ansys子模型介紹與應(yīng)用實(shí)例

1、ansys高級分析技術(shù)指南子模型5-14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(yīng)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(b)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

2、糙的模型分割開的邊界。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。ansyss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

3、同的圓角半徑）進(jìn) 行分析。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

4、態(tài)的，具操作與各分析的步驟相同。下面列出了 其他的一些要記住的方面。文件名一一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 menufilechange jobname單元類型一一子模型技術(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(qiáng)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。建模一一在很多情況下，粗糙

5、模型不需要包含局部的細(xì)節(jié)如圓角等，見下 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 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(xì)節(jié)部分actual geometryfinite element medel文件結(jié)果文件（jobname.rst,jobname.rmg ）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(yīng)存儲數(shù)據(jù)庫文件。用下列方法存儲數(shù)據(jù)庫：command: savegui: utility menufilesave asutility menufilesave as jobna

6、me.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(jìn)入 ansys。用下列方法清除數(shù)據(jù)庫：command: /cleargui: utility menufileclear&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 menufilechange jobname然后進(jìn)入prep正建立子模型。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)一一

7、殼到體技術(shù)一一允許從粗糙模型的殼單元 轉(zhuǎn)換為體單元，見后。）子模型的位置（相對全局坐標(biāo)原點(diǎn)）應(yīng)與粗糙模型的相應(yīng)部分相同，見圖5 3。圖5-3疊加在粗糙模型上的子模型part of 旅 coarse model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 menupreprocessorcreatenodes-rotate node cs-to active csmain menupreprocessormove/modify-rotate node cs-to

8、 active cs注意結(jié)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nrota不口 nmodi奇改變。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)， ansyss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) 信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

9、省為jobname.node 中?？梢栽趐rep7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 menupreprocessorcreatenodeswrite node file下面是一個(gè)nwrit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cut-hountiary nodes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， 或熱一應(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

10、步操作，要選擇子模型中所有結(jié)點(diǎn)并寫入另外一個(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)庫存入 jobname.db中，然后退出prep7必 須將數(shù)據(jù)庫寫入文件，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 menuselecteverything用下列命令存儲數(shù)據(jù)庫：command: savegui: utility menufilesave as jobname.db3 .要進(jìn)行切割邊界插值

11、(和溫度插值)，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 menufileresume from如，粗糙模型文件名為 coars，e就輸入命令 resume,coars巳db4 .進(jìn)入 post 1 即通用處理器(/post1 或 main menugeneral 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 menugeneral postprocdata & file opts )。6 .讀入結(jié)果文件中相應(yīng)的數(shù)據(jù) (set或main menu

12、general postproc-readresults-option ）。7 .開始切割邊界插值。用下列方法完成本步操作：command: cbdofgui: main menugeneral postprocsubmodelinginterpolate dof缺省狀態(tài)下，cbdo命令假定切割邊界結(jié)點(diǎn)在文件 jobname.nod中。ansys 程序?qū)⒂?jì)算切割邊界的dof值并用d命令的形式寫入文件jobname.cbdw。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 menugeneral postprocsubmodelinginte

13、rp body forc溫度插值以bf命令的格式寫入文件jobname.bfin注一一如果數(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cbdoff口/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審讀入子模型數(shù)據(jù)庫（resume main menufileresume 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)，并對子模型求解。第一步是進(jìn)

14、入求解器（/solu或main menusolution ）。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cbdo命令生成的由d命令組成的文件：command: /inputgui: utility menufileread 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 menufileread input from如果數(shù)據(jù)有實(shí)部和虛部，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)

15、值：command: dcum,addgui: main menupreprocessorloads-loads-settingscontraintsmain menusolution-loads-settingsconstraints用下列方法指定計(jì)算結(jié)點(diǎn)體載荷數(shù)值：command: bfcum,addgui: main menupreprocessorloads-loads-settingsnodal body ldmain menusolution-loads-settingsnodal body ld注意在執(zhí)行dcum口 bfcumt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

16、模型上所有其他載荷和邊界條件復(fù)制到子模型上。比如對稱邊界條件，面力，慣性載荷（如重量），集中力等（見圖5 5）。圖5-5 子模型的載荷cut-boundarydof cansiraintesurface leadfree surface （淞 in coarse mu#。cut-boundaiydof coristraints然后指定載荷步選項(xiàng)（如輸出控制）并開始計(jì)算:command: solvegui: main menusolutioncurrent lsmain menusolutionrun flotran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）

17、見圖5-6。圖5-6子模型分析（無溫度插值）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^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 5 8。nate agneement of stesses at ttiis segment 5由史 cut boundary coarse model and s

18、ubmodel圖5-8比較結(jié)果時(shí)的路徑顯示圖5-7比較結(jié)果時(shí)的云圖顯示輸入示例下面列出了 一個(gè)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)庫文件 coarse.dbsolve!求解粗糙模型結(jié)果在義件coarse.rst（ 或rmg等）finish!生成子模型/clear!消除數(shù)據(jù)庫（或退出ansy和重新進(jìn)入）/filname,submod!新工作文件名為s

19、ubmod/prep7!制進(jìn)入prep7.!生成子模型!進(jìn)行切割邊界插值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!finish仔儲十模型數(shù)據(jù)庫文件 submod.dbresume,coarse,db!讀入粗糙模型數(shù)據(jù)庫（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.cb

20、dobfint,temps,node!從temps.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)束插值過程resume!讀入子模型數(shù)據(jù)庫（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,.!acel,.其他載荷和載荷步選項(xiàng).solve!finish子模型求解/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 5-9所示

21、為三維實(shí)體子模型添加到粗糙殼模型上的例子。圖5-9 3-d實(shí)體模型疊加到殼單元模型上submodel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(diǎn)是要記住的：殼到體子模型分析是將 dbdof命令 (main menugeneral postprocsubmodelinginterpolate dof )和 bfint 命令(main menugeneralsubmodelinginterp body forc )中 kshs設(shè)為 1 實(shí)現(xiàn)的。 本 特性不適用于shell9似shell99(keyopt11)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5-10)。切割邊界上的結(jié)

22、點(diǎn)寫入文件中nwrite(main menupreprocessorcreatenodewrite 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5-10。也就是說，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)cbdo命令之前，b)cbdo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。而且，結(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)以使結(jié)

23、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度位移。由cbdo命令寫的.cbdo文件包括兩個(gè)部分：（1） 一組nmodi命令（表示結(jié) 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度）和ddeleot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prep種，因?yàn)閚modi命令只能在prep種適 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 menufileread input

24、 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/prep7!.cbdo文件必須在prep升讀入/input,cbdo!讀入 jobname.cbdo至1j/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/prep7smrt,off/title, stress concentration at a ho

25、le in a plate/noprantype,static !靜力分析et,1,plane2mp,ex,1,30e6mp,nuxy,1,0.3f1lmaterial propertiese = 30x 1的 psi71 dlproblem sketchgeometric propertiesl = 12 ind - 1int = 1 inloadingthickness, tppl/213coarse model - area and kej/pointsj radiusrefined keypoint and area model around hole (submodel)l/2 -h

26、3 d radiusp = 1000 psi關(guān)鍵點(diǎn)定義線3的分段數(shù)定義線4的分段數(shù)定義線5的分段數(shù)每條線分為4段k,1,6 k,2,6,6 k,3,6 k,4,.5 k,5,.5 k,6l,1,2l,2,3l,3,4 lesize,3,4,.25 larc,4,5,6,0.5 lesize,4,6 l,5,1lesize,5,4,4 al,1,2,3,4,5 esize,4 amesh,all /auto,1 /plopts,info,0/plopts,wins,0/window,ltoplsel,s,line,3,5,2dl,all,symmlsel,s,line,1nsll,1sf,all

27、,pres,-1000. ! 施加拉力lsel,allnsel,allcsys,1 finish /solu solve finishsave!存儲文件 vm142.db/post1set,1,1nsort,s,x,3prnsol,s,comp/window,1,off/noerase/dscale,2,1/window,2,rtopplnsol,s,x*get,crsestr,node,18,s,x*status*dim,label,char,1,2*dim,value,1,3label(1,1) = mx str label(1,2) = crs model*vfill,value(1,1

28、),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 ! 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,1,30e6mp,nuxy,1,0.3 csys,1 k,10,

29、.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,ltop /user!/dist,1,3.3 /focus,1,3,3 eplot lsel,s,line,1,2 nsll,1!nwrite!lsel,all nsel,all finish save!/post1 resume,coarse,db file,coarse,rst cbdof,0

30、,0!finish /prep7 smrt,off resume!/nopr /input,cbdo,:cb1 /gopr lsel,s,line,3 dl,all,symm finish /solu solve finish用戶定義的比例選擇切割邊界的結(jié)點(diǎn)將結(jié)點(diǎn)寫入文件submodel.node存儲子模型數(shù)據(jù)庫文件 submodel.db激活邊界條件插值從文件submodel.db讀入子模型從文件submodel.cbdo入插值邊界條件施加其余的邊界條件/post1set,1,1nsort,s,x,3prnsol,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,autoplnsol,sx*get,substr,no