ansys動(dòng)提取等效質(zhì)量的案例
如何從Ansys APDL中提取剛度矩陣與質(zhì)量矩陣？ ￥69
1.引論
經(jīng)常使用Ansys、Abaqus等一系列有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算、學(xué)習(xí)的學(xué)生或工程師們都會(huì)知道在有限元分析建模與計(jì)算中剛度矩陣與質(zhì)量矩陣的重要性。但是由于軟件的黑盒性質(zhì)，大家往往在實(shí)際使用十分成熟的商業(yè)化軟件的過(guò)程中慢慢忽視了有限元及其衍生出的商業(yè)軟件背后的原理與方法。
這時(shí)，不管是在學(xué)習(xí)中還是在工程應(yīng)用中往往都會(huì)遇到一個(gè)同樣的問(wèn)題，那么就是如何將Ansys APDL運(yùn)行中的產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)（例如：剛度矩陣、質(zhì)量矩陣）導(dǎo)出成為我們熟悉的形式或文件格式，從而為我們所用，所分析。
因此我決定寫(xiě)下此篇文章來(lái)幫助很多實(shí)際工作或?qū)W習(xí)中需要用到此類(lèi)技能的同學(xué)、同事們，讓大家更了解Ansys APDL背后的工作原理與數(shù)據(jù)導(dǎo)出方式。
當(dāng)然，在社區(qū)中早就有大佬回答過(guò)了這個(gè)問(wèn)題，并給大家制作了相應(yīng)的提取矩陣軟件，其軟件具備了簡(jiǎn)單、便捷的操作方式，讓很多想要提取剛度矩陣與質(zhì)量矩陣的同僚們受益，那么我為什么還要寫(xiě)一篇這樣的文章重新提起這樣一個(gè)話題呢？這就又回到了我開(kāi)頭所說(shuō)的“原理與方法”，我在此更希望面對(duì)想要進(jìn)一步學(xué)習(xí)了解軟件背后機(jī)理的群體，并在此基礎(chǔ)上保留教學(xué)的簡(jiǎn)潔性，提供導(dǎo)出矩陣與轉(zhuǎn)換、列式、求解的源代碼，使其既兼顧基本原理，又可以讓大家直接上手使用，非常的便捷，也避免了很多因?yàn)閮?yōu)化不完全導(dǎo)致的運(yùn)行bug。
2.有限元軟件導(dǎo)出剛度矩陣與質(zhì)量矩陣的方法
在使用APDL進(jìn)行求解時(shí)，每次在求解完成后都會(huì)在工作路徑下生成一個(gè).full文件，而這個(gè)文件十分關(guān)鍵，其正是剛度矩陣與質(zhì)量矩陣的所在之處。
展開(kāi) ANSYS模型剛度、質(zhì)量矩陣快速提取小軟件—km_from_Ansys ￥88
背景
從事結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制、車(chē)橋耦合振動(dòng)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器優(yōu)化布置、結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能分析等等一系列研究的同仁們應(yīng)該都面臨過(guò)一個(gè)同樣的問(wèn)題—“怎么把結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量矩陣建立出來(lái)？”。這對(duì)于那些數(shù)值分析高手和專(zhuān)家可能不是什么問(wèn)題；但是對(duì)于科研剛?cè)腴T(mén)的新手來(lái)說(shuō)，這個(gè)難度還是相當(dāng)大的。如果都靠自己寫(xiě)程序來(lái)建立有限元模型，則對(duì)理論基礎(chǔ)、編程水平都有很高的要求，甚至程序做出來(lái)也未必能保證其正確性，是一個(gè)很讓人頭疼的問(wèn)題。
對(duì)于一些簡(jiǎn)單的被動(dòng)控制裝置或簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)分析，當(dāng)然也可以在有限元分析軟件中構(gòu)造出裝置組成直接分析（剛度+阻尼類(lèi)型），但是對(duì)于稍復(fù)雜一些的控制裝置和耦合分析等問(wèn)題，會(huì)受到平臺(tái)功能上的限值，尤其是對(duì)于主動(dòng)和半主動(dòng)等涉及控制算法的研究來(lái)說(shuō)，基本很難在有限元軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)分析。再加上如果需要對(duì)裝置進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，需要進(jìn)行多次重復(fù)計(jì)算，難度就更大。
Ansys、ABAQUS等軟件平臺(tái)給我們提供了比較穩(wěn)定有效的有限元模型建立平臺(tái)，通過(guò)借助商業(yè)軟件來(lái)建立模型，再將其中的剛度、質(zhì)量矩陣導(dǎo)出，是非常可取的一種方法。如果能夠提取出模型的矩陣，明晰計(jì)算原理，就能夠很容易的通過(guò)自己的程序設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行補(bǔ)充、調(diào)整，來(lái)達(dá)到自己定制的計(jì)算分析目的。其實(shí)，不僅對(duì)于振動(dòng)控制，比如結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析、車(chē)橋耦合分析、結(jié)構(gòu)傳感器優(yōu)化配置方案設(shè)計(jì)等，都有應(yīng)用需求。因此，一個(gè)能夠便捷的提取結(jié)構(gòu)矩陣的方法就顯得至關(guān)重要。
技術(shù)鄰平臺(tái)已經(jīng)有大佬提供了ABAQUS軟件剛度和質(zhì)量矩陣的導(dǎo)出方法。這里補(bǔ)充一下在ANSYS中導(dǎo)出質(zhì)量和剛度矩陣的方法和小軟件。
2.
展開(kāi) ANSYS知識(shí)普及1——如何提取模態(tài)質(zhì)量（ANSYS專(zhuān)家編輯，非原創(chuàng)，歡迎轉(zhuǎn)摘）
本人準(zhǔn)備出一個(gè)ANSYS知識(shí)普及系列，將有用的網(wǎng)上資料歸攏，由于知識(shí)水平有限，不對(duì)之處請(qǐng)諒解。也歡迎各位網(wǎng)友提供好的資料分享，讓我們共同完成這個(gè)ANSYS知識(shí)普及系列。
編輯人：技術(shù)鄰ANSYS專(zhuān)家
業(yè)務(wù)咨詢網(wǎng)址：http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402981
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聲 明:1、ANSYS知識(shí)普及系列中所有資料均來(lái)自網(wǎng)上；
2、如侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系ANSYS專(zhuān)家本人或者技術(shù)鄰，我將第一時(shí)間刪除。
下面是《ANSYS Verification Manual》中VM89.DAT稍加修改后提取模態(tài)質(zhì)量的例子：
/PREP7
/TITLE, VM89, NATURAL FREQUENCIES OF A TWO-MASS-SPRING SYSTEM
C*** VIBRATION THEORY AND APPLICATIONS, THOMSON, 2ND PRINTING, PAGE 163,EX 6.2-2
ET,1,COMBIN14,,,2
ET,2,MASS21,,,4
R,1,200 ! SPRING CONSTANT = 200
R,2,800 ! SPRING CONSTANT = 800
R,3,.5 ! MASS = .5
R,4,1 ! MASS = 1
N,1
N,4,1
FILL
E,1,2 ! SPRING ELEMENT (TYPE,1) AND K = 200 (REAL,1)
TYPE,2
REAL,3
E,2 ! MASS ELEMENT (TYPE,2) AND MASS = .5 (REAL,3)
TYPE,1
REAL,2
E,2,3 !
展開(kāi) ANSYS中整體、單元?jiǎng)偠群?em>質(zhì)量矩陣的提取
這時(shí)用編輯器打開(kāi)cp.out文件，可以看到按單元寫(xiě)出的質(zhì)量、剛度等矩
陣
ANSYS中整體、單元?jiǎng)偠群?em>質(zhì)量矩陣的提取.rar
基于 MATLAB 的 ANSYS Harwell-Boeing 格式稀疏矩陣提取工具 —— 剛度矩陣與質(zhì)量矩陣 ￥30
在有限元分析中，ANSYS 可以導(dǎo)出大規(guī)模稀疏矩陣（如剛度矩陣、質(zhì)量矩陣），通常使用 Harwell-Boeing (HB) CCS 格式。這些矩陣對(duì)后續(xù)二次開(kāi)發(fā)、動(dòng)力學(xué)分析或自定義求解器非常重要，但由于其稀疏和壓縮存儲(chǔ)形式，直接在 MATLAB 中讀取和使用并不方便。
本文提供了 兩個(gè) MATLAB 函數(shù)，可直接從 ANSYS 導(dǎo)出的 HB 矩陣文件中讀取并重構(gòu)成 MATLAB 稀疏矩陣：
1.剛度矩陣提取函數(shù)
輸入：ANSYS 導(dǎo)出的剛度矩陣 HB 文件（stiff.txt）
輸出：MATLAB 稀疏矩陣 K，可直接用于動(dòng)力學(xué)計(jì)算或驗(yàn)證
支持自動(dòng)對(duì)稱(chēng)化，保證數(shù)值正確
2.質(zhì)量矩陣提取函數(shù)
輸入：ANSYS 導(dǎo)出的質(zhì)量矩陣 HB 文件（mass.txt）
輸出：MATLAB 稀疏矩陣 M
使用與剛度矩陣同樣的解析邏輯，無(wú)需額外修改
案例說(shuō)明：
本文以高速鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例，展示了如何將 ANSYS 中導(dǎo)出的稀疏剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，在 MATLAB 中完整展開(kāi)，并進(jìn)行后續(xù)動(dòng)力學(xué)分析準(zhǔn)備。
通過(guò)該方法，可以將大規(guī)模有限元矩陣快速轉(zhuǎn)化為 MATLAB 可操作形式，為自定義振動(dòng)分析、模態(tài)分析及其他科研或工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)。
優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用：
支持大規(guī)模稀疏矩陣解析
自動(dòng)對(duì)稱(chēng)化，保證數(shù)值精度
適用于剛度矩陣、質(zhì)量矩陣、其他 HB 格式矩陣
可作為動(dòng)力學(xué)求解器或后處理工具的基礎(chǔ)模塊
使用方法：
1.使用以下代碼對(duì)ansys中生成的質(zhì)量及剛度矩陣進(jìn)行提取，file,5,full（5為工作目錄下full文件的文件名，例如：filename.full）。
展開(kāi) 『分享』ANSYS中整體、單元?jiǎng)偠群?em>質(zhì)量矩陣的提取
、整體剛度和質(zhì)量矩陣的提取。
該功能需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，由ansys形成
的二進(jìn)制文件.full提取整體剛度和質(zhì)量
矩陣。
基于ansys的一個(gè)用戶開(kāi)發(fā)程序例子編
了一個(gè)程序（附件中）。
開(kāi)發(fā)環(huán)境：compaq fortran 6.5
運(yùn)行環(huán)境：win2000。
一個(gè)主文件：self.for，
另一個(gè)文件matrixout.f90用于矩陣輸出
binlib.lib為ansys提供的庫(kù)文件，將其
引入項(xiàng)目中（也可直接扔進(jìn)debug目錄）
.full文件由子空間迭代模態(tài)分析獲得。
運(yùn)行編譯后的可執(zhí)行文件.exe
2、單元?jiǎng)偠群?em>質(zhì)量矩陣的提取。
/DEBUG命令。詳細(xì)說(shuō)明可由以下轉(zhuǎn)載文章
finish
/clear
PI=3.1415926
w1=3
w2=10
w3=6
w4=1.2
r=.8
t=0.08
/PREP7
!*
ET,1,SHELL63
R,1,t
ET,2,MASS21
R,2,500,500,500,2000,2000,2000,
!*
UIMP,1,EX, , ,2e11
UIMP,1,NUXY, , ,0.3,
UIMP,1,DAMP, , ,0.2,
UIMP,1,DENS, , ,7800,
BLC4,0,0,w2,w1
ESIZE,1.5,0,
AMESH,all
NSEL,S,LOC,X,0.0
D,all, , , , , ,ALL, , , , ,
allsel,all
SFA,all,1,PRES,12
FINISH
/OUTPUT,cp,out,, !
展開(kāi) 提取ANSYS中的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣到MATLAB中進(jìn)行二次開(kāi)發(fā) ￥88
最近在考慮自己編寫(xiě)的程序和商用軟件的驗(yàn)證問(wèn)題，有限元結(jié)構(gòu)分析中最關(guān)鍵的一環(huán)就是剛度矩陣的獲得，如果涉及到模態(tài)分析，還有質(zhì)量矩陣。考慮到商業(yè)軟件的成熟性，可以用ANSYS生成的剛度矩陣做參照來(lái)看自己編寫(xiě)的程序是否正確，因此如何提取ANSYS中結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，并進(jìn)行隨后的驗(yàn)證或者二次開(kāi)發(fā)是一個(gè)問(wèn)題。
https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1796144
受上述帖子的啟發(fā)，使用MATLAB提取ANSYS中的剛度和質(zhì)量矩陣，并進(jìn)行模態(tài)分析驗(yàn)證提取的矩陣的正確性。
首先，在ANSYS中使用HBMAT命令方法提取整體矩陣。
命令：HBMAT,fname,ext,--,form,matrx,rhs
其中：
Fname---輸出矩陣的路徑和文件名，缺省為當(dāng)前工作路徑和當(dāng)前工作文件名。
ext---輸出矩陣文件的擴(kuò)展名，缺省為.matrix。
form---定義輸出矩陣文件的格式，其值可取：
=ASCII：ASCII碼格式；
=BIN：二進(jìn)制格式。
matrix---定義輸出矩陣的類(lèi)型，其值可取：
=STIFF：輸出剛度矩陣。可用于寫(xiě)入了.FULL文件的任何類(lèi)型的分析。
=MASS：輸出質(zhì)量矩陣。可用于特征值屈曲、子結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析。
=DAMP：輸出阻尼矩陣。僅用于有阻尼的模態(tài)分析。
rhs---右邊項(xiàng)輸出控制（右邊項(xiàng)指用矩陣所表示方程的等號(hào)右端矢量，這里可為節(jié)點(diǎn)荷載向量），如rhs=YES則輸出，如rhs=NO則不輸出。
模態(tài)分析時(shí)，因僅LANB和QR法可生成完整的質(zhì)量矩陣，因此也僅采用這兩種方法時(shí)才可使用HBMAT命令得到質(zhì)量矩陣文件。
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