超單元分析的案例
Nastran超單元使用-模態(tài)分析 ￥8888
由于工作需要，汽車整車企業(yè)聯(lián)合供應(yīng)商開發(fā)汽車副車架，涉及到汽車集成性能的IPI、模態(tài)、VTF、NTF等分析項，由于設(shè)計保密的要求，不能直接將車身有限元數(shù)據(jù)發(fā)給供應(yīng)商設(shè)計開發(fā)，因此有必要用超單元來達(dá)到聯(lián)合開發(fā)的目的，將車體等保密數(shù)據(jù)的有限元求解所需的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣存儲到超單元中，然后提供給供應(yīng)商進(jìn)行子系統(tǒng)的開發(fā)。這一節(jié)分享超單元用于模態(tài)分析，具體的操作步驟和流程如下：
Step1 分離出超單元與外部單元
1.1 分離出超單元與外部單元
導(dǎo)入一個簡易的車輛模型到hypermesh，模型如下圖所示。通過renumber命令對外部節(jié)點進(jìn)行編號，節(jié)點編號為1、2、3、4，將輪胎及其bush單元定義為外部節(jié)點。導(dǎo)出文件hm_example_model_mod_sue.bdf和wai_bu_element.bdf。
Step2 超單元定義
2.1 超單元分類
超單元的種類分為3種：List Superelements，PART Superelements和External Superelements，前兩種應(yīng)用的較少，大多數(shù)使用的還是第三種：外部超單元。其有以下幾個優(yōu)點：
縮減的矩陣可以連接到外部殘留結(jié)構(gòu)，并且保持完整結(jié)構(gòu)一樣的特性；
外部超單元可以很容易的以很高時間效率被使用，極大的縮短了計算時間；
使用外部超單元，可以把材料、屬性和結(jié)構(gòu)等設(shè)計信息進(jìn)行保密；
外部超單元可以做到不恢復(fù)數(shù)據(jù)的情況下對某些關(guān)鍵結(jié)果進(jìn)行評價審核；
外部超單元文件客戶很方便的在各個設(shè)計組織中傳遞。
本文使用外部超單元完成后續(xù)步驟。
2.2 創(chuàng)建外部超單元
展開 【子程序】Abaqus顯式分析梁單元超彈性VUMAT
顯式分析梁單元超彈性不可用
有次在做一個張拉整體結(jié)構(gòu)分析時，為對比拉力材料對Tensegrity沖擊動態(tài)響應(yīng)的影響，我試了尼龍和橡膠材料，并且對單元類型也進(jìn)行了不同的嘗試-Beam/Truss Element，當(dāng)試到B31-超彈性本構(gòu)這個組合時，Abaqus返回了一個ERROR: "Hyperelasticity or hyperfoam is not available with beam elements in Abaqus/Explicit."
Tensegrity分析（Truss）：左-尼龍線，右-橡皮筋
這個報錯難道是因為橡膠材料的不可壓縮性？帶著疑惑查了查幫助文檔：Abaqus有明確地說明超彈性本構(gòu)模型可以用于Standard中的梁單元，但沒有提Explicit梁單元能不能用，表達(dá)算是比較模糊，因為其他本構(gòu)模型的介紹中，往往對于禁用單元講的都比較干脆。
適用于顯式梁單元的超彈性VUAMT
后來發(fā)現(xiàn)，原來達(dá)索官方專門為顯式分析的梁單元提供了一個超彈性本構(gòu)模型的VUMAT，其應(yīng)變能函數(shù)是基于第一不變量I1的描述，可以通過用戶提供的單軸名義應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，計算有限變形框架下的柯西應(yīng)力，不過目前沒有將其正式內(nèi)置于Abaqus材料模型中，所以很多人都不知道。
展開 PATRAN和NASTRAN有限元分析專業(yè)教程
內(nèi)容介紹
本書以大量詳盡的分析實例，深入系統(tǒng)地介紹了MSC．Patran和MSC．Nastran軟件的使用方法和技巧。全書共分13章，內(nèi)容涵蓋了MSC． Patran和MSC．Nastran軟件的功能和特點；有限元建模和分析的基本過程；與CAD軟件的接口；線性靜力分析過程；正模態(tài)分析過程；動力學(xué)分析過程；非線性分析過程；熱分析過程；優(yōu)化設(shè)計分析過程；線性與非線性屈曲分析過程；線性循環(huán)對稱分析過程；超單元分析過程等。
本書內(nèi)容全面翔實，對涉及的基礎(chǔ)知識和基本過程表述簡潔清晰，其中的實例典型專業(yè)，適合深入學(xué)習(xí)參考。本書配套光盤提供了所有例子的源程序。
本書可作為廣大工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)使用的參考書，也可作為理工科院校相關(guān)專業(yè)的師生學(xué)習(xí)MSC．Patran 和MSC．Nastran軟件的教材。
展開 《PATRAN和NASTRAN有限元分析專業(yè)教程（附CD-ROM光盤一張） 》
第4章 線性靜力分析實例
第5章 模態(tài)分析實例
第6章 動力學(xué)分析實例
第7章 非線性分析實例
第8章 熱分析實例
第9章 優(yōu)化分析
第10章 線性與非線性屈曲分析實例
第11章 循環(huán)對稱分析實例
第12章 超單元分析
第13章 其他分析實例
ABAQUS超單元法（子結(jié)構(gòu)法）在多學(xué)科優(yōu)化中的應(yīng)用
前言：在一個有限元整體模型中，切割出部分模型，運(yùn)用有限元分析將特定的力學(xué)特性通過模態(tài)表達(dá)、矩陣表達(dá)、傳遞函數(shù)表達(dá)提取出來，這一過程稱為超單元的生成（縮聚）。然后再對整體模型開展分析的時候，用這些表達(dá)來替換切割出來的部分模型。這樣一種操作方法，稱之為超單元法（或子結(jié)構(gòu)法）。或者叫直接矩陣輸入法。這些表達(dá)就是所謂的超單元。而整體模型除去超單元的部分稱為殘余結(jié)構(gòu)。
超單元一個最有意義的用處便是大幅降低計算花費(fèi)，提升分析效率。利用有限的計算資源完成計算更為龐大的分析。超單元可以大幅降低整體模型的自由度，所以計算量相對更低，可以用來做一些更為復(fù)雜的分析。
尤其是對于多學(xué)科優(yōu)化及輕量化優(yōu)化分析時，有效地規(guī)劃計算資源的使用可以大大提升優(yōu)化效率。對于多學(xué)科優(yōu)化時，無論是直接優(yōu)化還是使用代理模型優(yōu)化都需要大量的計算。這就對計算資源提出了更高的要求。而使用超單元法則會大大提高計算效率。
之前，介紹了超單元法在NVH分析中的應(yīng)用。即在副車架多學(xué)科輕量化優(yōu)化時安裝點動剛度時便使用了超單元法。求解器使用了Optistruct。
鏈接：超單元法在多學(xué)科優(yōu)化分析中的應(yīng)用
本文介紹一下ABAQUS超單元法（子結(jié)構(gòu)法）在優(yōu)化分析及輕量化優(yōu)化分析中的應(yīng)用。
ABAQUS中在如下的分析類型中子結(jié)構(gòu)法應(yīng)用沒有任何限制：static、dynamic、frequency、complex frequency、steady state dynamics。而在modal dynamic、Response spectrum、random Response分析中無法進(jìn)行縮減自由度的恢復(fù)。
展開 [轉(zhuǎn)貼]PATRAN和NASTRAN有限元分析專業(yè)教程
內(nèi)容介紹
本書以大量詳盡的分析實例，深入系統(tǒng)地介紹了MSC．Patran和MSC．Nastran軟件的使用方法和技巧。全書共分13章，內(nèi)容涵蓋了MSC． Patran和MSC．Nastran軟件的功能和特點；有限元建模和分析的基本過程；與CAD軟件的接口；線性靜力分析過程；正模態(tài)分析過程；動力學(xué)分析過程；非線性分析過程；熱分析過程；優(yōu)化設(shè)計分析過程；線性與非線性屈曲分析過程；線性循環(huán)對稱分析過程；超單元分析過程等。
本書內(nèi)容全面翔實，對涉及的基礎(chǔ)知識和基本過程表述簡潔清晰，其中的實例典型專業(yè)，適合深入學(xué)習(xí)參考。本書配套光盤提供了所有例子的源程序。
本書可作為廣大工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)使用的參考書，也可作為理工科院校相關(guān)專業(yè)的師生學(xué)習(xí)MSC．Patran 和MSC．Nastran軟件的教材。
展開 Nastran應(yīng)用范圍
NASTRAN多級超單元分析
◆ 線性與非線性分離
◆ 獨(dú)立的超單元單獨(dú)輸出
◆ 線性/非線性靜力
◆ 線性/非線性動力
◆ 線性/非線性熱傳導(dǎo)
◆ 模態(tài)綜合分析(CMS)
◆ 設(shè)計靈敏度/優(yōu)化
NASTRAN多級超單元分析
◆ 自由度縮減(MDOF)
◆ 重復(fù), 鏡相映射, 多層子結(jié)構(gòu)
◆ 用于局部設(shè)計更改
◆ 線性與非線性分離
◆ 獨(dú)立的超單元單獨(dú)輸出
CAE系列軟件介紹_MSC.Nastran
MSC.NASTR AN優(yōu)異的多級超單元分析功能在大型工程項目國際合作中得到了廣泛使用, 如飛機(jī)的發(fā)動機(jī)、 機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼、垂尾、艙門等在最終裝配出廠前可由不同地區(qū)和不同國家分別進(jìn)行設(shè)計和生產(chǎn), 此間每一項目分包商不但可利用超單元功能獨(dú)立進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)分析,而且可通過數(shù)據(jù)通訊 在某一地利用模態(tài)綜合技術(shù)通過計算機(jī)模擬整個飛機(jī)的結(jié)構(gòu)特性。
多級超單元分析是MSC.NASTRAN的主要強(qiáng)項之一, 適用于所有的分析類型, 如線性靜力分 析、 剛體靜力分析、 正則模態(tài)分析、 幾何和材料非線性分析、 響應(yīng)譜分析、 直接特征值、 頻率響應(yīng)、 瞬態(tài)響應(yīng)分析、 模態(tài)特征值、 頻率響應(yīng)、 瞬態(tài)響應(yīng)分析、 模態(tài)綜合分析(混合邊界方法和自由邊界方法)、設(shè)計靈敏度分析、 穩(wěn)態(tài)、 非穩(wěn)態(tài)、 線性、 非線性傳熱分析等。
模態(tài)綜合分析: 模態(tài)綜合分析需要使用超單元,可對每個受到激勵作用的超單元分別進(jìn)行分析, 然后把各個 結(jié)果綜合起來從而獲得整個結(jié)構(gòu)的完整動態(tài)特性。超單元的剛度陣、質(zhì)量陣和載荷陣可以從經(jīng)驗或計算推導(dǎo)而得出。結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)先被截去,而后用靜力柔度或剛度數(shù)據(jù)恢復(fù)。 該分析對大 型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)顯得更有效(需動力學(xué)分析模塊)。
9.高級對稱分析
針對結(jié)構(gòu)的對稱、反對稱、軸對稱或循環(huán)對稱等不同的特點, MSC.NASTRAN提供了不同的 算法。 類似超單元分析, 高級對稱分析可大大壓縮大型結(jié)構(gòu)分析問題的規(guī)模, 提高計算效率。
10. 設(shè)計靈敏度及優(yōu)化分析
設(shè)計優(yōu)化是為滿足特定優(yōu)選目標(biāo)如最小重量、最大第一階固有頻率或最小噪聲級等等的綜合設(shè)計過程。 這些優(yōu)選目標(biāo)稱之為設(shè)計目標(biāo)或目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化實際上含有折衷的含義,例如結(jié)構(gòu)設(shè)計的更輕就要用更少的材料, 但這樣一來結(jié)構(gòu)就會變得脆弱, 因此就要限制結(jié)構(gòu)件在最大許用應(yīng)力下或最小失穩(wěn)載荷下等的外形及尺寸厚度。
展開 MSC.Nastran 簡介
MSC.NASTR AN優(yōu)異的多級超單元分析功能在大型工程項目國際合作中得到了廣泛使用, 如飛機(jī)的發(fā)動機(jī)、機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼、垂尾、艙門等在最終裝配出廠前可由不同地區(qū)和不同國家分別進(jìn)行設(shè)計和生產(chǎn), 此間每一項目分包商不但可利用超單元功能獨(dú)立進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)分析,而且可通過數(shù)據(jù)通訊 在某一地利用模態(tài)綜合技術(shù)通過計算機(jī)模擬整個飛機(jī)的結(jié)構(gòu)特性。
多級超單元分析是MSC.NASTRAN的主要強(qiáng)項之一, 適用于所有的分析類型, 如線性靜力分 析、 剛體靜力分析、 正則模態(tài)分析、幾何和材料非線性分析、 響應(yīng)譜分析、 直接特征值、 頻率響應(yīng)、 瞬態(tài)響應(yīng)分析、 模態(tài)特征值、 頻率響應(yīng)、 瞬態(tài)響應(yīng)分析、模態(tài)綜合分析(混合邊界方法和自由邊界方法)、設(shè)計靈敏度分析、 穩(wěn)態(tài)、 非穩(wěn)態(tài)、 線性、 非線性傳熱分析等。
模態(tài)綜合分析: 模態(tài)綜合分析需要使用超單元,可對每個受到激勵作用的超單元分別進(jìn)行分析, 然后把各個結(jié)果綜合起來從而獲得整個結(jié)構(gòu)的完整動態(tài)特性。超單元的剛度陣、質(zhì)量陣和載荷陣可以從經(jīng)驗或計算推導(dǎo)而得出。結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)先被截去,而后用靜力柔度或剛度數(shù)據(jù)恢復(fù)。 該分析對大 型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)顯得更有效(需動力學(xué)分析模塊)。
9.高級對稱分析
針對結(jié)構(gòu)的對稱、反對稱、軸對稱或循環(huán)對稱等不同的特點, MSC.NASTRAN提供了不同的 算法。 類似超單元分析, 高級對稱分析可大大壓縮大型結(jié)構(gòu)分析問題的規(guī)模, 提高計算效率。
10. 設(shè)計靈敏度及優(yōu)化分析
設(shè)計優(yōu)化是為滿足特定優(yōu)選目標(biāo)如最小重量、最大第一階固有頻率或最小噪聲級等等的綜合設(shè)計過程。這些優(yōu)選目標(biāo)稱之為設(shè)計目標(biāo)或目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化實際上含有折衷的含義,例如結(jié)構(gòu)設(shè)計的更輕就要用更少的材料, 但這樣一來結(jié)構(gòu)就會變得脆弱, 因此就要限制結(jié)構(gòu)件在最大許用應(yīng)力下或最小失穩(wěn)載荷下等的外形及尺寸厚度。
展開 opstruct超單元技術(shù)介紹 ￥10
[圖片]
samcef 二維超單元的導(dǎo)入
通過將復(fù)雜系統(tǒng)中的部分部件應(yīng)用二維轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型的超單元模型代替，可以更有效的對整個系統(tǒng)進(jìn)行高效分析。本案例主要將已完成的超單元結(jié)果導(dǎo)入，應(yīng)用保留節(jié)點與其他部件連接，進(jìn)行整體臨界轉(zhuǎn)速及穩(wěn)定性分析。
通過坎貝爾圖及三維圖像可以進(jìn)一步對系統(tǒng)進(jìn)行分析。具體操作步驟見附件。
samcef 二維轉(zhuǎn)子模型的超單元生成
二維轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型不僅可以用于系統(tǒng)的簡化分析，也可以對其進(jìn)行超單元生成，然后作為次級部件導(dǎo)入其他系統(tǒng)模型中。需要指出的是，超單元生成的計算，沒有任何可以顯示的三維結(jié)果。
通過對本案例的介紹，可以了解到samcef在超單元生成方面的功能，主要包括：
· Howto define 2D rotor geometry in Field (vertex, lines, face)
· Howto define an elastic material
· Howto create a superelement from this 2D geometry
· Howto create a model, and import the superelement in it
· Howdo define a Lumped mass attached to the superelement
· Howdo define a Ground bearing linked to retainednodes of the superelement
· Howdo define locking on translational degrees of freedom of the superelement
· Howto perform a “critical speed” analysis (ROTOR) of the model containing thesuperelement
· Howto examine the results and report them.
How to perform recovery ofthe superelement and see internal modal displacements
附件為本案例的具體操作介紹。
展開 Samcef field超單元生成
在大型復(fù)雜的機(jī)構(gòu)中，為了節(jié)省計算資源，保證計算精度，常需要利用超單元對部件進(jìn)行柔性化。Samcef field中超單元生成的步驟比較簡單，計算完成后也沒有可顯示的計算結(jié)果。有些重要的步驟需要考慮，否則生成的超單元難以與其他部件連接。兩個比較容易忽略的操作步驟是：將連接幾何點設(shè)置為“not a datum”；將連接點在assembly中設(shè)置為“retained nodes”這樣才能與其他部件進(jìn)行連接。
以直驅(qū)風(fēng)機(jī)的底座為例，進(jìn)行了超單元生成的操作，視頻網(wǎng)址：
http://v.youku.com/v_show/id_XOTQ2MDk4MzI0.html
http://pan.baidu.com/s/1ntOfKTF
展開 samcef wind turbines 的超單元生成視頻
這里上傳了SWT高精度建模時，超單元模型的建模方法視頻。主要是在前處理軟件samcef filed中完成的。
步驟文檔見附件。優(yōu)酷視頻：http://v.youku.com/v_show/id_XNzMwMTU4MDE2.html
百度網(wǎng)盤中的高清視頻：http://pan.baidu.com/s/1o6FNSaI
Samcef超單元創(chuàng)建.pdf
NVH超單元介紹與應(yīng)用 直播
歡迎大家本周六12月19日，來聊一聊。更多資訊請關(guān)注公眾號：NVH實用工具與技巧。
