ansys 提取載荷矩陣
關(guān)注創(chuàng)建者：王靖雯 創(chuàng)建時間：2023-03-08
ansys 提取載荷矩陣的實例教程
1.引論
經(jīng)常使用Ansys、Abaqus等一系列有限元分析軟件進行計算、學習的學生或工程師們都會知道在有限元分析建模與計算中剛度矩陣與質(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，不管是在學習中還是在工程應用中往往都會遇到一個同樣的問題，那么就是如何將Ansys APDL運行中的產(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際工作或?qū)W習中需要用到此類技能的同學、同事們，讓大家更了解Ansys APDL背后的工作原理與數(shù)據(jù)導出方式。
當然，在社區(qū)中早就有大佬回答過了這個問題，并給大家制作了相應的提取矩陣軟件，其軟件具備了簡單、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”，我在此更希望面對想要進一步學習了解軟件背后機理的群體，并在此基礎(chǔ)上保留教學的簡潔性，提供導出矩陣與轉(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，也避免了很多因為優(yōu)化不完全導致的運行bug。
2.有限元軟件導出剛度矩陣與質(zhì)量矩陣的方法
在使用APDL進行求解時，每次在求解完成后都會在工作路徑下生成一個.full文件，而這個文件十分關(guān)鍵，其正是剛度矩陣與質(zhì)量矩陣的所在之處。
展開 在有限元分析中，ANSYS 可以導出大規(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。這些矩陣對后續(xù)二次開發(fā)、動力學分析或自定義求解器非常重要，但由于其稀疏和壓縮存儲形式，直接在 MATLAB 中讀取和使用并不方便。
本文提供了 兩個 MATLAB 函數(shù)，可直接從 ANSYS 導出的 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，可直接用于動力學計算或驗證
支持自動對稱化，保證數(shù)值正確
2.質(zhì)量矩陣提取函數(shù)
輸入：ANSYS 導出的質(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 中導出的稀疏剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，在 MATLAB 中完整展開，并進行后續(xù)動力學分析準備。
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，為自定義振動分析、模態(tài)分析及其他科研或工程應用提供基礎(chǔ)。
優(yōu)勢與應用：
支持大規(guī)模稀疏矩陣解析
自動對稱化，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
可作為動力學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ansys中生成的質(zhì)量及剛度矩陣進行提取，file,5,full（5為工作目錄下full文件的文件名，例如：filename.full）。
展開 模態(tài)分析完成后，在ansys中運行HBMAT命令得到十進制文件：
! 獲取矩陣十進制文件
/aux2
file,Frame,full !與文件名一致
hbmat,Stiff,txt,,ascii,stiffness,yes,yes !提取剛度矩陣 存儲為Stiff.txt
hbmat,Mass,txt,,ascii,mass,yes,yes !提取質(zhì)量矩陣 存儲為Mass.txt
Finish
提取其前10階模態(tài)如下：
通過MATLAB對文件提取并處理后，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 驗證
Matlab打開生成的矩陣文件，一共有三個矩陣，分別是kk,mm,address,其中kk文件和mm文件分別是結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量矩陣文件，以稀疏矩陣形式存儲，address文件是矩陣的自由度說明，其中第二列是對應節(jié)點號，第三列是對應自由度編碼，1,2,3,4,5,6,分別代表X,Y,Z,ROTX,ROTY和ROTZ。便于對矩陣進行操作。
通過求取模態(tài)特征值來驗證提取矩陣的有效性：
>>load('KM.mat')
>> [v,d]=eigs(kk,mm,10,'sm');
>> d=sqrt(d);
>> d=d/2/pi;
>> d=sum(d);
>> d=d';
上圖為Ansys中模態(tài)分析的結(jié)果，下圖為提取矩陣的分析結(jié)果，結(jié)果一致，表明提取矩陣有效。
6. 說明
提取工具適用于任意單元，任意結(jié)構(gòu)形式，但僅限于彈性模型。
展開 問題：
VDI2230關(guān)于螺栓的計算中對于螺栓載荷的提取沒有過多的涉及，本文針對偏心載荷的提取問題進行簡單說明。
VDI2230中，對于載荷偏心距a的定義如下，虛擬軸線到截面彎矩為0的點之間的距離。
對于實際螺栓連接問題，幾何結(jié)構(gòu)和載荷狀態(tài)復雜多變，使用經(jīng)驗公式估計并不理想。本文介紹使用有限元仿真的方法確定載荷偏心距離。
示例：
以VDI2230中的案例5為例進行對比計算，依據(jù)案例5的幾何信息創(chuàng)建仿真模型。
約束筒體底面，在內(nèi)表面施加20Mpa壓力載荷，同時給螺栓施加約150KN的預緊力（加不加結(jié)果變化不大），連接面設(shè)定為摩擦面。
將兩個側(cè)面設(shè)定為，frictionless Support，等效對稱邊界。（這里沒有使用圓周循環(huán)對稱邊界，是因為圓周對稱邊界不能支持截面彎矩提取）
注意，在輸出控制中 打開“Nodal Forces”，用于端蓋截面的彎矩提取。
計算完成后，在結(jié)果提取中，插入Probe——Moment Reaction——使用surface類型進行端蓋截面彎矩載荷的提取，這里只需要關(guān)注X軸彎矩。
依次變更截面位置，就可以獲得一條彎矩隨位置變化的曲線，讀取彎矩為0位置的距離值，再進一步處理加上螺栓偏心距Ssym，就可以換算到載荷偏心距a。
個人認為仿真結(jié)果17.535，除了在循環(huán)對稱設(shè)置上與案例給出條件不同外，其余均能反應案例邊界。
補充案例：
以機械設(shè)計手冊兩端固支梁，在均布載荷下的反彎點計算模型為例進行驗證。
仿真結(jié)果
公式計算值42.2mm，仿真結(jié)果42.23mm。
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在有限元分析中，ANSYS 可以導出大規(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。這些矩陣對后續(xù)二次開發(fā)、動力學分析或自定義求解器非常重要，但由于其稀疏和壓縮存儲形式，直接在 MATLAB 中讀取和使用并不方便。
本文提供了 兩個 MATLAB 函數(shù)，可直接從 ANSYS 導出的 HB 矩陣文件中讀取并重構(gòu)成 MATLAB 稀疏矩陣：
問題：
VDI2230關(guān)于螺栓的計算中對于螺栓載荷的提取沒有過多的涉及，本文針對偏心載荷的提取問題進行簡單說明。
VDI2230中，對于載荷偏心距a的定義如下，虛擬軸線到截面彎矩為0的點之間的距離。
對于實際螺栓連接問題，幾何結(jié)構(gòu)和載荷狀態(tài)復雜多變，使用經(jīng)驗公式估計并不理想。本文介紹使用有限元仿真的方法確定載荷偏心距離。
示例：
以VDI2230
問題：
在使用理論方法對螺栓強度進行評估時，需要輸入螺栓所受的載荷作為計算輸入。螺栓載荷在復雜工況下，通常使用有限元仿真的方式進行模擬。此時需要準確提取螺栓位置的載荷大小用后續(xù)理論校核。
示例：
如下圖所示，兩個零件一端鉸接一端使用螺栓連接。在螺栓側(cè)端面施加2000N載荷（無螺栓預緊力）。需要提取螺栓在連接面處所受到的載荷包括：力和力矩。
載荷提取結(jié)果：
1.螺栓連接面位置作用力
1.引論
經(jīng)常使用Ansys、Abaqus等一系列有限元分析軟件進行計算、學習的學生或工程師們都會知道在有限元分析建模與計算中剛度矩陣與質(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，不管是在學習中還是在工程應用中往往都會遇到一個同樣的問題，那么就是如何將Ansys
最近在考慮自己編寫的程序和商用軟件的驗證問題，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看自己編寫的程序是否正確，因此如何提取ANSYS中結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，并進行隨后的驗證或者二次開發(fā)是一個問題。
https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1796144
Beam188軸向力的提取方法
1. 背景
從事結(jié)構(gòu)振動控制、車橋耦合振動、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器優(yōu)化布置、結(jié)構(gòu)動力性能分析等等一系列研究的同仁們應該都面臨過一個同樣的問題—“怎么把結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量矩陣建立出來？”。這對于那些數(shù)值分析高手和專家可能不是什么問題；但是對于科研剛?cè)腴T的新手來說，這個難度還是相當大的。如果都靠自己寫程序來建立有限元模型，則對理論基礎(chǔ)、編程水平都有很高的要求，甚至程序做出來也未必能保證其正確性，是一個很讓人頭疼的問題
就ansys如何提取剛度矩陣、如何解讀提取的文檔以及利用Python進行解析。
在workbench中實現(xiàn)整個過程的參數(shù)化過程除了前幾次文章介紹的模型與網(wǎng)格，還應該包括材料參數(shù)的參數(shù)化定義。利用Python進行二次開發(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代碼的自動讀取，參與到實際的有限元分析進程中。
結(jié)構(gòu)有限元最后的求解過程總是歸結(jié)到求解一個大型矩陣方程
、整體剛度和質(zhì)量矩陣的提取。
該功能需要進行二次開發(fā)，由ansys形成
的二進制文件.full提取整體剛度和質(zhì)量
矩陣。
基于ansys的一個用戶開發(fā)程序例子編
了一個程序（附件中）。
開發(fā)環(huán)境：compaq fortran 6.5
運行環(huán)境：win2000。
一個主文件：self.for，
另一個文件matrixout.f90用于矩陣輸出
binlib.lib
1、整體剛度和質(zhì)量矩陣的提取。
該功能需要進行二次開發(fā)，由ansys形成
的二進制文件.full提取整體剛度和質(zhì)量
矩陣。
基于ansys的一個用戶開發(fā)程序例子編
了一個程序（附件中）。
開發(fā)環(huán)境：compaq fortran 6.5
運行環(huán)境：win2000。
一個主文件：self.for，
另一個文件matrixout.f90用于矩陣輸出
binlib.lib為ansys提供的庫文件
