ansys子模型介紹與應用實例

1、ANSYS高級分析技術(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，即對于用戶關(guān)心的區(qū)域，如應力集中區(qū)域，網(wǎng)格太疏不能得到滿意的結(jié)果，而對于這些區(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)用較細的網(wǎng)格重新劃分并分析整個模型，或(b)只在關(guān)心的區(qū)域細化網(wǎng)格并對其分析。顯而易見，方法a太耗費機時，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較粗糙的模型分割開

2、的邊界。整體模型切割邊界的計算位移值即為子模型的邊界條件。子模型基于圣維南原理，即如果實際分布載荷被等效載荷代替以后，應力和應變只在載荷施加的位置附近有改變。這說明只有在載荷集中位置才有應力集中效應，如果子模型的位置遠離應力集中位置，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)（應力）分析。子模型也可以有效地應用于其他分析中。如在電磁分析中，可以用子模型計算感興趣區(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)還有幾個優(yōu)點： 它減少甚至取消了有限元實體模型中所需的復雜的傳遞區(qū)域。 它使得用戶可以在感興趣的區(qū)域就不同的設計（如不同的圓角半徑）進行分析。

3、它幫助用戶證明網(wǎng)格劃分是否足夠細。使用子模型的一些限制如下： 只對體單元和殼單元有效。 子模型的原理要求切割邊界應遠離應力集中區(qū)域。用戶必須驗證是否滿足這個要求。如何作子模型分析子模型分析的過程包括以下步驟：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. 驗證切割邊界和應力集中區(qū)域的距離應足夠遠。第一步：生成并分析較粗糙的模型第一個步驟是對整體建模并分析。（注為了方便區(qū)分這個原始模型，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，而是說模型的網(wǎng)格劃分相對子模型的網(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（如梁單元作為加強筋），但切割邊界只能經(jīng)過塊和殼單元。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節(jié)如圓角等，見

5、下圖。但是，有限元網(wǎng)格必須細化到足以得到較合理的位移解。這一點很重要，因為子模型的結(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節(jié)部分文件結(jié)果文件（Jobname.RST,Jobname.RMG等）和數(shù)據(jù)庫文件（Jobname.DB,包含幾何模型）在粗糙模型分析中是需要的。在生成子模型前應存儲數(shù)據(jù)庫文件。用下列方法存儲數(shù)據(jù)庫：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（另一種方法是退出并重新進入ANSYS）。用下列方法清除數(shù)據(jù)庫：Command: /CLEARGUI: Utility Menu>File>Clear&Start New同時，應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然后進入PREP7并建立子模型。應該記住下列幾點：使用與粗糙模型中同樣的單元類型。同時應指定相同的單元實參（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（相對全局坐標原點）應與粗糙模型的相應部分相同，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)點旋轉(zhuǎn)位移。切割邊界結(jié)點的旋轉(zhuǎn)角在插值步驟一寫入結(jié)點文件時不應改變（見第三步：生成切割邊界插值）。用下列方法指定結(jié)點旋轉(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、點旋轉(zhuǎn)角會因為施加結(jié)點約束，傳遞線上約束或面上約束等操作而改變，同樣也會為更加明顯的操作如NROTAT和NMODIF等改變。粗糙模型中結(jié)點旋轉(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，ANSYS程序用粗糙模型結(jié)果插值方法計算這些點上的自由度數(shù)值（位移等）。對于子模型切割邊界上的所有結(jié)點，程序用粗糙模型網(wǎng)格中相應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)點并將其寫入一個文件（缺省為Jobname.NODE）中。可以

9、在PREP7 中選擇切割邊界的結(jié)點，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NWRITE命令的例子：NSEL,. !選擇切割邊界上的結(jié)點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題。在包含特性隨溫度變化的材料的分析中，或熱應力耦合分析中，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)點上。要完成這步操作，要選擇子模型中所有結(jié)點并寫入

10、另外一個文件中，使用NWRITE,Filename,Ext。 記住必須另外指定一個文件名，否則切割邊界結(jié)點文件將被覆蓋！第7步中說明了關(guān)于溫度插值的命令。2.重新選擇所有結(jié)點并將數(shù)據(jù)庫存入Jobname.DB中，然后退出PREP7。 必須將數(shù)據(jù)庫寫入文件，因為在后面子模型分析中要使用到。用下列命令重新選擇所有結(jié)點：Command: ALLSELGUI: Utility Menu>Select>Everything用下列命令存儲數(shù)據(jù)庫：Command: SAVEGUI: Utility Menu>File>Save as Jobname.db3.要進行切割邊界插值（和溫度

11、插值），數(shù)據(jù)庫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：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.進入POST1，即通用處理器（/POST1或Main Menu>General Postproc）。插值只有在POST1中進行。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)點在文件Jobname.NODE中。ANSYS程序?qū)⒂嬎闱懈钸吔绲腄OF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：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)包括實部和虛部的話，步驟6和7就要作兩遍。先用SET 命令讀入實部的數(shù)據(jù)并作插值CBDOF和/或BFINT，然后用SET命令將域設為1 讀入虛部的數(shù)據(jù)并重新進行插值，但這次將虛部插值寫入另一個文件。8.至此，所有的插值任務完成，退出POST1FINISH并讀入子模型數(shù)據(jù)庫（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，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，并對子模型求解。第一步是進入求解器（/SOLU或Main Menu>Solution）。然后定義分析類型（一般為靜態(tài)）和分析選項。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)有實部

15、和虛部，先讀入實部數(shù)據(jù)文件，指定自由度約束數(shù)值和（/或）結(jié)點體載荷是否計算，然后讀入虛部數(shù)據(jù)文件。用下列方法指定計算自由度約束數(shù)值：Command: DCUM,ADDGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>-Loads-Settings>Contraints Main Menu>Solution>-Loads-Settings>Constraints用下列方法指定計算結(jié)點體載荷數(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命令時要先將其初始狀態(tài)設為初始值。重要的一點是要將粗糙模型上所有其他載荷和邊界條件復制到子模型上。比如對稱邊界條件，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（如輸出控制）并開始計算：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（無溫度插值）見圖56。 圖5-6 子模型分析（無溫度插值）的數(shù)據(jù)流向第五步：驗證切割邊界和應力集中位置的距離是否足夠最后一步是驗證子模型切割邊界是否遠離應力集中部分?？梢酝ㄟ^比較切割邊界上的結(jié)果（應力，磁通密度等）與粗糙模型相應位置的結(jié)果是否一致來驗證。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一些的切割邊界重新生成和計算子模型。一個比較結(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)果時的云圖顯示 圖5-8 比較結(jié)果時的路徑顯示輸入示例下面列出了一個

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 !進入PREP7. !生成粗糙模型FINISH/SOLU !進入求解器ANTYPE,. !分析類型和分析選項.D,. !載荷和載荷步選項DSYMM,.ACEL,.SAVE !粗糙模型數(shù)據(jù)庫文件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（或退出ANSYS并重新進入）/FILNAME,submod !新工作文件名為submod/PREP7 !重新進入PREP7. !生成子模型!進行切割邊界插

19、值NSEL,. !選擇切割邊界上的結(jié)點NWRITE !將其寫入文件submod.nodeALLSEL !讀入所有實體NWRITE,temp,node !將所有結(jié)點寫入文件temp.node(用于 溫度插值)SAVE !存儲子模型數(shù)據(jù)庫文件submod.dbFINISHRESUME,coarse,db !讀入粗糙模型數(shù)據(jù)庫(coarse.db)/POST1 !進入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 并將BF命令寫入文件submod.bfin(用 于溫度插值)FINISH !結(jié)束插值過程RESUME !讀入子模型數(shù)據(jù)庫(submod.db)/SOLU !進入求解器ANTYPE,. !分析類型和選項./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ACEL,.SOLVE !子模型求解FINISH/POST1 !進入POST1. !驗證子模型數(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體模型。圖59所示為三維實體子模型添加到粗糙殼模

21、型上的例子。 圖5-9 3-D實體模型疊加到殼單元模型上殼到體子模型分析與體對體子模型分析大致一致。下面的幾點是要記住的：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域設為1實現(xiàn)的。 本特性不適用于SHELL91或SHELL99（KEYOPT（11）不等于0）。子模型切割邊界應為垂直于殼平面的端面（見圖510）。切割邊界上的結(jié)點寫入文件中

22、NWRITE(Main Menu>Preprocessor>Create>Node>Write Node File)。要確定切割邊界上結(jié)點的自由度數(shù)值CBDOF，程序首先將結(jié)點延伸到殼平面的最近的單元上，該延伸結(jié)點的自由度數(shù)值就插值并賦值給相應的結(jié)點。溫度插值是由計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，子模型應大致在粗糙模型的中間。 圖5-10結(jié)點旋轉(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)點只計算平動自由度，但其數(shù)值是根據(jù)延伸結(jié)點的平動和轉(zhuǎn)動自由度得到的。

23、而且，結(jié)點旋轉(zhuǎn)以使結(jié)點的UY自由度始終垂直于殼平面，見圖510。UY自由度只有當結(jié)點在殼平面平均厚度的10之內(nèi)時才計算。這防止了子模型在反向的過度位移。由CBDOF命令寫的.CBDO文件包括兩個部分：(1)一組NMODIF命令(表示結(jié)點旋轉(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)。這兩個部分用/EOF命令和一個:CBnn標記分開(nn為結(jié)果序列迭代次數(shù))。用戶必須將.CBDO文件讀入PREP7中，因為NMODIF命令只能在PREP7中適用。要完成這步操作，進入前處理器，然后用下列命令：Command: /INPUTGUI: Utility Menu>Fi

24、le>Read Input from同時，要讀入.CBDO文件兩次，因為兩個命令部分被/EOF命令分開了。在第二次讀入文件時，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例（命令行格式）問題描述求解矩形平板中心開孔，承受橫向拉力時的應力集中情況。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 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 NWRITE ! 將結(jié)點寫入文件SUBMODEL.NODE LSEL,ALL NSEL,ALL FINISH SAVE ! 存儲子模型數(shù)據(jù)庫文件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