1、第五章子模型何為子模型？子模型是得到模型部分區域中更加精確解的有限單元技術。在有限元分析中往往出現這種情況，即對丁用戶關心的區域，如應力集中區域，網格太疏不能得到滿意的結果，而對丁這些區域之外的部分，網格密度已經足夠了。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(a)(b)要得到這些區域的較精確的解，可以采取兩種辦法：（a）用較細的網格重新劃分并分析整個模型，或（b）只在關心的區域細化網格并對其分析。顯而易見，方法a太耗費機時，方法b即為子模型技術。子模型方法乂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的邊界。整體模型切割邊界的計算位

2、移值即為子模型的邊界條件。子模型基丁圣維南原理，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，則子模型內就可以得到較精確的結果。ANSYSS序并不限制子模型分析必須為結構（應力）分析。子模型也可以有效地應用丁其他分析中。如在電磁分析中，可以用子模型計算感興趣區域的電磁力。除了能求得模型某部分的精確解以外，子模型技術還有幾個優點：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域。它使得用戶可以在感興趣的區域就不同的設計（如不同的圓角半徑）進行分析。它幫助用戶證明網格劃分是否足夠細。使用

3、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格劃分必須是粗糙的，而是說模型的網格劃分相對子模型的網格是較粗糙的。）分析類型可以是靜態或瞬態的，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

4、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:UtilityMenu>File>ChangeJobname單元類型一一子模型技術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），但切割邊界只能經過塊和殼單元。一種特殊的子模型技術，稱為殼到體子模型技術，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。本技術在后面還要討論。建模一一在很多情況下，粗糙模型不需要包含局部的細節如圓角等，見下圖。但是，有限元網格必須細化到足以得到較

5、合理的位移解。這一點很重要，因為子模型的結果是根據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部分Note血境radiusihrouglwutFilletnotInduedMeshjudgedfineenoughto祁wi詁說探叫舊股Hi鄧iMEEEh苗ActualGeomeiryFinieElementModel文件一一結果文件（，等）和數據庫文件（，包含幾何模型）在粗糙模型分析中是需要的。在生成子模型前應存儲數據庫文件。用下列方法存儲數據庫：Command:SAVEGUI:UtilityMenu>File>SaveasUtilityMenu>File&g

6、t;Saveas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活除數據庫（另一種方法是退出并重新進入ANSYS。用下列方法活除數據庫：Command:/CLEARGUI:UtilityMenu>File>Clear&StartNew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:UtilityMenu>File>ChangeJobname然后進入PREP宓建立子模型。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

7、。（另一種子模型技術殼到體技術允許從粗糙模型的殼單元轉換為體單元，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5-3。圖5-3疊加在粗糙模型上的子模型指定合適的結點旋轉位移。切割邊界結點的旋轉角在插值步驟一寫入結點文件時不應改變（見第三步：生成切割邊界插值）。用下列方法指定結點旋轉：Command:NROTATGUI:MainMenu>Preprocessor>Create>Nodes>-RotateNodeCS-ToActiveCSMainMenu>Preprocessor>Move/Modify>-RotateNodeC

8、S-ToACtiveCS注意結點旋轉角會因為施加結點約束，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：NMODIF改變。粗糙模型中結點旋轉角的出現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鍵步驟。用戶定義切割邊界的結點,ANSYSS序用粗糙模型結果插值方法計算這些點上的自由度數值(位移等)。對丁子模型切割邊界上的所有結點，程序用粗糙模型網格中相應的單元確定自由度數值，然后這些數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：指定子模型切割邊界的結點并將其寫入一個文件(缺省為)中。可以

9、在PREP7中選擇切割邊界的結點，用下列命令將其寫入文件：Command:NWRITEGUI:MainMenu>Preprocessor>Create>Nodes>WriteNodeFile下面是一個NWRITE令的例子：NSEL,.!選擇切割邊界上的結點NWRITE!將其寫入圖5-4子模型切割邊界Out-boundUrynodes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點上。要完成這步操作，要選擇子模型中所有結點并寫入另外一個文

10、件中，使用NWRITE,Filename,Ext。記住必須另外指定一個文件名，否則切割邊界結點文件將被覆蓋！第7步中說明了關丁溫度插值的命令。1. 重新選擇所有結點并將數據庫存入中，然后退出PREP7必須將數據庫寫入文件，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點：Command:ALLSELGUI:UtilityMenu>Select>Everything用下列命令存儲數據庫：Command:SAVEGUI:UtilityMenu>File>Saveas2. 要進行切割邊界插值(和溫度插值)，數據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

11、粗糙模型數據庫：Command:RESUMEGUI:UtilityMenu>File>Resumefrom如，粗糙模型文件名為COARS，E就輸入命令RESUME,COARSEDB3. 進入POST1即通用處理器(/POST1或MainMenu>GeneralPostproc)。插值只有在POST1中進行。4. 指向粗糙模型結果文件(FILE或MainMenu>GeneralPostproc>Data&FileOpts)。5. 讀入結果文件中相應的數據(SET或MainMenu>GeneralPostproc>-ReadResults-opti

12、on)。6. 開始切割邊界插值。用下列方法完成本步操作：Command:CBDOFGUI:MainMenu>GeneralPostproc>Submodeling>InterpolateDOF缺省狀態下，CBDO命令假定切割邊界結點在文件中。ANSYSi序將計算切割邊界的DO成值并用D命令的形式寫入文件中。用下歹0方法作溫度插值，但要保證文件包含所有子模型結點：Command:BFINTGUI:MainMenu>GeneralPostproc>Submodeling>InterpBodyForc溫度插值以BF命令的格式寫入文件中。注一一如果數據包括實部和虛部

13、的話，步驟6和7就要作兩遍。先用SET命令讀入實部的數據并作插值CBDOFW/或BFINT,然后用SET命令將域設為1讀入虛部的數據并重新進行插值，但這次將虛部插值寫入另一個文件。7. 至此，所有的插值任務完成，退出POST1FINISH拼讀入子模型數據庫（RESUMEMainMenu>File>Resumefrom）。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數值（和溫度數值），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MainMenu>Solution）。然后定義分析類型（一般為靜態）和分析選項

14、。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:UtilityMenu>File>ReadInputfrom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:UtilityMenu>File>ReadInputfrom如果數據有實部和虛部，先讀入實部數據文件，指定自由度約束數值和（/或）結點體載荷是否計算，然后讀入虛部數據文件。用下列方法指定計算自由度約束數值：Command:DCUM,ADDGUI:MainMenu>Preprocesso

15、r>Loads>-Loads-Settings>ContraintsMainMenu>Solution>-Loads-Settings>Constraints用下列方法指定計算結點體載荷數值：Command:BFCUM,ADDGUI:MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Settings>NodalBodyLdMainMenu>Solution>-Loads-Settings>NodalBodyLd注意在執行DCUM日BFCU飾令時要先將其初始狀態設為初始值。重要的一點是要將粗糙模型上

16、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5-5）。圖5-5子模型的載荷Freesurfect(asOit-bouridaiyincoarsenri»H饑gun燦KFconsirajnis然后指定載荷步選項（如輸出控制）并開始計算:Command:SOLVEGUI:MainMenu>Solution>CurrentLSMainMenu>Solution>RunFLOTRAN在求解完成后，退出SOLUTIONFINISH子模型的數據流向（無溫度插值）見圖5-6。圖5-6子模型分析（無溫度插值）的數據流向第五步

17、：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。可以通過比較切割邊界上的結果（應力，磁通密度等）與粗糙模型相應位置的結果是否一致來驗證。如果結果符合得很好，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。一個比較結果的有效方法是使用云圖顯示和路徑顯示，見圖5-7和5-8。NoteagneementofstnseesatthisKjnentoftiecutbourdcvybetvitencoarsemodelandsubmodel圖5-8比較結果時的路徑顯示圖5-7比較結果時的云圖顯示輸入示例

18、下面列出了一個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!SOLVE!粗糙模型數據庫文件求解粗糙模型結果在義件（或rmg等）FINISH!生成子模型/CLEAR!入）/FILNAME,submod/PREP7!.!活除數據庫（或退出ANSY濟重新進!新工作義件名為submod重新進入PREP7生成子模型!進行切割邊界插值NSEL,.!NWRITE!ALLSEL!NWRIT

19、E,temp,node選擇切割邊界上的結點將其寫入文件讀入所有實體!將所有結點寫入文件（用于溫度插值）SAVE!FINISH存儲子模型數據庫文件RESUME,coarse,db/POST1!FILE,coarse,rst!SET,.!CBDOF!讀入粗糙模型數據庫進入POST1使用粗糙模型結果文件讀入需要的結果數據從中讀入切割邊界結點并將D命令寫入BFINT,temps,node!從中讀入所有子模型結點并將BF命令寫入文件（用于溫度插值）FINISH!結束插值過程RESUME!/SOLU!ANTYPE,.!讀入子模型數據庫進入求解器分析類型和選項./INPUT,submod,cbdo!/INP

20、UT,submod,bfin!DSYMM,.!ACEL,.切割邊界自由度溫度插值其他載荷和載荷步選項.SOLVE!FINISH子模型求解/POST1進入POST1驗證子模型數據FINISH殼到體子模型在殼到體子模型技術中，粗糙模型為殼模型而子模型為三維實體模型。圖5-9所示為三維實體子模型添加到粗糙殼模型上的例子。圖5-93-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(MainMenu>GeneralPostproc>Submodeling>InterpolateDOF)和BFINT命令(M

21、ainMenu>General>Submodeling>InterpBodyForc)中KSHSM設為1實現的。本特性不適用丁SHELL9誠SHELL99(KEYOPT11)不等丁0)。子模型切割邊界應為垂直丁殼平面的端面(見圖5-10)。切割邊界上的結點寫入文件中NWRITE(MainMenu>Preprocessor>Create>Node>WriteNodeFile)。要確定切割邊界上結點的自由度數值CBDOF程序首先將結點延伸到殼平面的最近的單元上，該延伸結點的自由度數值就插值并賦值給相應的結點。溫度插值是由計算最近殼單元的中面平均溫度得到的。

22、注-切割邊界上的結點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，子模型應大致在粗糙模型的中間。圖5-10結點旋轉：a)CBDO命令之前，b)CBDO命令之后在結構分析中，切割邊界結點只計算平動自由度，但其數值是根據延伸結點的平動和轉動自由度得到的。而且，結點旋轉以使結點的UY自由度始終垂直丁殼平面，見圖510。UY自由度只有當結點在殼平面平均厚度的10%之內時才計算。這防止了子模型在反向的過度位移。由CBD。命令寫的.CBDO文件包括兩個部分：（1）一組NMODII令（表示結點旋轉角度）和DDEL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

23、令和一個:CBnn標記分開（nn為結果序列迭代次數）。用戶必須將.CBDO文件讀入PREP升，因為NMODI命令只能在PREPT適用。要完成這步操作，進入前處理器，然后用下列命令：Command:/INPUTGUI:UtilityMenu>File>ReadInputfrom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/PREP7!.CBDO文件必須在PREP沖讀入/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

24、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/PREP7smrt,off/TITLE,STRESSCONCENTRATIONATAHOLEINAPLATE/NOPRANTYPE,STATIC!靜力分析ET,1,PLANE2MP,EX,1,30E6MP,NUXY,1,MaterialpropertiesE=3Dx10Gpsiv=0,3ProblemSketchGeometricPrepertiesL=12ind=1int=1inLoadingCoarseModel-AreaandKeypointsP=10

25、00pelRefinedKeypointandAreaModelAroundHlole(Submodel)K,1,6!關鍵點K,2,6,6K,3,6K,4,.5K,5,.5K,61,2L,2,3L,3,4LESIZE,3,4,.25!定義線3的分段數LARC,4,5,6,LESIZE,4,6!定義線4的分段數L,5,1LESIZE,5,4,4!定義線5的分段數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,LTOPLSEL,S,LINE,3,5,2DL,ALL,SYMMLSEL,S,L

26、INE,1NSLL,1SF,ALL,PRES,-1000.!施加拉力LSEL,ALLNSEL,ALLCSYS,1FINISH/SOLUSOLVEFINISHSAVE!存儲文件/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)='MXSTR'LABEL(1,2)='CRSMODEL'*

27、VFILL,VALUE(1,1),DATA,3018*VFILL,VALUE(1,2),DATA,CRSESTR*VFILL,VALUE(1,3),DATA,ABS(CRSESTR/3018)SAVE,TABLE_1FINISH/CLEAR,NOSTART!CLEARTHEDATABASE/FILNAM,SUBMODEL!定義子模型文件名/PREP7smrt,off/NOPR/TITLE,STRESSCONCENTRATIONATAHOLEINAPLATEANTYPE,STATICET,1,PLANE42MP,EX,1,30E6MP,NUXY,1,CSYS,1K,10,.5,45K,11,.5

28、,90K,12,45K,13,90A,10,12,13,11ESIZE,8MSHK,1MSHA,0,2DAMESH,1/WINDOW,2,OFF/NOERASE/PLOPTS,INFO,0/PLOPTS,WINS,0/WINDOW,1,LTOP/USER!/DIST,1,/FOCUS,1,3,3EPLOTLSEL,S,LINE,1,2NSLL,1!NWRITE!LSEL,ALLNSEL,ALLFINISHSAVE!/POST1RESUME,coarse,dbFILE,coarse,rstCBDOF,0,0!FINISH/PREP7smrt,offRESUME!用戶定義的比例選擇切割邊界的結點將

29、結點寫入文件存儲子模型數據庫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/NOPR/INPUT,cbdo,:cb1/GOPRLSEL,S,LINE,3DL,ALL,SYMMFINISH/SOLUSOLVEFINISH/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,CHAR