2021年ansys子模型介绍与应用实例要点.docx

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1、第五章子模型何为子模型？子模型是得到模型部分区域中更加精确解的有限单元技术；在有限元分析中往往显现这种情形， 即对于用户关怀的区域， 如应力集中区域， 网格太疏不能得到中意的结果， 而对于这些区域之外的部分， 网格密度已经足够了； 见图 5-1 ； |精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料. * | * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. 图 5-1轮毂和轮辐的子模型a 粗糙模型， b 叠加的子模型要得到这些区域的较精确的解，可以实行两种方法： a 用较细的网格重新划分并分析整个模型，或b 只在关怀的区域细化网格并对其分析；显而易见， 方法 a 太耗费机时，方法b 即为子

2、模型技术；子模型方法又称为切割边界位移法或特定边界位移法；切割边界就是子模型从整个较粗糙的模型分割开的边界；整体模型切割边界的运算位移值即为子模型的边界条件；子模型基于圣维南原理，即假如实际分布载荷被等效载荷代替以后，应力 和应变只在载荷施加的位置邻近有转变；这说明只有在载荷集中位置才有应力集中效应，假如子模型的位置远离应力集中位置，就子模型内就可以得到较精确的结果；ANSYS程序并不限制子模型分析必需为结构（应力）分析；子模型也可以 有效地应用于其他分析中； 如在电磁分析中， 可以用子模型运算感爱好区域的电磁力；除了能求得模型某部分的精确解以外，子模型技术仍有几个优点：它削减甚至取消了有限元

3、实体模型中所需的复杂的传递区域；它使得用户可以在感爱好的区域就不同的设计（如不同的圆角半径） 进行分析；它帮忙用户证明网格划分是否足够细；使用子模型的一些限制如下：只对体单元和壳单元有效；子模型的原理要求切割边界应远离应力集中区域；用户必需验证是否满意这第 1 页，共 15 页个要求； |精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料. * | * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. 如何作子模型分析子模型分析的过程包括以下步骤：1. 生成并分析较粗糙的模型；2. 生成子模型；3. 供应切割边界插值；4. 分析子模型；5. 验证切割边界和应力集中区域的距离应足够远；第一步：生成并

4、分析较粗糙的模型第一个步骤是对整体建模并分析； （注为了便利区分这个原始模型，我们将其称为粗糙模型； 这并不表示模型的网格划分必需是粗糙的，而是说模型的网格划分相对子模型的网格是较粗糙的； ）分析类型可以是静态或瞬态的，其操作与各分析的步骤相同；下面列出了其他的一些要记住的方面；文件名粗糙模型和子模型应当使用不同的文件名；这样就可以保证文件不被掩盖； 而且在切割边界插值时可以便利地指出粗糙模型的文件；用以下方法指定文件名：Command: /FILNAMEGUI: Utility Menu> Jobname单元类型子模型技术只能使用块单元和壳单元；分析模型中可以有其他单元类型（如梁单元作

5、为加强筋） ，但切割边界只能经过块和壳单元；一种特别的子模型技术，称为壳到体子模型技术，答应用户用壳单元建立粗糙模型而用三维块单元建立子模型；本技术在后面仍要争论；建模在许多情形下，粗糙模型不需要包含局部的细节如圆角等，见下图；但是，有限元网格必需细化到足以得到较合理的位移解；这一点很重要，由于子模型的结果是依据切割边界的位移解插值得到的；图 5-2粗糙模型可以不包括一些细节部分文 件 结 果 文 件 （ Jobname.RST,Jobname.RMG等 ） 和 数 据 库 文 件（ Jobname.DB,包含几何模型）在粗糙模型分析中是需要的；在生成子模型前应第 2 页，共 15 页储备数据

6、库文件；用以下方法储备数据库：Command: SAVE GUI: Utility Menu> asUtility Menu> as Jobname.db |精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料. * | * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. 其次步：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状态清除数据库（另一种方法是退出并重新进入ANSY）S；用以下方法清除数据库： Command: /CLEARGUI: Utility Menu> New同时，应记住用另外的文件名以防止粗糙模型文件被掩盖；用以下方法指定文件名：Co

7、mmand: /FILNAMEGUI: Utility Menu> Jobname然后进入 PREP7并建立子模型；应当记住以下几点：使用与粗糙模型中同样的单元类型；同时应指定相同的单元实参 （如壳厚）和材料特性；（另一种子模型技术壳到体技术答应从粗糙模型的壳单元转换为体单元，见后； ）子模型的位置（相对全局坐标原点）应与粗糙模型的相应部分相同，见图53；图 5-3叠加在粗糙模型上的子模型指定合适的结点旋转位移；切割边界结点的旋转角在插值步骤一写入结点 文件时不应转变（见第三步：生成切割边界插值）；用以下方法指定结点旋转：Command:NROTATGUI: Main Menu>P

8、reprocessor>Create>Nodes>-RotateNode CS-To ActiveCSMain Menu>Preprocessor>Move/Modify>-Rotate Node CS-To ACtiveCS留意结点旋转角会由于施加结点约束，传递线上约束或面上约束等操作而转变，同样也会为更加明显的操作如 NROTAT和 NMODIF等 粗糙模型中结点旋转角的显现或缺省并不影响子模型；子模型的载荷和边界条件将在后面两步中施加；第三步：生成切割边界插值转变；第 3 页，共 15 页 |精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料. * |

9、 * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. 本步是子模型的关键步骤；用户定义切割边界的结点， ANSYS程序用粗糙模型结果插值方法运算这些点上的自由度数值（位移等） ；对于子模型切割边界上的全部结点， 程序用粗糙模型网格中相应的单元确定自由度数值， 然后这些数值用单元外形功能插值到切割边界上；在切割边界插值中有下面几步操作：1. 指定子模型切割边界的结点并将其写入一个文件（缺省为 Jobname.NOD）E中；可以在 PREP7中挑选切割边界的结点，用以下命令将其写入文件： Command: NWRITEGUI: Main Menu>Preprocessor>Create&

10、gt;Nodes>Write Node File下面是一个 NWRITE命令的例子：NSEL,.挑选切割边界上的结点NWRITE.将其写入 Jobname.NODE图 5-4子模型切割边界在这里争论一下温度插值的问题；在包含特性随温度变化的材料的分析中，或热应力耦合分析中， 粗糙模型和子模型中的温度分布是相同的；在这种情形下，必需将粗糙模型的温度插值到子模型中的全部结点上；要完成这步操作， 要挑选子模型中全部结点并写入另外一个文件中，使用NWRITE；,记住必需另外指定一个文件名， 否就切割边界结点文件将被掩盖！第 7 步中说明白关于温度插值的命令；2. 重新挑选全部结点并将数据库存入J

11、obname.DB中，然后退出 PREP；7必需将数据库写入文件，由于在后面子模型分析中要使用到；用以下命令重新挑选全部结点：Command: ALLSELGUI: Utility Menu>Select>Everything用以下命令储备数据库：Command: SAVEGUI: Utility Menu> as Jobname.db3. 要进行切割边界插值 （和温度插值），数据库中必需包含粗糙模型的几何特点；因此要用以下一种方法读入粗糙模型数据库：Command: RESUME GUI: Utility Menu> from如，粗糙模型文件名为COARS，E就输入命

12、令 RESUME,COARSE；,DB4. 进入 POST，1 即通用处理器（ /POST1或 Main Menu>General Postproc）；插值只有在 POST1中进行；5. 指向粗糙模型结果文件（Menu>General Postproc>Data &）；6. 读入结果文件中相应的数据 （SET或 Main Menu>General Postproc>-Read Results-option）；第 4 页，共 15 页 |精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料. * | * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. 7. 开头

13、切割边界插值；用以下方法完成本步操作：Command: CBDOFGUI: Main Menu>General Postproc>Submodeling>Interpolate DOF缺省状态下， CBDOF命令假定切割边界结点在文件Jobname.NODE中；ANSYS程序将运算切割边界的DOF数值并用 D 命令的形式写入文件Jobname.CBDO中；用以下方法作温度插值，但要保证文件包含全部子模型结点：Command: BFINTGUI: Main Menu>General Postproc>Submodeling>Interp Body Forc温度

14、插值以 BF命令的格式写入文件Jobname.BFIN中；注假如数据包括实部和虚部的话， 步骤 6 和 7 就要作两遍；先用 SET命令读入实部的数据并作插值 CBDOF和/ 或 BFINT，然后用 SET命令将域设为 1 读入虚部的数据并重新进行插值，但这次将虚部插值写入另一个文件；8. 至此，全部的插值任务完成，退出POST1FINISH并读入子模型数据库（ RESUM或EMain Menu> from ） ；第四步：分析子模型在本步中，用户指定分析类型和分析选项，加入插值的DOF数值（和温度数值），施加其他的载荷和边界条件，指定载荷步选项，并对子模型求解；第一步是进入求解器（ /S

15、OLU或 Main Menu>Solution ）；然后定义分析类型（一般为静态）和分析选项；要施加切割边界自由度约束，用以下命令读入CBDOF命令生成的由D 命令组成的文件：Command: /INPUTGUI: Utility Menu> Input from要施加温度插值，用以下命令读入 BFINT命令生成的由 BF命令组成的文件： Command: /INPUTGUI: Utility Menu> Input from假如数据有实部和虚部，先读入实部数据文件，指定自由度约束数值和（/或）结点体载荷是否运算，然后读入虚部数据文件；用以下方法指定运算自由度约束数值： Co

16、mmand: DCUM,ADDGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>-Loads-Settings>Contraints Main Menu>Solution>-Loads-Settings>Constraints用以下方法指定运算结点体载荷数值：Command: BFCUM,ADDGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>-Loads-Settings>Nodal Body Ld Main Menu>Solution>-Loads-Settings>No

17、dal Body Ld留意在执行 DCUM和 BFCUM命令时要先将其初始状态设为初始值；重要的一点是要将粗糙模型上全部其他载荷和边界条件复制到子模型上；比如对称边界条件，面力，惯性载荷（如重量），集中力等（见图55）；图 5-5子模型的载荷第 5 页，共 15 页 |精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料. * | * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. 然后指定载荷步选项（如输出掌握）并开头运算：Command: SOLVEGUI: Main Menu>Solution>Current LS Main Menu>Solution>Run FLO

18、TRAN在求解完成后，退出SOLUTIO；N FINISH子模型的数据流向（无温度插值）见图56；图 5-6子模型分析（无温度插值）的数据流向第五步：验证切割边界和应力集中位置的距离是否足够最终一步是验证子模型切割边界是否远离应力集中部分；可以通过比较切 割边界上的结果 （应力， 磁通密度等） 与粗糙模型相应位置的结果是否一样来验证；假如结果符合得很好，证明切割边界的选取是正确的；假如不符合的话，就要重新定义离感爱好部分更远一些的切割边界重新生成和运算子模型；第 6 页，共 15 页一个比较结果的有效方法是使用云图显示和路径显示，见图5 7 和 58；图 5-7比较结果时的云图显示 |精.|品

19、.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料. * | * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. 图 5-8比较结果时的路径显示输入示例下面列出了一个子模型分析的输入示例：. 开头子模型分析/FILNAME,coarse.工作文件名为coarse/PREP7.进入 PREP7. FINISH.生成粗糙模型/SOLU.进入求解器ANTYPE,.分析类型和分析选项.D,.载荷和载荷步选项DSYMM,.ACEL,.第 7 页，共 15 页SAVE.粗糙模型数据库文件coarse.dbSOLVE.求解粗糙模型.结果在文件 coarse.rst或 rmg 等FINISH |精.|品.|可.|编.|

20、辑.|学.|习.|资.|料. * | * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. . 生成子模型.清除数据库（或退出ANSYS并重新进新工作文件名为submod.重新进入 PREP7生成子模型.挑选切割边界上的结点/CLEAR入）/FILNAME,submod/PREP7. 进行切割边界插值NSEL,.NWRITE.将其写入文件submod.nodeALLSEL.读入全部实体NWRITE,temp,node.将全部结点写入文件temp.node 用于温度插值 SAVE.储备子模型数据库文件submod.db FINISHRESUME,coarse,db.读入粗糙模型数据库 coarse.

21、db/POST1.进入 POST1.使用粗糙模型结果文件SET,.读入需要的结果数据CBDOF.从 submod.node中读入切割边界结点并将 D 命 令 写 入 submod.cbdo BFINT,temps,node.从 temps.node 中读入全部子模型结点并将 BF命令写入文件 submod.bfin用于温度插值 FINISH.终止插值过程RESUME.读入子模型数据库 submod.db/SOLU.进入求解器ANTYPE,.分析类型和选项./INPUT,submod,cbdo.切割边界自由度/INPUT,submod,bfin.温度插值DSYMM,.其他载荷和载荷步选项ACEL

22、,.SOLVE.子模型求解FINISH第 8 页，共 15 页/POST1.进入 POST1.验证子模型数据FINISH |精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料. * | * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. 壳到体子模型在壳到体子模型技术中，粗糙模型为壳模型而子模型为三维实体模型；图59 所示为三维实体子模型添加到粗糙壳模型上的例子；图 5-9 3-D实体模型叠加到壳单元模型上壳到体子模型分析与体对体子模型分析大致一样；下面的几点是要记住的：壳 到 体 子 模 型 分 析 是 将DBDOF 命 令 （ MainMenu>GeneralPostproc>S

23、ubmodeling>InterpolateDOF ）和BFINT命令（MainMenu>General>Submodeling>Interp Body Forc）中 KSHS域设为 1 实现的；本特性不适用于 SHELL91或 SHELL99（KEYOP（T 11）不等于 0）；子模型切割边界应为垂直于壳平面的端面（见图510）；切割边界上的结点 写 入 文 件 中 NWRITEMainMenu>Preprocessor>Create>Node>WriteNodeFile；要确定切割边界上结点的自由度数值CBDOF，程序第一将结点延长到壳平面的

24、最近的单元上， 该延长结点的自由度数值就插值并赋值给相应的结点；温度插值是由运算最近壳单元的中面平均温度得到的；注切割边界上的结点位置必需在最近壳单元平均厚度的0.75 倍之间，见图 510；也就是说，子模型应大致在粗糙模型的中间；图 5-10 结点旋转： aCBDOF命令之前， bCBDOF命令之后第 9 页，共 15 页 |精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料. * | * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. 在结构分析中，切割边界结点只运算平动自由度，但其数值是依据延长结点的平动和转动自由度得到的；而且，结点旋转以使结点的 UY自由度始终垂直于壳平面，见图 510

25、；UY自由度只有当结点在壳平面平均厚度的 10之内时才运算；这防止了子模型在反向的过度位移；由 CBDOF命令写的 .CBDO文件包括两个部分： 1 一组 NMODIF命令 表示结点旋转角度 和 DDELE命令 删除 UY约束 ，2 一组 D 命令 施加自由度插值 ；这两个部分用 /EOF命令和一个 :CBnn 标记分开 nn 为结果序列迭代次数 ；用户必需将 .CBDO文件读入 PREP7中，由于 NMODIF命令只能在 PREP7中适用；要完成这步操作，进入前处理器，然后用以下命令：Command: /INPUTGUI: Utility Menu> Input from同时，要读入

26、.CBDO文件两次，由于两个命令部分被 /EOF 命令分开了；在其次次读入文件时，用 /INPUT 命令的 LINE 域指定程序从 :CBnn 处开头读入，见下：/PREP7.CBDO文件必需在 PREP7中读入/INPUT,cbdo.读入 Jobname.cbdo 到/EOF 处/INPUT,dbdo,:cb1.从:cb1 处读入同一文件子模型分析实例（命令行格式）问题描述求解矩形平板中心开孔， 承担横向拉力时的应力集中情形；材料特性和模型的几何外形见下图；/FILNAM,coarse/PREP7smrt,off/TITLE, STRESS CONCENTRATION AT A HOLE I

27、N A PLATE/NOPRANTYPE,STATIC.静力分析ET,1,PLANE2 MP,EX,1,30E6 MP,NUXY,1,0.3第 10 页，共 15 页 |精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料. * | * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. K,1,6K,2,6,6K,3,6.关键点K,4,.5K,5,.5K,6L,1,2L,2,3L,3,4LESIZE,3,4,.25.定义线3 的分段数LARC,4,5,6,0.5LESIZE,4,6 L,5,1.定义线4 的分段数LESIZE,5,4,4.定义线5 的分段数AL,1,2,3,4,5ESIZE,4.每条

28、线分为 4 段AMESH,ALL/AUTO,1/PLOPTS,INFO,0第 11 页，共 15 页 |精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料. * | * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. /PLOPTS,WINS,0/WINDOW,LTOPLSEL,S,LINE,3,5,2DL,ALL,SYMMLSEL,S,LINE,1NSLL,1SF,ALL,PRES,-1000. LSEL,ALL.施加拉力NSEL,ALLCSYS,1FINISH/SOLUSOLVEFINISHSAVE.储备文件 VM142.DB/POST1SET,1,1 NSORT,S,X,3PRNSOL,S

29、,COMP/WINDOW,1,OFF/NOERASE/DSCALE,2,1/WINDOW,2,RTOP PLNSOL,S,X*GET,CRSESTR,NODE,18,S,X*STATUS*DIM,LABEL,CHAR,1,2*DIM,VALUE,1,3 LABEL1,1 = 'MX STR ' LABEL1,2 = 'CRS MODEL'*VFILL,VALUE1,1,DATA,3018*VFILL,VALUE1,2,DATA,CRSESTR*VFILL,VALUE1,3,DATA,ABSCRSESTR/3018 SAVE,TABLE_1FINISH/CLEAR

30、, NOSTART . CLEAR THE DATABASE/FILNAM,SUBMODEL.定义子模型文件名/PREP7smrt,off/NOPR/TITLE, STRESS CONCENTRATION AT A HOLE IN A PLATE ANTYPE,STATICET,1,PLANE42 MP,EX,1,30E6第 12 页，共 15 页 |精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料. * | * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. MP,NUXY,1,0.3 CSYS,1 K,10,.5,45K,11,.5,90K,12,1.5,45K,13,1.5,90A,10

31、,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.用户定义的比例/DIST,1,3.3/FOCUS,1,3,3 EPLOT LSEL,S,LINE,1,2NSLL,1NWRITE LSEL,ALL NSEL,ALL FINISH.挑选切割边界的结点将结点写入文件SUBMODEL.NODESAVE.储备子模型数据库文件SUBMODEL.DB/POST1RESUME,coarse,dbCBDOF,0,0.激活边界条件插值FINI

32、SH/PREP7smrt,offRESUME.从文件 SUBMODEL.D中B读入子模型/NOPR/INPUT,cbdo,:cb1.从文件 SUBMODEL.CB中DO读入插值边界条件/GOPRLSEL,S,LINE,3.施加其余的边界条件DL,ALL,SYMM FINISH/SOLU SOLVE FINISH第 13 页，共 15 页 |精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料. * | * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. /POST1 SET,1,1 NSORT,S,X,3PRNSOL,S,COMP/WINDOW,1,OFF/AUTO,3/WINDOW,3,BOT/

33、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 LABEL1,1 = 'MAX STRS' LABEL1,2 = ' SUBMOD'*VFILL,VALUE1,1,DATA,3018*VFILL,VALUE1,2,DATA,SUBSTR*VFILL,VALUE1,3,DATA,ABSSUBSTR/3018 SAVE,TABLE_2FINISH/C

34、LEAR,NOSTART/FILNAM,SUBMODEL/PREP7smrt,off/TITLE, STRESS CONCENTRATION AT A HOLE IN A PLATE/NOPR ANTYPE,STATIC ET,1,PLANE146 MP,EX,1,30E6 MP,NUXY,1,0.3K,1,6.关键点K,2,6,6K,3,6K,4,.5K,5,.5 K,6 L,1,2L,2,3L,3,4 LESIZE,3,4,.25第 14 页，共 15 页 |精.|品.|可.|编.|辑.|学.|习.|资.|料. * | * | * | * | |欢.|迎.|下.|载. LARC,4,5,6

35、,0.5LESIZE,4,6 L,5,1 LESIZE,5,4,4AL,1,2,3,4,5 ESIZE,4 AMESH,ALL/AUTO,1/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. LSEL,ALLNSEL,ALLCSYS,1 FINISH/SOLUSOLVE FINISH/POST1 SET,1,1PRNSOL,S,COMP/WINDOW,1,OFF/NOERASE/DSCALE,2,1/WINDOW,2,RTOP PLNSOL,S,X*GET,SUBSTR,NODE,18,S,X*DIM,LABEL,CHAR,1,2*DIM,VALUE,1,3 LABEL1,1 = 'MAX STRS' LABEL1,2 = 'CRS MOD '*VFILL,VALUE1,1,DATA,3018*VFILL,VALUE1,2,DATA,SUBSTR*VFILL,VALUE1,3,DATA,ABSSUBSTR/3018 SAVE,TABLE_3FINISHANSYS Verification Manual中例子：VM142盘孔处的应力集中第 15 页，共 15 页