子模型法
關注創建者：小白Johnny 創建時間：2023-10-27
子模型法的視頻教程
WORKBENCH LSDYNA子模型法拉伸斷裂
主要包含以下內容： 細網格全模型 粗網格全模型，輸出子模型邊界 細網格子模型，讀入粗網格模型邊界數據 結果對比 模型動畫
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子模型法的實例教程
本文首先以ANSYS Workbench子模型法及其應用意義進行說明，而后簡述ANSYS Composite PrepPost（ACP）在復合材料中的應用的一般基本流程，最后給出子模型法在ACP分析中如何實現進行簡要概述說明。
全文共分為三個部分，本部分主要進行最后一部分的子模型法在ACP分析中如何實現的基本操作的概要說明，其他兩部分可參見文后鏈接。
子模型在ACP復合材料應用流程操作簡例
(1) 子模型分析首先需要對整體模型進行子模型切割，如圖1所示在DM模塊中創建整體模型，并進行切割邊界。
展開 摘 要：介紹了基于Optistruct求解器實現子模型法的3種方式，等參定量對比3種子模型法和全局模型法，計算結果表明：FIELD子模型方法計算結果同全模型存在差異，但差異可忽略不計；FBD子模型則完全一致；TCL子模型方法同全模型位移場、應力場相對誤差分別為3.1%、5.7%。應用FBD子模型法簡化計算不失為一條經濟、高效率的途徑。
關鍵詞：OptiStruct;子模型法;計算效率;
0 引言
有限元法在解決復雜工程分析計算中扮演的角色越來越重要，一些領域如機械制造[1,2,3,4]、化工[5]、國防軍工[6,7]等廣泛應用有限元法進行輔助設計和試驗驗證。有限元法是基于拉格朗日型網格，理論上網格劃分得足夠細密，那么就能使問題域離散單元數值解愈接近真實解。但受限于計算資源的捉襟見肘，實際復雜構件不可能劃分太細密的網格。工程師們經常會遭遇如下困境：對于著重關注的區域，計算網格太疏會跳過極值應力且收斂性差，不能得到滿意的結果，需細化網格以捕捉應力梯度；對于這些區域外的部分，網格密度已經富余，粗糙的網格分布已足夠求解近似的結果，如果耗費大量的計算資源、時間在這些不關注區域，影響分析的效率，不可取。基于此，子模型法倒不失為一種處理此類問題的捷徑。
1 子模型法簡介
子模型法基于圣維南（Saint-Venant）原理[8]，其指出結構真實載荷可以用等效載荷替換，但應力、應變等張量只在等效載荷施加處局部會發生變化。子模型法正是考慮此種思路，即避開全局整體模型而只在局部需求細節處模型進行特殊處理，從而得到更加精確解的分析方法。子模型法主要分為兩類：1）基于節點位移。即將計算得到的整體模型網格節點的位移場利用單元形狀功能插值到子模型邊界上的節點，它可以插值得到更精確的位移場。2）基于面應力。
展開 5 結論
(1)基于子模型法，借助ANSYS Mechanical模塊，能夠比較準確地計算釬焊焊趾振動應力分布規律；可用于指導產品和試驗設計；
(2)受限于測試方法、產品結構尺寸與數模存在偏差等諸多因素；計算值與實測值最大偏差達48%，需進行深入分析、以縮小此偏差。
有限單元法作為當前工程領域最具實用性的數值模擬方法，早在二十世紀40年代被用于求解St.Venant的扭轉問題，并隨著計算技術的發展廣泛應用于科學研究和工程計算領域。但由于當時計算機硬件及運算時間的限制，有限元模型的建立往往會忽略實際結構的某些細部特征，如倒角、圓角及小孔等，導致其周邊應力發生較為顯著的變化，從而造成較大的計算誤差。為準確反映復雜結構的應力分布情況，保證大型實際工程的應力精度要求，子模型方法應運而生。
子模型法是將應力變化劇烈或應力集中區域等重點關注部位從整體模型中取出，單獨對網格二次加密并進行計算的一種分析方法。圣維南原理認為：實際荷載可用等效荷載來代替，這種代替只會使荷載施加的位置附近的應力和應變有所改變，但對較遠的區域基本沒有影響。這說明當子模型切割邊界距離關鍵部位足夠遠時，就可以通過子模型法計算得到較精確的結果。
算例
塊體尺寸100×100×20mm，塊體中心有一弧形孔，整體模型“W”網格尺寸設置為5mm，材料彈性模量取210000Mpa，泊松比取0.3，塊體厚度取20mm。
第一步，在Part建立三維實體單元
第二步，在Property模塊，設定材料屬性
材料：模量取210000，泊松比取0.3
第三步，在Assembly模塊裝配
第四步，在Step模塊建立分析步。
選擇靜力通用
第五步，在load模塊創建荷載。
展開 【問題背景】
在經典界面中有子模型分析技術，那么這種技術能否在WB中使用呢？
答案是肯定的。
本算例說明如何在WB中使用子模型技術。
【問題描述】
一塊開孔薄板，左邊固定，右邊施加1MPa的拉力，求板中的最大應力。
【問題分析】
該問題中存在應力集中，應力集中發生在孔的上下邊沿。
為了得到應力的收斂值，需要對應力集中點反復加密網格，然后對整個板進行計算。對于簡單的問題而言，這種方法是可以的。但是如果板很復雜，這樣反復計算耗時很長。
比較合理的方法是使用子模型法。
經典界面中子模型法操作復雜，而WB則對子模型法提供了完美的支持。本算例說明如何在WB中用子模型法進行操作。
WB中，首先創建粗糙模型并進行分析；
然后拷貝粗糙模型分析系統得到子模型分析系統，并建立粗糙模型與子模型分析系統的關系；
接著修改子模型分析系統中的幾何模型，只取與應力集中點周圍的部分幾何體；
然后導入粗糙模型在切割邊界處的位移，根據此來計算子模型的應力；
對子模型反復加密網格，就可以得到應力集中點的精確解。
【求解過程】
1.分析粗糙模型。
（1）創建靜力學分析系統。
（2）創建幾何模型。
選擇長度單位是毫米，創建一個草圖
然后根據該草圖形成面體。
并設置對該面體進行2D分析。
（3）劃分網格。
自動劃分。此時使用粗糙的網格劃分。
（4）定義邊界條件。
固定左邊線。
右邊線施加1Mpa的均布載荷。
（5）求解并查看應力。
得到X方向的正應力如下圖。
可見，在孔的上下兩邊，應力最大,為2.7Mpa。
那么真正的最大應力是多少呢？
下面使用子模型加密得到。
2.分析子模型。
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迭代效率：對復雜模型使用子結構法（SUBSTEP）加速計算。
4. 結果穩健性：進行厚度公差分析（±0.2mm擾動驗證性能穩定性）。
通過以上流程，OptiStruct可在保證結構安全的前提下實現電池包殼體的高效減重。建議優先優化對質量敏感度高且應力裕度大的區域，對高應力區域保留厚度余量。
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TCL子模型法插值精度偏低，存在一定誤差；FIELD子模型法插值精度中等，結果基本無差別；FBD子模型法插值精度高，結果完全一致。應用的工程案例表明子模型法計算效率可提升92.7%，可見子模型法是有限元學科中特有的提高計算效率的一種捷徑，助力工程師快速且準確地確定設計方案，應善用子模型法。
圖8 等參對比各方案拉應力對比
文章來源：機械工程師
當宏觀有限元模型和精 細化有限元模型分別建立時，主要考慮邊界條件的轉換問題，二者的連接可采用多邊界插值法、雙重 子模型法、子模型法等方法；當宏觀有限元模型和精細化有限元模型混合建立時，是不同維度單元的連接問題，二者之間的連接通常采用多點約束法[8-9]。
子模型法是將應力變化劇烈或應力集中區域等重點關注部位從整體模型中取出，單獨對網格二次加密并進行計算的一種分析方法。圣維南原理認為：實際荷載可用等效荷載來代替，這種代替只會使荷載施加的位置附近的應力和應變有所改變，但對較遠的區域基本沒有影響。這說明當子模型切割邊界距離關鍵部位足夠遠時，就可以通過子模型法計算得到較精確的結果。
比較合理的方法是使用子模型法。
經典界面中子模型法操作復雜，而WB則對子模型法提供了完美的支持。本算例說明如何在WB中用子模型法進行操作。
圖1 子模型法
除了能夠提高計算效率，獲得模型某部分更精確解之外，采用子模型技術還具備一下優點：
1．該方法減少甚至消除了有限元實體模型中所需的復雜傳遞區域；
2．它使用戶可以再感興趣的區域就不同的設計進行分析；
3．它能夠幫助用戶證明網格劃分是否足夠細。
本文首先以ANSYS Workbench子模型法及其應用意義進行說明，而后簡述ANSYS Composite PrepPost（ACP）在復合材料中的應用的一般基本流程，最后給出子模型法在ACP分析中如何實現進行簡要概述說明。
為了研究精沖鋼不同微觀組織對精密沖裁工藝的適應性，分別建立基于材料組織的微觀代表性體積單元（RVE）模型和基于子模型法的RVE——宏觀有限元耦合多尺度模型，研究了球化退火后材料基體中滲碳體顆粒不同直徑、體積分數以及碳化物帶分布特征對拉伸、剪切力學性能和精沖性能的影響。
模型基于子結構法，考慮整個傳播鏈的全部子系統，利用2.5D有限元法模擬軌道-地層-建筑系統，利用2.5DFEM-MFS（Method
of Fundamental Solution）耦合法模擬二次噪聲.
比較合理的方法是使用子模型法。
經典界面中子模型法操作復雜，而WB則對子模型法提供了完美的支持。本算例說明如何在WB中用子模型法進行操作。
