ansys提取剛度矩陣的案例
ANSYS剛度矩陣的提取與解析(python解析）
就ansys如何提取剛度矩陣、如何解讀提取的文檔以及利用Python進(jìn)行解析。
在workbench中實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的參數(shù)化過程除了前幾次文章介紹的模型與網(wǎng)格，還應(yīng)該包括材料參數(shù)的參數(shù)化定義。利用Python進(jìn)行二次開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)材料參數(shù)的自由定義，比如來源于excel表格或者文檔的數(shù)據(jù)，通過Python代碼的自動(dòng)讀取，參與到實(shí)際的有限元分析進(jìn)程中。
結(jié)構(gòu)有限元最后的求解過程總是歸結(jié)到求解一個(gè)大型矩陣方程Ax=b，對(duì)于一些情況還需要考慮質(zhì)量矩陣M和阻尼矩陣C。有限元程序在組裝完所有單元的剛度矩陣后，考慮模型所施加的約束和載荷，最終將剛度矩陣進(jìn)行一些處理，例如乘大數(shù)法，變成Ax=b的形式，其中A是剛度矩陣，b是節(jié)點(diǎn)載荷，x為待求的節(jié)點(diǎn)位移，A和b全為已知量。
基本上各類有限元軟件均能夠提取模型的剛度矩陣，此次針對(duì)剛度矩陣的提取與解析做一個(gè)例子，采用的軟件是ANSYS經(jīng)典。
在ANSYS中建立一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，劃分網(wǎng)格后共12個(gè)節(jié)點(diǎn)，定義材料參數(shù)，施加約束和載荷后求解。有限元模型如下所示。
待求解結(jié)束后，會(huì)在工作目錄下生成一個(gè)后綴為full的文件，之后即可進(jìn)行剛度矩陣的提取。
通過主菜單，如下所示。
選擇Matrix后，彈出如下所示的界面。
其中，F(xiàn)ile to be read需要指定工作目錄下生成的full文件，Name of file to write為所導(dǎo)出剛度矩陣的文件名稱；Output matrix file format表示文件格式，還有Binary，生成的是文檔文件，選擇Ascii即可；Matrix to write表示輸出的是剛度矩陣/質(zhì)量矩陣還是阻尼矩陣；RHS選項(xiàng)表示是否同時(shí)輸出右端項(xiàng)，也即是Ax=b中的b。
打開生成的剛度矩陣文檔，如下所示。
展開 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。
因此我決定寫下此篇文章來幫助很多實(shí)際工作或?qū)W習(xí)中需要用到此類技能的同學(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了這個(gè)問題，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？這就又回到了我開頭所說的“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 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，無需額外修改
案例說明：
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，并進(jìn)行后續(xù)動(dòng)力學(xué)分析準(zhǔn)備。
通過該方法，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 提取ANSYS中的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣到MATLAB中進(jìn)行二次開發(fā) ￥88
模態(tài)分析完成后，在ansys中運(yùn)行HBMAT命令得到十進(jìn)制文件：
! 獲取矩陣十進(jìn)制文件
/aux2
file,Frame,full !與文件名一致
hbmat,Stiff,txt,,ascii,stiffness,yes,yes !提取剛度矩陣 存儲(chǔ)為Stiff.txt
hbmat,Mass,txt,,ascii,mass,yes,yes !提取質(zhì)量矩陣 存儲(chǔ)為Mass.txt
Finish
提取其前10階模態(tài)如下：
通過MATLAB對(duì)文件提取并處理后，可以使用spy命令查看稀疏矩陣的分布，剛度矩陣分布和各變量維度如下：
稀疏剛度矩陣的具體分布如下：
稀疏質(zhì)量矩陣的具體分布如下：
計(jì)算矩陣的特征值，利用提取的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣做模態(tài)分析。
與ANSYS中的結(jié)果一致，因此驗(yàn)證了正確性。
在Stiff.mapping文件中，格式是這樣的：
在MATLAB中使用相同的方法提取并整理，如下：
展開 
ANSYS中整體、單元剛度和質(zhì)量矩陣的提取
指定輸出單元矩陣
/SOLU
SOLVE
finish
/OUTPUT, TERM ! 將輸出信息送到output windows中
! 這時(shí)用編輯器打開cp.out文件，可以看到按單元寫出的質(zhì)量、剛度等矩
陣
ANSYS中整體、單元剛度和質(zhì)量矩陣的提取.rar
ANSYS模型剛度、質(zhì)量矩陣快速提取小軟件—km_from_Ansys ￥88
提取方法
Ansys中其實(shí)提供了幾種單元剛度矩陣和整體剛度矩陣的提取接口，先做一下簡(jiǎn)單介紹：
（1）單元剛度矩陣提取，集成整體剛度矩陣
首先選擇要提取的單元，通過/debug命令輸出選擇集中的單元剛度矩陣，再根據(jù)結(jié)構(gòu)的單元連接信息，組合成整體剛度矩陣，命令如下：
/OUTPUT,cp,out,, ! 將輸出信息送到cp.out文件
/debug,-1,,,1 ! 指定輸出單元矩陣
/SOLU
SOLVE
finish
/OUTPUT, TERM ! 將輸出信息送到output windows中
感受：這個(gè)方法很直接，但稍顯麻煩，需要提取到結(jié)構(gòu)的單元組成信息、節(jié)點(diǎn)信息以及單元剛度矩陣等，對(duì)于稍大一些結(jié)構(gòu)來說，可能需要1個(gè)小時(shí)甚至更長時(shí)間才能完成。
（2）超單元方法
/solu
antype,7 !substructuring分析類型
seopt,matname,1 !設(shè)置文件名稱和剛度矩陣類型(剛度，質(zhì)量，阻尼等)
nsel,all !選擇所有節(jié)點(diǎn)
m,all,all !定義所有節(jié)點(diǎn)自由度為主自由度
solve !求解
selist,matname,3 !列出整體剛度矩陣
這種方法是可以提取到結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣的，但是問題在于需要指定主自由度，對(duì)于一般結(jié)構(gòu)而言，這個(gè)方法還是適用的，問題是如果結(jié)構(gòu)中存在耦合關(guān)系，結(jié)構(gòu)自由度存在依賴關(guān)系，該方法就不太適用了，可能還有其他解決辦法，但是我后來還是放棄這種方法。
（3）HBMAT命令方法提取整體矩陣
這種方法的適用性比較廣，也是個(gè)人比較推崇的一種方法。
展開 提取整體剛度矩陣、質(zhì)量矩陣及阻尼矩陣的三種方法
指定輸出單元矩陣
/SOLU
SOLVE
finish
/OUTPUT, TERM ! 將輸出信息送到output windows中
! 這時(shí)用編輯器打開cp.out文件，可以看到按單元寫出的質(zhì)量、剛度等矩陣
3.
其原理很簡(jiǎn)單，即使用ansys的超單元即可解決問題。定義超單元，然后列出超單元的剛度矩陣即可。
面是一個(gè)小例題，自可明白。
/prep7
k,1
k,2,3000
l,1,2
et,1,beam3
mp,ex,1,2e5
mp,prxy,1,0.3
r,1,5000,2e7,200
lesize,all,,,10
lmesh,all
finish
!----以上正常建立模型，不必施加約束和荷載
/solu
antype,7 !substructuring分析類型
seopt,matname,1 !設(shè)置文件名稱和剛度矩陣類型(剛度，質(zhì)量，阻尼等)
nsel,all !選擇所有節(jié)點(diǎn)
m,all,all !定義所有節(jié)點(diǎn)自由度為主自由度
solve !求解
selist,matname,3 !列出整體剛度矩陣
展開 『分享』ANSYS中整體、單元剛度和質(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)用戶開發(fā)程序例子編
了一個(gè)程序（附件中）。
開發(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、單元剛度和質(zhì)量矩陣的提取。
/DEBUG命令。詳細(xì)說明可由以下轉(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 ?abaqus提取單元的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣
abaqus提取單元的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣：
*Output, history, variable=PRESELECT,
*File Format,ASCII
*Element Matrix Output,Elset=Beam-1.Set-2,
File Name=shuchu,Frequency=1,Output File=User Defined,Stiffness=Yes
*End Step
*Step
*Matrix generate，stiffness
*End Step
不同軟件中剛度矩陣提取方法 ￥3
Workbench中剛度矩陣提取方法
Abaqus剛度矩陣提取方法
Optistruct中剛度矩陣提取方法
