ANSYS高级分析技术指南 子结构 第四章子结构 什么是子结构? 子结构就是将一组单元用矩阵凝聚为一个单元的过程。这个单一的矩阵单 元称为超单元。在 ANSYS分析中,超单元可以象其他单元类型一样使用。唯 的区别就是必须先进行结构生成分析以生成超单元。子结构可以在 ANSYS/ lutiphysics, ANSYS/Mechanical和 ANSYS/ Structural中使用。 使用子结构主要是为了节省机时,并且允许在比较有限的计算机设备资源 的基础上求解超大规模的问题。原因之一如a非线性分析和带有大量重复几何结 构的分析。在非线性分析中,可以将模型线性部分作成子结构,这样这部分的单 元矩阵就不用在非线性迭代过程中重复计算。在有重复几何结构的模型中(如有 四条腿的桌子),可以对于重复的部分生成超单元,然后将它拷贝到不同的位置, 这样做可以节省大量的机时 子结构还用于模型有大转动的情况下。对于这些模型, ANSYS假定每个结 构都是围绕其质心转动的。在三维情况下,子结构有三个转动自由度和三个平动 自由度。在大转动模型中,用户在使用部分之前无须对子结构施加约束,因为每 个子结构都是作为一个单元进行处理,是允许刚体位移的。 另外一个原因b)一个问题就波前大小和需用磁盘空间来说相对于一个计算 机系统太庞大了。这样,用户可以通过子结构将问题分块进行分析,每一块对于 计算机系统来说都是可以计算的 如何使用子结构 子结构分析有以下三个步骤 生成部分 使用部分 扩展部分 生成部分就是将普通的有限元单元凝聚为一个超单元。凝聚是通过定义 组主自由度来实现的。主自由度用于定义超单元与模型中其他单元的边界,提取 模型的动力学特性。图4-1是一个板状构件用接触单元分析的示意。由于接触单 元需要迭代计算,将板状构件形成子结构将显著地节省机时。本例中,主自由度 是板与接触单元相连的自由度 图4-1子结构使用示例 Plate superelement Master DOF Contact elements 使用部分就是将超单元与模型整体相连进行分析的部分。整个模型可以是 个超单元,也可以象上例一样是超单元与非超单元相连的。使用部分的计算只 4
ANSYS 高级分析技术指南 子结构 4-1 第四章 子结构 什么是子结构？ 子结构就是将一组单元用矩阵凝聚为一个单元的过程。这个单一的矩阵单 元称为超单元。在 ANSYS 分析中，超单元可以象其他单元类型一样使用。唯一 的 区 别 就 是 必 须 先 进 行 结 构 生 成 分 析 以 生 成 超 单 元 。 子 结 构 可 以 在 ANSYS/Mutiphysics，ANSYS/Mechanical 和 ANSYS/Structural 中使用。 使用子结构主要是为了节省机时，并且允许在比较有限的计算机设备资源 的基础上求解超大规模的问题。原因之一如 a)非线性分析和带有大量重复几何结 构的分析。在非线性分析中，可以将模型线性部分作成子结构，这样这部分的单 元矩阵就不用在非线性迭代过程中重复计算。在有重复几何结构的模型中（如有 四条腿的桌子），可以对于重复的部分生成超单元，然后将它拷贝到不同的位置， 这样做可以节省大量的机时。 子结构还用于模型有大转动的情况下。对于这些模型，ANSYS 假定每个结 构都是围绕其质心转动的。在三维情况下，子结构有三个转动自由度和三个平动 自由度。在大转动模型中，用户在使用部分之前无须对子结构施加约束，因为每 个子结构都是作为一个单元进行处理，是允许刚体位移的。 另外一个原因 b)一个问题就波前大小和需用磁盘空间来说相对于一个计算 机系统太庞大了。这样，用户可以通过子结构将问题分块进行分析，每一块对于 计算机系统来说都是可以计算的。 如何使用子结构 子结构分析有以下三个步骤： ⚫ 生成部分 ⚫ 使用部分 ⚫ 扩展部分 生成部分就是将普通的有限元单元凝聚为一个超单元。凝聚是通过定义一 组主自由度来实现的。主自由度用于定义超单元与模型中其他单元的边界，提取 模型的动力学特性。图 4-1 是一个板状构件用接触单元分析的示意。由于接触单 元需要迭代计算，将板状构件形成子结构将显著地节省机时。本例中，主自由度 是板与接触单元相连的自由度。 图 4-1 子结构使用示例 使用部分就是将超单元与模型整体相连进行分析的部分。整个模型可以是 一个超单元，也可以象上例一样是超单元与非超单元相连的。使用部分的计算只
ANSYS高级分析技术指南 子结构 是超单元的凝聚(自由度计算仅限于主自由度)和非超单元的全部计算。 扩展部分就是从凝聚计算结果开始计算整个超单元中所有的自由度。如果 在使用部分有多个超单元,那么每个超单元都需要有单独的扩展过程 图4-2示出了整个子结构分析的数据流向和所用的文件。三个步骤的详细 解释见以后的叙述。 图4-2典型子结构分析中的数据流向 Generation Pass rex UseaDSUB EMAT ESAY, Use Pass TRL SELD DOF solution Expansion Pass Results file 生成部分:生成超单元 本部分主要有两步 建立模型。 施加边界条件,生成超单元矩阵 第一步:建立模型 在这一步中,指定文件名和分析名称,用PREP7定义单元类型,单元实参, 材料特性和模型几何结构。这些任务在 ANSYS绝大多数分析中都是通用的,在 ANSYS Basic Analysis Procedures Guide有所叙述。在生成部分,需要记住以下几 点 文件名一一在子结构分析中很有用处。有效地使用文件名,在三部分分析 中可以省略很多文件处理操作。 用以下方法指定文件名: Command: / FILENAME GUI: Utility Menu>File>Change Jobname 如:/ FILENAME GEN 将生成过程中所有文件名都定义为GEN。缺省的文件名是FILE(或fe) 或在进入 ANSYS后定义的任意文件名。 单元类型一一 ANSYS提供的绝大多数单元都可以用来生成超单元。唯一的 限制是单元必须是线性的。如果生成超单元时有双线性单元的话, ANSYS将自 动作为线性单元处理。 注意:在直接耦合中带载荷向量的耦合单元是不能做子结构分析的。可以 用同种形状的单元来替代。细节参看 ANSYS Coupled- Field Analysis Guide 4-2
ANSYS 高级分析技术指南 子结构 4-2 是超单元的凝聚（自由度计算仅限于主自由度）和非超单元的全部计算。 扩展部分就是从凝聚计算结果开始计算整个超单元中所有的自由度。如果 在使用部分有多个超单元，那么每个超单元都需要有单独的扩展过程。 图 4-2 示出了整个子结构分析的数据流向和所用的文件。三个步骤的详细 解释见以后的叙述。 图 4-2 典型子结构分析中的数据流向 生成部分：生成超单元 本部分主要有两步： 1． 建立模型。 2． 施加边界条件，生成超单元矩阵。 第一步：建立模型 在这一步中，指定文件名和分析名称，用 PREP7 定义单元类型，单元实参， 材料特性和模型几何结构。这些任务在 ANSYS 绝大多数分析中都是通用的，在 ANSYS Basic Analysis Procedures Guide 有所叙述。在生成部分，需要记住以下几 点： 文件名——在子结构分析中很有用处。有效地使用文件名，在三部分分析 中可以省略很多文件处理操作。 用以下方法指定文件名： Command: /FILENAME GUI: Utility Menu>File>Change Jobname 如：/FILENAME,GEN 将生成过程中所有文件名都定义为 GEN。缺省的文件名是 FILE（或 file） 或在进入 ANSYS 后定义的任意文件名。 单元类型——ANSYS 提供的绝大多数单元都可以用来生成超单元。唯一的 限制是单元必须是线性的。如果生成超单元时有双线性单元的话，ANSYS 将自 动作为线性单元处理。 注意：在直接耦合中带载荷向量的耦合单元是不能做子结构分析的。可以 用同种形状的单元来替代。细节参看 ANSYS Coupled-Field Analysis Guide
ANSYS高级分析技术指南 子结构 材料特性一一定义所有必须的材料特性。例如,如果生成质量矩阵,就必 须定义密度或其他形式的质量:;如果要生成热传导矩阵,就要定义比热。同样, 超单元是线性的,非线性材料将被忽略 模型生成一一在生成部分,主要生成模型的超单元部分。非超单元部分是 在以后的使用部分生成的。但是,在建模的开始就需要对模型的两个部分有所规 划,主要是确定超单元部分和非超单元部分如何连接。为了保证连接正确,应该 保证接触部分结点号一致。(其他可以方便用户的方法在本章“使用部分”一节 还有介绍。) 要生成整体模型应该这样做:将模型存储在数据库文件中,选择子结构部 分进行生成计算。在以后的使用部分, RESUME( Utility Menu>Fle> Resume from) 数据库文件,不选( unselect)子结构,用超单元矩阵代替。 第二步:施加边界条件,生成超单元矩阵。 生成部分的结果包含超单元矩阵。象其他分析一样,用户要定义分析类型 和分析设置,施加边界条件,定义载荷步,开始计算。如何完成这些工作见下面 的叙述: 进入求解器 Command: /SOLU GUI Main menu>solution 2.定义分析类型和分析设置 分析类型一一选择生成超单元使用下列方法: Command: ANTYPE GUI: Main Menu> Solution>-Analysis Type-New Analysis 新的分析或重启动一一如果是开始一个新的分析时,只要指定分析类型(如 上所述)即可。如果是重启动计算,必须在 ANTYPE命令中设定 STATUS=REST ( Main menu> Solution>- Analysis Type-Restart)。如果要另外施加载荷时,可以 用重启动。(重启动时,初始运算后的 Jobname eMat, Jobname sav和 Jobname DB文件要存在。) 超单元矩阵文件名—一指定超单元矩阵文件名( Sename)。程序将自动添加 后缀SUB,因此完整的文件名是 Sename.SUB。缺省是使用工作文件名 FILENAM]定义超单元矩阵文件名,可以使用以下命令 Command: SEOPt GUI: Main Menu> Solution> Analysis Options 要生成的矩阵一一可以指定仅生成刚度矩阵(或传导矩阵,电磁系数矩阵) 生成刚度和质量矩阵(或热传导矩阵等);生成刚度,质量和阻尼矩阵。质量矩 阵用于结构动力学分析和在使用部分有惯性载荷的情况下。在热分析中,只有瞬 态热分析才用到热传导矩阵。对于其他分析和阻尼矩阵也大同小异。用 SEOPT 命令或其GUI路径来定义 输出矩阵——这个选项允许输出超单元矩阵。可以指定输出矩阵和载荷向 量,也可以只输出载荷向量。缺省值是不输出任何矩阵。要输出矩阵,用 SEOPT 命令或其相应的GUI路径 质量矩阵形成一一只在想生成质量矩阵时使用。用户可以选择缺省生成(取 决于所用单元类型)或集中质量近似。对于绝大多数情况,推荐使用缺省生成的 方式。但是,在极薄构件的分析中,如细长杆或极薄壳体,集中质量近似将得到
ANSYS 高级分析技术指南 子结构 4-3 材料特性——定义所有必须的材料特性。例如，如果生成质量矩阵，就必 须定义密度或其他形式的质量；如果要生成热传导矩阵，就要定义比热。同样， 超单元是线性的，非线性材料将被忽略。 模型生成——在生成部分，主要生成模型的超单元部分。非超单元部分是 在以后的使用部分生成的。但是，在建模的开始就需要对模型的两个部分有所规 划，主要是确定超单元部分和非超单元部分如何连接。为了保证连接正确，应该 保证接触部分结点号一致。（其他可以方便用户的方法在本章“使用部分”一节 还有介绍。） 要生成整体模型应该这样做：将模型存储在数据库文件中，选择子结构部 分进行生成计算。在以后的使用部分，RESUME（Utility Menu>File>Resume from） 数据库文件，不选（unselect）子结构，用超单元矩阵代替。 第二步：施加边界条件，生成超单元矩阵。 生成部分的结果包含超单元矩阵。象其他分析一样，用户要定义分析类型 和分析设置，施加边界条件，定义载荷步，开始计算。如何完成这些工作见下面 的叙述： 1． 进入求解器： Command: /SOLU GUI: Main Menu>Solution 2． 定义分析类型和分析设置： 分析类型——选择生成超单元使用下列方法： Command: ANTYPE GUI: Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis 新的分析或重启动——如果是开始一个新的分析时，只要指定分析类型（如 上所述）即可。如果是重启动计算，必须在 ANTYPE 命令中设定 STATUS=REST （ Main Menu>Solution>-Analysis Type-Restart）。如果要另外施加载荷时，可以 用重启动。（重启动时，初始运算后的 Jobname.EMAT，Jobname.ESAV 和 Jobname.DB 文件要存在。） 超单元矩阵文件名——指定超单元矩阵文件名（Sename）。程序将自动添加 后缀.SUB，因此 完整 的文件 名是 Sename.SUB。缺省 是使用 工作 文件名 [/FILENAME]定义超单元矩阵文件名，可以使用以下命令： Command: SEOPT GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options 要生成的矩阵——可以指定仅生成刚度矩阵（或传导矩阵，电磁系数矩阵）； 生成刚度和质量矩阵（或热传导矩阵等）；生成刚度，质量和阻尼矩阵。质量矩 阵用于结构动力学分析和在使用部分有惯性载荷的情况下。在热分析中，只有瞬 态热分析才用到热传导矩阵。对于其他分析和阻尼矩阵也大同小异。用 SEOPT 命令或其 GUI 路径来定义。 输出矩阵——这个选项允许输出超单元矩阵。可以指定输出矩阵和载荷向 量，也可以只输出载荷向量。缺省值是不输出任何矩阵。要输出矩阵，用 SEOPT 命令或其相应的 GUI 路径。 质量矩阵形成——只在想生成质量矩阵时使用。用户可以选择缺省生成（取 决于所用单元类型）或集中质量近似。对于绝大多数情况，推荐使用缺省生成的 方式。但是，在极薄构件的分析中，如细长杆或极薄壳体，集中质量近似将得到
ANSYS高级分析技术指南 子结构 更好的结果。用下列方法指定集中质量近似: Command: LUMPM GUI: Main Menu> Solution> Analysis Options 3.用下列方法定义主自由度 Command M GUI: Main Menu>Solution> Master DOFs>Define 在子结构中,主自由度有四种作用: a.它们作为超单元与非超单元的边界。应保证将超单元与非超单元接 触的结点自由度都定义为超单元(在M命令中Lab=ALL),如图4-1所示。当模 型中只有超单元时同样要定义主自由度 b.如果在动力学分析中使用超单元,那么主自由度规定了结果的动力 学特性。在 ANSYS Structural Analysis Guide第三章的“ Matrix Reduction”中有 所说明 如果在使用部分要施加约束D或集中力F时,这些位置结点的自由 度也要定义为主自由度。 在大位移情况下 NLGEOM,ON]( Main mene> Solution> Analysis Options)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-By CS Tranfer)时。在这些 时候,所有主自由度的结点都要定义6个方向的自由度(UX,UY,UX,ROTX, ROTY,ROTZ)。 4.施加边界条件。在生成部分可以施加所有的载荷类型,但有以下几 点情况需要注意: ●程序将生成一个包括所有施加的载荷的等效载荷向量。每个载荷步一个 载荷向量将写入超单元矩阵文件中。载荷向量的最大允许值是31个。 ●在生成部分可以使用非零的自由度约束并作为载荷向量的一部分。(在 扩展部分,如果被扩展的载荷步中有非零的自由度约束时,数据库中必须有相应 的自由度数值。如果没有的话,自由度约束就要在扩展部分重新定义。 自由度约束和集中载荷的施加可以推迟到使用部分,但在这些位置的主 自由度一定要先定义好。 ●同样,线或角加速度的施加也可以推迟到使用部分,但只有在生成质量 矩阵时。如果在使用部分要旋转超单元时,推荐使用这种作法,因为此时载荷向 量的方向是“冻结”的,它随着超单元旋转 ● Maxwell力的标志通常用于电磁分析中,用来标记计算哪个单元面上的 电磁力分布。这个标志在电磁子结构分析中无效,因此不要使用。 注一一如果生成质量矩阵,建议在使用部分对主自由度(在生成部分定义) 施加约束。这样就保证所有的质量都包含在子结构中。 5.定义载荷步选项。子结构生成部分只能使用动力选项(阻尼)。 阻尼(动力选项)一一只在生成阻尼矩阵时可用。 指定质量 (alpha)阻尼使用下列方法: Command: ALPHAD GUI: Main Menu> Solution> Time/Frequenc> Damping 指定刚度beta阻尼使用下列方法 Command BETAD GUI: Main Menu> Solution> Time/Frequenc> Damping
ANSYS 高级分析技术指南 子结构 4-4 更好的结果。用下列方法指定集中质量近似： Command: LUMPM GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options 3． 用下列方法定义主自由度： Command: M GUI: Main Menu>Solution>Master DOFs>Define 在子结构中，主自由度有四种作用： a． 它们作为超单元与非超单元的边界。应保证将超单元与非超单元接 触的结点自由度都定义为超单元（在 M 命令中 Lab=ALL），如图 4-1 所示。当模 型中只有超单元时同样要定义主自由度。 b． 如果在动力学分析中使用超单元，那么主自由度规定了结果的动力 学特性。在 ANSYS Structural Analysis Guide 第三章的“Matrix Reduction”中有 所说明。 c． 如果在使用部分要施加约束[D]或集中力[F]时，这些位置结点的自由 度也要定义为主自由度。 d． 在大位移情况下[NLGEOM，ON]（Main Mene>Solution>Analysis Options）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-By CS Tranfer）时。在这些 时候，所有主自由度的结点都要定义 6 个方向的自由度（UX，UY，UX，ROTX， ROTY，ROTZ）。 4． 施加边界条件。在生成部分可以施加所有的载荷类型，但有以下几 点情况需要注意： ⚫ 程序将生成一个包括所有施加的载荷的等效载荷向量。每个载荷步一个 载荷向量将写入超单元矩阵文件中。载荷向量的最大允许值是 31 个。 ⚫ 在生成部分可以使用非零的自由度约束并作为载荷向量的一部分。（在 扩展部分，如果被扩展的载荷步中有非零的自由度约束时，数据库中必须有相应 的自由度数值。如果没有的话，自由度约束就要在扩展部分重新定义。 ⚫ 自由度约束和集中载荷的施加可以推迟到使用部分，但在这些位置的主 自由度一定要先定义好。 ⚫ 同样，线或角加速度的施加也可以推迟到使用部分，但只有在生成质量 矩阵时。如果在使用部分要旋转超单元时，推荐使用这种作法，因为此时载荷向 量的方向是“冻结”的，它随着超单元旋转。 ⚫ Maxwell 力的标志通常用于电磁分析中，用来标记计算哪个单元面上的 电磁力分布。这个标志在电磁子结构分析中无效，因此不要使用。 注——如果生成质量矩阵，建议在使用部分对主自由度（在生成部分定义） 施加约束。这样就保证所有的质量都包含在子结构中。 5． 定义载荷步选项。子结构生成部分只能使用动力选项（阻尼）。 阻尼（动力选项）——只在生成阻尼矩阵时可用。 指定质量(alpha)阻尼使用下列方法： Command: ALPHAD GUI: Main Menu>Solution>Time/Frequenc>Damping 指定刚度(beta)阻尼使用下列方法： Command: BETAD GUI: Main Menu>Solution>Time/Frequenc>Damping
ANSYS高级分析技术指南 子结构 指定与材料有关的beta阻尼使用下列方法 Command: MP, DAMP GUI: Main Menu> Preprocessor>Material Props>-Constan-Isotropi Main Menu Preprocessor> Material Props> Polynomial 表4-1子结构中可以施加的载荷 Load name oad Category Com m ands* Solid Model Loads Finite Elem ent loads Constraints DK, DKLIST, DKDELE,D, DSYMM, DLIST Temperature DL, DLLIST, DLDELE,DDELE Mac. Potential DA, DALIST, DADELE,DSCALE, DCUM DTRAN Force FK, FKLIST, FKDELE, F, FLIST, FDELE Heat Flow Rate FTRAN FSCALE,FCUM Mag Flux Surface Loads SFL, SFLLIS, SFLDEL,SF, SFLIST, SFDELE, Convection SFA, SFALIS, SFADEL, SFE, SFELIS, SFEDEL Maxwell surface FGRAD,SFTRANSFBEAM,SFGRAD Et SFFUN SFSCALE FCUM Temperature Body Loads BFK, BFKLIS, BF,BF凵sT, BFDELE, Heat Generation Rate BFKDEL E, BFELIS Current Density BFTRAN BFSCALE. BFCUM Gravity, Linear and Inertia Loads ACEL DOMEGA Angular Acceleration 6.存储数据库的备份文件。 注一一这样做的目的是需要在扩展部分使用同样的数据库文件。用下列方法完成 本步操作 Command: SAVE GUI: Utility Menu>File>Save as Jobname db 7.开始计算 Command: SOLvE GUI Main menu> solution >Current ls 计算结果包括超单元矩阵文件, Sename.SUB, Sename是通过 SEOPT指定 的文件名或是工作文件名[ ILENAME]矩阵文件包括根据施加的载荷计算出的 载荷向量。(如果没有施加载荷,载荷向量将为零。) 如有另外的载荷步,重复步骤7来生成其他的载荷向量。载荷向量 的号码是递增的,并添加到同一个超单元矩阵文件内。关于多载荷步的其他方法 JL ANSYS Basic Analysis Procedures Guide 9.退出 SOLUTION Command: FINISH GUI: Main Menu> Finish
ANSYS 高级分析技术指南 子结构 4-5 指定与材料有关的 beta 阻尼使用下列方法： Command: MP，DAMP GUI: Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Constan-Isotropic Main Menu>Preprocessor>Material Props>Polynomial 表 4-1 子结构中可以施加的载荷 6． 存储数据库的备份文件。 注——这样做的目的是需要在扩展部分使用同样的数据库文件。用下列方法完成 本步操作： Command: SAVE GUI: Utility Menu>File>Save as Jobname.db 7． 开始计算： Command: SOLVE GUI: Main Menu>Solution>Current LS 计算结果包括超单元矩阵文件，Sename.SUB，Sename 是通过[SEOPT]指定 的文件名或是工作文件名[/FILENAME]。矩阵文件包括根据施加的载荷计算出的 载荷向量。（如果没有施加载荷，载荷向量将为零。） 8． 如有另外的载荷步，重复步骤 7 来生成其他的载荷向量。载荷向量 的号码是递增的，并添加到同一个超单元矩阵文件内。关于多载荷步的其他方法 见 ANSYS Basic Analysis Procedures Guide。 9． 退出 SOLUTION： Command: FINISH GUI: Main Menu>Finish