實(shí)例（命令行格式）

問題描述

圓盤承受沿垂直方向的對(duì)稱載荷，材料特性和幾何特征如下，求其應(yīng)力應(yīng)變

情況。

MaterialPropertiesGeometricProperties

E=30x106pSid=2in

v=0.3t=0.2in

Loading

F=2000lb

F

RepresentativeFiniteElementModelX

ProblemSketch(forPUXNE2,PSNE82andSHELL93only)

/PREP7

smrt,off

/DEVICE,VECTOR,ON

/TITLE,DIAMETRALCOMPRESSIONOFADISK

ANTYPE,STATIC!靜力分析

ET,1,PLANE2?,3??1

ET,2,PLANE82,?3??1

ET3PLANE82,,,3〃2!選擇結(jié)點(diǎn)應(yīng)力輸出

R,L.2!厚度

MREX,l,30E6

MRNUXY,1,0.3

CSYS,1!柱坐標(biāo)系

K,1,1,90

K,2,.5,90

K,4,l

K,5,1,50

L,l,5

LESIZEL75

L,5,4

LESIZE,2?,4,2

CSYS,0!笛卡兒坐標(biāo)系

K,3

L34

LESIZE,3,?5

L,2,3

LESIZE,4,?4,2

L,2,5

LESIZE,5,?5

L,L2

LESIZE,6,?7,5

A,1,2,5,5

A,2,3,4,5

TYPE,2

MSHK,1

MSHA,0,2D

AMESH,2

EPLOT

TYPE,1

MSHK,0

MSHA,1,2D

AMESH,1

EPLOT

NSEL,S,LOC,X,0

NSEL,R,LOC,Y,0

ESLN

TYPE,3

EMODIF,ALL

SAVE,VM141,DB

NSEL,S,LOC,Y,0

DSYM,SYMM,Y!沿X軸對(duì)稱

NSEL,S,LOC,X,0

DSYM,SYMM,X!沿Y軸對(duì)稱

NSEL,ALL

ESEL,ALL

OUTPR,NSOL,NONE!結(jié)點(diǎn)位移和支反力解輸出

OUTPR,ESOL,ALL!單元解輸出

FK,l,FY,-1000!施加載荷值的一半（對(duì)稱）

FINISH

/SOLU

SOLVE

FINISH

/POST1

NSEL,S,LOC,X,0!選擇感興趣的結(jié)點(diǎn)

NSEL,A,LOC,X,0.1

NSEL,R,LOC,Y,0

PRNSOL,S,COMP

NSEL,R,LOC,X,0

NSEL,A,LOC,X,0.2

NSEL,R,LOC,Y,0

*GET,SNOD,NODE,,NUM,MIN!選擇路徑起點(diǎn)結(jié)點(diǎn)(X=0)

*GET,FNOD,NODE,,NUM,MAX!選擇路徑終點(diǎn)結(jié)點(diǎn)(X=0.2)

NSEL,ALL

ESEL,ALL

PATH,STRESS1,2?48!定義路徑名為‘STRESS1'

PPATH,1,SNOD!用結(jié)點(diǎn)定義路徑點(diǎn)

PPATH,2,FNOD

PDEF,SY,S,Y

PRANGE,24

PRPATH,SY!顯示路徑的SY應(yīng)力

*GET,S1,PATH,O,MIN,SY

NSEL,R,LOC,X,0

NSEL,A,LOC,X,0.1

NSEL,R,LOC