超單元法
關注創建者：匿名 創建時間：2021-12-31
超單元法的實例教程
前言：在一個有限元整體模型中，切割出部分模型，運用有限元分析將特定的力學特性通過模態表達、矩陣表達、傳遞函數表達提取出來，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（或子結構法）。或者叫直接矩陣輸入法。這些表達就是所謂的超單元。而整體模型除去超單元的部分稱為殘余結構。
超單元一個最有意義的用處便是大幅降低計算花費，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雜的分析。
尤其是對于多學科優化及輕量化優化分析時，有效地規劃計算資源的使用可以大大提升優化效率。對于多學科優化時，無論是直接優化還是使用代理模型優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分析中的應用。即在副車架多學科輕量化優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：超單元法在多學科優化分析中的應用
本文介紹一下ABAQUS超單元法（子結構法）在優化分析及輕量化優化分析中的應用。
ABAQUS中在如下的分析類型中子結構法應用沒有任何限制：static、dynamic、frequency、complex frequency、steady state dynamics。而在modal dynamic、Response spectrum、random Response分析中無法進行縮減自由度的恢復。
展開 SAMCEF Linear：用于熱機械系統線性有限元分析的通用軟件：
- SAMCEF Asef：線性靜態分析，也允許各類接觸條件和非線性效應建模——例如幾何（預應力）或離心剛化（例如幾何剛化（即初應力剛化）或旋轉引起的動力剛化）
- SAMCEF Dynam：模態動力學分析，包括超元法（包括超單元法）
- SAMCEF Stabi：預測臨界縱向彎曲載荷和相關模式（臨界屈曲載荷和相關模態）
- SAMCEF Repdyn：動力學的瞬態、諧波與地震響應
SAMCEF Thermal：用于非線性穩態和瞬態熱分析的通用軟件，允許耦合傳導、對流和輻射效應的仿真。使用與SAMCEF Mecano一樣的軟件基礎設施，SAMCEF Thermal 也可與MATLAB Simulink相接合,并且事實上也支持熱控應用。
SAMCEF Amaryllis：用于燒蝕和熱裂現象非線性分析的通用軟件，例如有關飛行器再入大氣層的物理學問題。
SAMCEF Spectral：基于功率譜密度的隨機振動和疲勞分析的通用軟件。典型的應用包括基礎載荷的響應（包含地震）、發動機噪聲載荷引起的聲振響應和風致振動響應。
Non-Lineaire.zip
展開 （3）
風機關鍵部件的多體動力學分析
文章首先依據3MW風力發電機組相關參數，對風力發電機組的不同部件采用不同的建模方式，在實體模型的基礎上進行風機關鍵部分的超單元建模，超單元法在風力發電機組中的應用大大縮減了模型的自由度，對機艙底盤和輪轂主軸的超單元模型與有限元的模型模態的進行對比。
搭建整機模型，根據IEC標準進行了風模型創建，工況設計，載荷計算及后處理。在瞬態分析中做了三方面研究：控制器性能檢測研究，風速對載荷的影響研究及自動譜分析。
百度鏈接：http://pan.baidu.com/s/1sjkiyux
展開 2.1命令流方法
（1）用戶程序法
（2）超單元法
（3）Hbmat法
這三種在網絡上都能很輕易的查到其使用的命令流與方法，但前兩種并不推薦大家使用，不過感興趣的朋友可以自行搜索盡可能多的了解一些。在這里我主要給大家介紹的方法是Hbmat法，也是我推薦大家使用的方法。其可以直接導出full文件中的矩陣數據，而通過我下面給大家提供的源代碼便可以直接將導出的質量矩陣與剛度矩陣直接轉化為matlab中可使用變量，實現我們的矩陣提取操作。
Hbmat法：
! 提取剛度矩陣
/AUX2
FILE,'file',full ! 將’file’改為自己路徑下的.full文件名
HBMAT, 'Stiffness_mat', dat, , ASCII, STIFF, YES, YES !剛度矩陣
HBMAT, 'Mass_mat', dat, ,ASCII, MASS, YES, YES ! 質量矩陣
FINISH
成功導出后你會在你的工作路徑中看到儲存在Ansys中的剛度矩陣與質量矩陣。
2.2GUI方法
目前大部分此類教程都忽略了最基本的GUI方法，可能是自動帶入了經驗豐富的工程師角色，但對于初學者而言，GUI方法十分有助于理解與學習有限元軟件，因此我也將介紹提取剛度質量矩陣的GUI方法。
從而我們便能導出所需要的剛度矩陣與質量矩陣源文件了。
展開 Ansys針對這類工程問題提供模態綜合法（CMS）利用超單元，將非關鍵部件進行縮減計算。
本文根據查閱到的網絡資料，對超單元縮減計算如何在Ansys Workbench 中實現，進行了介紹。
示例：
工業設計產品需要模擬工作環境進行振動試驗，產品本身結構已經很復雜，再加上工裝往往是一個更大的結構。因此這類仿真計算非常適合適用子結構技術，將工裝等大模型進行超單元縮減計算，可以顯著提升計算效率。
如下圖所示，產品+工裝進行振動模擬仿真，仿真產品結構模態和端點的振動響應加速度曲線。
結果展示：
使用超單元縮減計算，可以有效完成復雜模型的計算需求。且計算結果基本一致。
詳細步驟：
模型說明：
? 產品由PartA和PartB兩個部分構成，其中PartA兩端夾持部位做了共面處理（驗證連接關系，可以忽略）；
? 各個零件的連接面有一定間隙，使用Bonded MPC Radius 3mm 連接；
? 約束工裝底面 fix；
一：產品+工裝完整模型計算
產品+工裝一起進行模態和5-2000Hz的諧響應仿真，提取前6階模態和軸端點的加速度響應，作為驗證結果與子結構方法進行對比。
1、模態計算
模態計算結果如下所示。
2、模態疊加法，諧響應掃頻計算
諧響應掃頻提取端點加速度響應以及688Hz、1620Hz處的應力云圖如下所示。
二：子結構，超單元縮減工裝進行簡化計算
1、 工裝模型進行超單元縮減
? 首先，由工裝+產品的模態計算模塊，復制一個新的模態計算模塊；
? 在新模態計算模塊中只保留需要縮減為超單元的工裝模型，其余模型均做supress抑制。
展開 
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3、 超單元、模態疊加法進行諧響應掃頻計算
在上一步超單元縮減工裝進行模態計算的基礎上，使用模態疊加法進行諧響應掃頻計算；
將第1步工裝縮減的*.sub文件復制，粘貼至諧響應計算文件夾內；
常規設置，直接計算；
三、如果產品與工裝的分界面是共面位置分開，
2.1命令流方法
（1）用戶程序法
（2）超單元法
（3）Hbmat法
這三種在網絡上都能很輕易的查到其使用的命令流與方法，但前兩種并不推薦大家使用，不過感興趣的朋友可以自行搜索盡可能多的了解一些。在這里我主要給大家介紹的方法是Hbmat法，也是我推薦大家使用的方法。
（圖2）
4、設置超單元內固定界面法模態分析階數，本例為6，完成模型縮聚求解。
5、求解完成后，可以得到子結構固有頻率及振型（圖3），并且可以導出以.cpa為后綴的超單元文件（圖4），本例命名為handle.cpa。
3月3日 | Ansys Mechanical 2022 R1 功能更新——Mechanical NVH 解決方案
簡介：Ansys Mechanical 在2022 R1版本推出了新的NVH工具箱，包含模態置信準則（MAC）計算，試驗模態（UNV）文件調諧，模態動畫對比等功能；推出了全新的子結構（模態綜合法超單元
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之前，介紹了超單元法在NVH分析中的應用。即在副車架多學科輕量化優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：超單元法在多學科優化分析中的應用
本文介紹一下ABAQUS超單元法（子結構法）在優化分析及輕量化優化分析中的應用。
（3）
風機關鍵部件的多體動力學分析
文章首先依據3MW風力發電機組相關參數，對風力發電機組的不同部件采用不同的建模方式，在實體模型的基礎上進行風機關鍵部分的超單元建模，超單元法在風力發電機組中的應用大大縮減了模型的自由度，對機艙底盤和輪轂主軸的超單元模型與有限元的模型模態的進行對比。
搭建整機模型，根據IEC標準進行了風模型創建，工況設計，載荷計算及后處理。
SAMCEF Linear：用于熱機械系統線性有限元分析的通用軟件：
- SAMCEF Asef：線性靜態分析，也允許各類接觸條件和非線性效應建模——例如幾何（預應力）或離心剛化（例如幾何剛化（即初應力剛化）或旋轉引起的動力剛化）
- SAMCEF Dynam：模態動力學分析，包括超元法（包括超單元法）
- SAMCEF Stabi：預測臨界縱向彎曲載荷和相關模式（臨界屈曲載荷和相關模態
