ANSYS高級(jí)分析-子結(jié)構(gòu)

1、1 引言在 ANSY 鮮臺(tái)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(gè)單元過(guò) 程的技術(shù)，切吧這個(gè)單一的矩陣單元稱為超單元。在 ANSY 協(xié)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 ANSY 懿塊中都能利用，目前 ANSYSF 結(jié)構(gòu) 技術(shù)可以在 ANSYS/Mutiphysics ,ANSYS/Mechanical 和 ANSYS/Structural 中使在 ANSY 鮮臺(tái)上，使用子結(jié)構(gòu)的目的主要是為了節(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(wèn)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(guò)程中重復(fù)計(jì)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(duì)丁重復(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(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)資源。子結(jié)構(gòu)還用丁模型有大轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下。對(duì)丁這些模型，ANSYSS 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(wú)須對(duì)子結(jié)構(gòu)施加約束，因?yàn)槊總€(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。對(duì)丁大型三維問(wèn)題的分析而言，需用磁盤空間相對(duì)丁一個(gè)普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái) 說(shuō)太龐大了，

3、在這種情況下，用戶可以通過(guò)子結(jié)構(gòu)將問(wèn)題分塊進(jìn)行分析， 從而使 得每一塊對(duì)丁計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是可以計(jì)算和承受的。2 ANSYS 子結(jié)構(gòu)使用步驟ANSYS 子結(jié)構(gòu)使用過(guò)程分為以下三個(gè)步驟：1 ） ANSYSP 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(gè)超單元。凝聚是通過(guò)定義一組 主自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主自由度用丁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 1 是一個(gè)板狀構(gòu)件用接觸單元分析的示意。 由丁接觸單元需 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。2 ） ANSYSP 結(jié)構(gòu)使用部分用部分就是將超單元與模型整體相

4、連進(jìn)行分析的部分 超單元，也可以象上例一樣是超單元與非超單元相連的。 單元的凝聚（自由度計(jì)算僅限丁主自由度）和非超單元的全部計(jì)算。3） ANSY 宇結(jié)構(gòu)擴(kuò)展部分使擴(kuò)展部分就是從凝聚計(jì)算結(jié)果開(kāi)始計(jì)算整個(gè)超單元中所有的自由度。如果整個(gè)模型可以是一個(gè) 使用部分的計(jì)算只是超在使用部分有多個(gè)超單元，那么每個(gè)超單元都需要有單獨(dú)的擴(kuò)展過(guò)程。圖 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(jiàn)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)丁子結(jié)構(gòu)生成部分本節(jié)主要介紹在 ANSY 濟(jì)結(jié)構(gòu)生成部分在使用時(shí)的一些操作技術(shù)問(wèn)題。 在利 用子結(jié)構(gòu)生成部分生成超單元時(shí)分為兩步： 建立模型、施

5、加邊界條件，生成超單 元矩陣。3.1 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 PREP 淀義單元類型，單元實(shí)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(diǎn)：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!供的絕大多數(shù)單元都可以用來(lái)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

6、 務(wù)自動(dòng)作為線性單元處理。需要注意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?？梢杂猛N形狀的單元來(lái)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(kāi)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)

7、一致。如果想生成整體模型則需將模型存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)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， RESUM EUtility MenuFileResume from ）數(shù) 據(jù)庫(kù)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(kāi)始計(jì)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)置分析類型一一選擇生成超單元使用下列方法：Command: ANTYP

8、EGUI: Main MenuSolution-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(xiàng)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LQM NamrLoM Cflrte goryCommitUs*Solid Modtt LaacfFmrtr Ekment LoadsDisplacemeril TemperanjreIvl&g. Potential Etc*ConsraintsDK, DKLIST

9、, DKDELE,DL, DLLfST, DLDELE, DA,DALE, DADELEhDTRAND, DSYMM, DUST*DDELE, SCALE, OCUMForceHeat Flow Rre ktag. FluxETC.ForcesFK,FKLIST,FKDELE,FTRAMF, FLtST, FDELE, FSCALE,FCUMPressureConvection卜加twwliSurface Etc.Suface UoAds3FL, SFLLI& SFLDEL, SFASFALIS,SFADEL,SFGRAD,SFTRAN牝SFLIST, CELE, SFEPSFELI&

10、amp;SFEDEL, SFBEAM,SFGRADTSFFUM SFSCALE, SFCUMTert*iperaiureHeat Generation RaleCorent D rtsiryEtCnBody Load*BFKPBFKLIS.BFKDEL, BFTAAMBF,昕LIST, 8FDELE,SFE, BFELIS, BFEDEL,BFSCALE, BFCUMGravity; Linear andAngular AccelerationInertia LoadsACEL, DOMEGA=uor s6）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的備份文件Command: SAVEGUI: Utility MenuFil

11、eSave as Jobname.db7）開(kāi)始計(jì)算Command: SOLVEGUI: Main MenuSolutionCurrent LS計(jì)算結(jié)果包括超單元矩陣文件，Sename.SUB Senam 昵通過(guò)SEOPTf 定的 文件名或是工作文件名/FILENAME0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(méi)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(lái)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(jì)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(wèn)題的分析

12、成為可能，子結(jié)構(gòu)技術(shù)擴(kuò)展了 ANSY 浙分析問(wèn)題時(shí)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(lái)極大的方便，特別是分析問(wèn)題規(guī)模較大時(shí)，更能體現(xiàn)子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。1 引言ANSYS 子結(jié)構(gòu)技術(shù)的使用部分可以適用丁 ANSY析類型（FLOTRAIW 顯式 動(dòng)力分析除外）。它與普通分析的區(qū)別就是分析過(guò)程中的一個(gè)或幾個(gè)單元是前面 生成的超單元。ANSYS?助文檔每個(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(guò)程有以下幾個(gè)步驟:1）活除數(shù)據(jù)庫(kù)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。2 使用部分過(guò)程本小節(jié)按照

13、引言中所示將超單元變?yōu)槟Ｐ鸵徊糠值娜齻€(gè)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，第一步是活除現(xiàn)存 的數(shù)據(jù)庫(kù)。這與退出并重新進(jìn)入 ANSYS 勺效果是一樣的?；畛龜?shù)據(jù)庫(kù)可用下列兩 種方法：Command: /CLEARGUI: Utility MenuFileClear&Start New缺省情況下，活除數(shù)據(jù)庫(kù)就會(huì)重新讀入 START.AN 駁件。（可以改變這個(gè)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(huì)被覆蓋。用下列方式之一定義新的工作文件名：Command: /FILNAMEGUI: Utility Me

14、nuFileChange Jobname2.2 建立模型本步是在 ANSY 前處理器 PREP 沖實(shí)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/Edit/Delete2）定義其他非超單元的單元類型。非線性可以使用，能否使用取決丁進(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，同樣取決丁進(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(jiàn)圖 1）圖 1 超單元與非超單元的接

15、觸處結(jié)點(diǎn)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(diǎn)重合：a 、使用與生成部分同樣的結(jié)點(diǎn)號(hào)。b 、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）。c 、將這兩部分結(jié)點(diǎn)所有的自由度固連起來(lái)。（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: 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(guò)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(guò)生

16、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(guò)程如下：1）進(jìn)入 SOLUTIONCommand: /SOLUGUI: Main MenuSolution2）定義分析類型和分析選項(xiàng)對(duì)于大轉(zhuǎn)動(dòng)分析，打開(kāi)大位移效果NLGEOMON,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(guò)生成部分生成了質(zhì)量矩陣時(shí)才生效。注對(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: SFEGUI: Main MenuSolution-Loads-A

17、pplyLoad VectorFor 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(lái)區(qū)別。如：SFE 63, 1, SELV , 0.75上面命令行的含義是在 63 號(hào)單元上施加載荷向量，號(hào)為1,比例系數(shù)為 0.75。5）定義與分析類型相適應(yīng)的載荷步選項(xiàng)注：用 MATRIX5單元時(shí)不要用 PCGc 解器。0 Nodes hr contact eEemet Masier nodes on6）開(kāi)始計(jì)算Command: SOLVEGUI: Main MenuSolutionCurrent LS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

18、解記錄在結(jié)果文件中（Jobname.RST,RT 成 RMG ,可以進(jìn)行普通的后處 理操作。凝聚解記錄在文件 Jobname.DSUBK 可以通過(guò)如下方法查看這個(gè)文件：Command: SEDLISTGUI: Main MenuGeneral PostprocList ResultsSuperelem DOFUtility MenuListResultsSuperelem 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(huì)說(shuō)明。7）退出 SOLUTIONCommand: FINISHGUI: Main MenuFinish3擴(kuò)展部分?jǐn)U展部分從使用部分的凝聚解計(jì)算出整個(gè)

19、超單元的完整解。下面說(shuō)明擴(kuò)展部分的過(guò)程。本部分要求生成部分的.EMAT,.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(diǎn)偏移，在擴(kuò)展部分中將自動(dòng)計(jì)入。具體過(guò)程如下：1） 清除數(shù)據(jù)庫(kù)。相當(dāng)于退出并重新進(jìn)入ANSYS o 用下列方法：Command: /CLEARGUI: Utility 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(shí)別擴(kuò)展部分所用的文件。用 下列方法：Command: /FILENAMEGUI: Utility MenuFileChange Jobn

20、ame3）讀入生成部分的數(shù)據(jù)庫(kù)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(xiàng)。擴(kuò)展部分開(kāi)關(guān)一選為 ON。Command: EXPASSGUI: Main MenuSolutionExpasionPass被擴(kuò)展的超單元名一指定 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.DSUB。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）。被擴(kuò)展的解一指定被擴(kuò)展的使用部分結(jié)果?？梢酝ㄟ^(guò)給出載荷步和子步，也可以通過(guò)給 出時(shí)間或頻率來(lái)指定結(jié)果。用下列方法：Command: EXPSOLGUI: Main MenuSolutionExpansionPassBy Load StepMain MenuSolutionExpansionPassBy