ansys子模型介紹與應(yīng)用實(shí)例

1、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

2、模 型從整個(gè)較粗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。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

3、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。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， 而是說模型的網(wǎng) 格劃分相對(duì)子模

4、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。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

5、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 文件結(jié)果文件（ , 等）和數(shù)據(jù)庫(kù)文件（ , 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 asUtility Menu>File>Save as 第二步：生成子模型 子模型是完全依

6、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(kù)（另一種方法是退出并重新進(jìn)入ANSY）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PREP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

7、術(shù)殼到體技術(shù)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(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 ActiveCSMain Menu>Preprocessor>Move/Modify>-Rotat

8、e Node CS-To ACtiveCS 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

9、界的結(jié)點(diǎn)并將其寫入一個(gè)文件(缺省為)中?？梢栽赑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 Menu>Preprocessor>Create>Nodes>Write 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(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

10、 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(kù)存入中，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褂玫健Ｓ孟铝忻钪匦逻x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 as3. 要進(jìn)行切割邊界插值 (和溫

11、度插值)，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女口，粗糙模型文件名為 COARSE就輸入命令 RESUME,COARSE,DB4. 進(jìn)入 POST1 即通用處理器(/POST1 或 Ma in Men u>Ge neral 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

12、結(jié)果文件中相應(yīng)的數(shù)據(jù) (SET或 Main 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，CBD 0命令假定切割邊界結(jié)點(diǎn)在文件中。ANSYSi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>G

13、eneral Postproc>Submodeling>Interp Body Forc 溫度插值以BF命令的格式寫入文件中。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)（RESUM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數(shù)值（和溫度數(shù)值。

14、，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CBDOI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)部和虛部，先讀入實(shí)

15、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>ContraintsMain 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-Settings&g

16、t;Nodal Body LdMain Menu>Solution>-Loads-Settings>Nodal Body Ld 注意在執(zhí)行DCUM口 BFCUI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 LSMain Menu>Solution>Run FLOTRAN 在

17、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(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 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

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

19、!NWRITE!ALLSEL!NWRITE,temp,node選擇切割邊界上的結(jié)點(diǎn)將其寫入文件讀入所有實(shí)體!將所有結(jié)點(diǎn)寫入文件 （ 用于溫度插值）SAVE !FINISHRESUME,coarse,db /POST1 ! FILE,coarse,rst !SET,.!CBDOF !存儲(chǔ)子模型數(shù)據(jù)庫(kù)文件!讀入粗糙模型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)入 POST1 使用粗糙模型結(jié)果文件 讀入需要的結(jié)果數(shù)據(jù) 從中讀入切割邊界結(jié)點(diǎn)并BFINT,temps,nodeFINISHRESUME/SOLUANTYPE,./INPUT,submod,cbdo /INPUT,submod,bfin DSYMM,.ACEL,.切割邊界自由

20、度 溫度插值 其他載荷和載荷步選項(xiàng)將 D 命令寫入 從中讀入所有子模型結(jié)點(diǎn) 并將BF命令寫入文件（用 于溫度插值 ） 結(jié)束插值過程 讀入子模型數(shù)據(jù)庫(kù) 進(jìn)入求解器 分析類型和選項(xiàng)子模型求解進(jìn)入 POST1SOLVEFINISH/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 Pos

21、tproc>Submodeling>Interpolate DOF ） 和 BFINT 命 令 （ Main Menu>General>Submodeling>lnterp Body Fore ）中 KSHS域設(shè)為 1 實(shí)現(xiàn)的。 本 特性不適用于SHELL91或SHELL99（ KEYOP（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5 1 0 ） 。切割邊界上的結(jié)點(diǎn)寫入文件中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)

22、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）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。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度位移。由CBDO命

23、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DDELE命令（刪除UY約束），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沖，因?yàn)镹MODIF命令只能在PREP沖適 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>File>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

24、序從:CBnn處開始讀入，見 下：/PREP7LCBDO文件必須在PREP7中讀入/INPUT,cbdo!讀入到 /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 HOLE IN A PLATE /NOPRANTYPE,STATIC ! 靜力分析 ET,1,PLANE2MP,EX,1,30E6 MP,NUXY,1,Mater

25、ialPropertiesE = 3D x 10G psiv =0,3PLrlthickness, tGeo metric Preperti esL = 12in d = 1in t = 1inLoadingP = 1000 psiPP1*L/2U?Coarse Model - Area and KeypointsSymm.B.C,Problem Sketchd radiusmy radiusRefined Keypoint and Area Model Around Hlole (Sub model)K,1,6!關(guān)鍵點(diǎn)K,2,6,6K,3,6K,4,.5K,5,.5K,6L,1,2L,2,3

26、L,3,4LESIZE,3,4,.25!定義線3的分段數(shù)LARC,4,5,6,LESIZE,4,6!定義線4的分段數(shù)L,5,1LESIZE,5,4,4!定義線5的分段數(shù)AL,1,2,3,4,5ESIZE,4!每條線分為4段AMESH,ALL/AUTO,1/PLOPTS,INFO,0/PLOPTS,WINS,0 /WINDOW,LTOP LSEL,S,LINE,3,5,2 DL,ALL,SYMM LSEL,S,LINE,1NSLL,1SF,ALL,PRES,-1000. ! 施加拉力LSEL,ALLNSEL,ALLCSYS,1FINISH /SOLU SOLVE FINISH SAVE ! 存儲(chǔ)

27、文件 /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),DATA,3018 *VFILL,VALUE(1,2),DATA,CRSESTR *VFILL,VAL

28、UE(1,3),DATA,ABS(CRSESTR/3018) SAVE,TABLE_1FINISH /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,STATICET,1,PLANE42 MP,EX,1,30E6MP,NUXY,1, CSYS,1 K,10,.5,45 K,11,.5,90 K,12,45 K,13,90 A,10,12,13,11 ESIZE,8

29、 MSHK,1 MSHA,0,2DAMESH,1 /WINDOW,2,OFF /NOERASE /PLOPTS,INFO,0 /PLOPTS,WINS,0 /WINDOW,1,LTOP /USER ! /DIST,1, /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,0,0 ! FINISH /PREP7 smrt,offRESUME ! /NOPR /INPUT,cbdo,:cb1

30、 /GOPR LSEL,S,LINE,3 DL,ALL,SYMM FINISH /SOLU用戶定義的比例選擇切割邊界的結(jié)點(diǎn)將結(jié)點(diǎn)寫入文件存儲(chǔ)子模型數(shù)據(jù)庫(kù)文件激活邊界條件插值從文件中讀入子模型從文件中讀入插值邊界條件施加其余的邊界條件SOLVE FINISH/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,NODE,18,S,X *DIM,LABEL,CHA