子模型
關(guān)注創(chuàng)建者：葉德全 創(chuàng)建時間：2018-12-24
子模型的視頻教程
ABAQUS子結(jié)構(gòu)和子模型綜合網(wǎng)課(結(jié)構(gòu)多尺度)
ABAQUS子結(jié)構(gòu)和子模型綜合網(wǎng)課(結(jié)構(gòu)多尺度) 1. abaqus子結(jié)構(gòu)和子模型區(qū)別和聯(lián)系、概念等入門介紹；? 2. 四腿桌子結(jié)構(gòu)創(chuàng)建分析、草圖繪制技巧（幾何約束、標(biāo)注編輯修改）、子結(jié)構(gòu)裝配到整體模型并設(shè)置輸出、子結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)接觸面tie操作、子結(jié)構(gòu)與整體模型odb合并、以及子結(jié)構(gòu)模型與整體結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果對比驗(yàn)證；? 3.
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子模型方法在Abaqus軟件中的應(yīng)用
子模型是得到模型部分區(qū)域中更加精確解的有限單元技術(shù)。本課程step by step講解了子模型方法在Abaqus軟件中的應(yīng)用。子模型技術(shù)能夠在增加較小工作量的情況下，獲得模型關(guān)注區(qū)域更加精確的計(jì)算結(jié)果，所以，在進(jìn)行仿真分析時，應(yīng)該擅用子模型技術(shù)，以更加高效地完成仿真計(jì)算。
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子模型的實(shí)例教程
02
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子模型
鋼架分析模型
如果已經(jīng)完成了一個結(jié)構(gòu)分析，想要用更精細(xì)化的模型來研究該結(jié)構(gòu)的局部響應(yīng)，那么我們可以使用子模型分析技術(shù)來完成這個想法。
子模型是整體模型的局部區(qū)域，它可以具有更精細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)或網(wǎng)格劃分，通過將整體分析中截?cái)嗝嫔系妮d荷或位移傳遞給子模型邊界的方法，來驅(qū)動子模型進(jìn)行分析。
子模型使用不同的單元并增加了8顆螺栓
在此鋼架分析的案例中，整體模型中沒考慮細(xì)節(jié)連接形式，采用了比較粗糙的S4R殼單元，而在子模型里我們采用精細(xì)化的幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格，將螺栓連接考慮在內(nèi)，單元類型都采用C3D8I實(shí)體單元，子模型的第一個分析步施加螺栓預(yù)緊力，第二個分析步施加子模型邊界驅(qū)動。
子模型邊界驅(qū)動方式分為基于節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動（通過Load模塊BC-Submodel設(shè)置）和基于面的驅(qū)動（通過Load模塊Load-Submodel設(shè)置）。相較于整體模型，局部（子模型區(qū)域）剛度變化較大時宜采用基于面的驅(qū)動，但它只支持實(shí)體-實(shí)體單元，且僅在靜力學(xué)分析中可以使用；基于節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動使用范圍較廣，支持多種單元類型之間的驅(qū)動，其中就包括此鋼架分析中使用的殼-實(shí)體單元，并且可以在Standard/Explicit之間的相互驅(qū)動；同一個子模型中兩種驅(qū)動方式可以混合使用。
展開 本說明書首次提出了基于子模型和全局模型技術(shù)的微動疲勞有限元模擬方法，并利用晶體塑性有限元方法模擬了pad和軸向體應(yīng)力作用下specimen的微動疲勞過程，并根據(jù)等效塑性應(yīng)變分布云圖識別出模型內(nèi)部和接觸表面最先發(fā)生起裂的薄弱部位。我們所提出的方法考慮了試樣晶粒尺寸、形態(tài)和組構(gòu)等細(xì)觀特征，克服了宏-細(xì)觀尺度耦合問題，可從物理層面分析試樣的微動疲勞特征并預(yù)測其初始起裂壽命。
本計(jì)算任務(wù)書主要說明了利用Abaqus軟件完成的300次循環(huán)加載的微動疲勞模擬結(jié)果。
2 仿真計(jì)算采用的設(shè)備基本情況（CPU、內(nèi)存等）
計(jì)算采用移動工作站Dell Precision 7550，CPU為至強(qiáng)W-10885M四核處理器；內(nèi)存為128GB。
3 計(jì)算模型的處理技術(shù)
（1）子模型-全局模型耦合技術(shù)
（2）晶體塑性有限元模擬技術(shù)
圖1 計(jì)算模型設(shè)計(jì)（a為接觸半寬）
計(jì)算模型采用了子模型-全局模型耦合技術(shù)。模型尺寸如圖1所示。
子模型微動疲勞模擬技術(shù)可歸納為如下步驟：(a)第一步，分別建立粗網(wǎng)格全局模型和局部區(qū)域細(xì)化的子模型，并沿子模型邊界部位切割全局模型；(b)第二步，對宏觀全局模型進(jìn)行微動疲勞分析，并保存子模型邊界附近的分析結(jié)果；(c)第三步，定義子模型邊界，設(shè)置各個分析步中的驅(qū)動變量(driven variables)，并對細(xì)觀子模型進(jìn)行微動疲勞分析；(d)第四步，比較全局模型和子模型在子模型邊界附近的分析結(jié)果，驗(yàn)證子模型設(shè)置的有效性。
4 方法計(jì)算的機(jī)時耗費(fèi)情況
計(jì)算耗費(fèi)時間約20個小時。
5仿真計(jì)算的結(jié)果分析
圖2 豎向荷載作用下，試驗(yàn)的(a)全局模型, (b)子模型區(qū)域范圍內(nèi)的全局模型, (c)子模型Mises應(yīng)力云圖和(d) 底部邊界應(yīng)力曲線。
展開 子模型是整體模型的局部區(qū)域，它可以具有更精細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)或網(wǎng)格劃分，通過將整體分析中截?cái)嗝嫔系妮d荷或位移傳遞給子模型邊界的方法，來驅(qū)動子模型進(jìn)行分析。
子模型使用不同的單元并增加了8顆螺栓
在此鋼架分析的案例中，整體模型中沒考慮細(xì)節(jié)連接形式，采用了比較粗糙的S4R殼單元，而在子模型里我們采用精細(xì)化的幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格，將螺栓連接考慮在內(nèi)，單元類型都采用C3D8I實(shí)體單元，子模型的第一個分析步施加螺栓預(yù)緊力，第二個分析步施加子模型邊界驅(qū)動。
子模型邊界驅(qū)動方式分為基于節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動（通過Load模塊BC-Submodel設(shè)置）和基于面的驅(qū)動（通過Load模塊Load-Submodel設(shè)置）。相較于整體模型，局部（子模型區(qū)域）剛度變化較大時宜采用基于面的驅(qū)動，但它只支持實(shí)體-實(shí)體單元，且僅在靜力學(xué)分析中可以使用；基于節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動使用范圍較廣，支持多種單元類型之間的驅(qū)動，其中就包括此鋼架分析中使用的殼-實(shí)體單元，并且可以在Standard/Explicit之間的相互驅(qū)動；同一個子模型中兩種驅(qū)動方式可以混合使用。
多圖層顯示計(jì)算結(jié)果
同一圖層顯示整體模型和子模型來檢查驅(qū)動邊界
子模型位移云圖和螺栓應(yīng)力
子模型支持多層級分析，即一個子模型可以作為后續(xù)子模型的整體模型來使用，所以這個技術(shù)在跨尺度分析中也會用到；另外，我們知道，因邊界條件的不確定性導(dǎo)致的誤差是有限元分析里最主要的、最難搞定的一類誤差，而子模型由于具有邊界驅(qū)動的優(yōu)勢，也常出現(xiàn)在高精度有限元仿真中，用來克服邊界誤差。
展開 子模型是在全局模型分析結(jié)果的基礎(chǔ)上研究局部模型的方法。通過初始的全局模型分析計(jì)算來確定在激勵載荷作用下的最大響應(yīng)區(qū)域，子模型方法不需要細(xì)化或重分析整體模型，只需截取局部關(guān)注區(qū)域模型并細(xì)化其網(wǎng)格從而提高分析精度。即采用粗網(wǎng)格模型得到局部關(guān)注區(qū)域周圍的結(jié)果，采用局部區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化得到局部分析結(jié)果。如下圖所示。
子模型方法是基于Saint-Venant's 定理，要求子模型邊界足夠遠(yuǎn)離子模型響應(yīng)的關(guān)注區(qū)域。因?yàn)榻?em>子模型時沒有一個明確的限制來保證結(jié)果有意義，因此需要用戶自己判斷子模型建立的正確性。如何判斷子模型建立的正確性，一般的方法是查看子模型邊界附近的結(jié)果變量值及云圖變化與全局模型是否一致，如果結(jié)果一致，則認(rèn)為該子模型是有效的。
Abaqus提供兩種子模型技術(shù)：基于節(jié)點(diǎn)的子模型技術(shù)與基于面的子模型技術(shù)。基于節(jié)點(diǎn)的子模型技術(shù)是使用全局模型節(jié)點(diǎn)位移結(jié)果場插值到子模型邊界節(jié)點(diǎn)的技術(shù)，它能夠得到相對更精確的位移結(jié)果，適用于任何分析類型；基于面的子模型技術(shù)是使用應(yīng)力場值到子模型邊界處的表面積分點(diǎn)上，這種子模型技術(shù)能夠得到相對更精確的應(yīng)力結(jié)果，但其只能應(yīng)用于體網(wǎng)格模型和靜態(tài)分析中。
子模型法分析流程：
1、定義問題；
2、運(yùn)行全局模型，確定驅(qū)動子模型的變量輸出；
3、檢查全局模型結(jié)果，特別要注意用于驅(qū)動子模型的區(qū)域周圍不能出現(xiàn)局部不合理現(xiàn)象；
4、定義子模型；
5、根據(jù)全局模型的載荷加載子模型的載荷；
6、應(yīng)用子模型邊界條件；
7、需要時定義慣性釋放；
8、運(yùn)行子模型分析；
9、查看子模型結(jié)果。
展開 子模型（Submodel）分析技術(shù)，可以在全局模型（Globalmodel）分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，使用細(xì)化網(wǎng)格對模型的局部作進(jìn)一步分析，從而以較小的計(jì)算代價得到更精確的結(jié)果。
子結(jié)構(gòu)（Substructure）分析技術(shù)。在Abaqus中還可以使用子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，它在名稱上與子模型很相似，但含義卻完全不同，從某種意義上來說，二者代表的是相反的過程。子模型是在全局模型的基礎(chǔ)上，對局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，作進(jìn)一步分析；子結(jié)構(gòu)是將模型的局部作為一個整體來處理，縮聚其內(nèi)部自由度，只保留與外部有連接關(guān)系的自由度，從而減小剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的規(guī)模和計(jì)算量。子結(jié)構(gòu)往往用于具有相同特征和性質(zhì)的重復(fù)性局部結(jié)構(gòu)。
1.子模型分析的幾個基本概念
1）子模型邊界（Submodel boundary）。子模型是從全局模型上切下來的一部分，子模型邊界是指將子模型從全局模型切下來的分割面。
2）驅(qū)動變量（Driven variable）。一般是位移。全局模型在子模型上的位移結(jié)果，被作為邊界條件來引入子模型。如果全局模型和子模型在子模型邊界上的節(jié)點(diǎn)分布不同，Abaqus會對全局模型在此處的位移結(jié)果進(jìn)行插值處理。
3）原來作用在全局模型上的邊界條件、載荷、接觸和約束，如果是位于子模型區(qū)域之內(nèi)的，則在子模型中要保持不變；如果位于子模型區(qū)域之外，則在子模型中不再出現(xiàn)。
4）一種容易產(chǎn)生的想法是：能不能去掉所有邊界條件、載荷、接觸和約束，而把整個子模型的所有邊界都定義為子模型邊界，直接讀入全局模型在相應(yīng)部位的位移結(jié)果？這種做法的問題在于，全局模型的網(wǎng)格較粗糙，其位移結(jié)果并不能精確地代替子模型中的邊界條件、載荷、接觸和約束。因此，子模型邊界不能隨意設(shè)定。
5）全局模型在子模型邊界上的位移結(jié)果是否準(zhǔn)確，會在很大程度上影響子模型分析結(jié)果精度。
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子模型的最新內(nèi)容
利用子模型在局部區(qū)域高效獲得高精度應(yīng)力結(jié)果。
</p><p><br></p><p>劃分網(wǎng)格，定義子步，求解模型。瓷材料的溫度分布如圖 5 所示。
- 使用程序包、子模型與可復(fù)用組件組織復(fù)雜項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展建模。
- 運(yùn)用數(shù)組、自定義單位、模型擴(kuò)展等 OpenModelica 高級功能，簡化大型系統(tǒng)建模。
- 搭建并仿真多電池堆、多堆疊系統(tǒng)，還原真實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行特性。
- 通過原理圖/圖標(biāo)視圖可視化模型，定義連接器，保證組件間交互清晰。
迭代效率：對復(fù)雜模型使用子結(jié)構(gòu)法（SUBSTEP）加速計(jì)算。
4. 結(jié)果穩(wěn)健性：進(jìn)行厚度公差分析（±0.2mm擾動驗(yàn)證性能穩(wěn)定性）。
通過以上流程，OptiStruct可在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下實(shí)現(xiàn)電池包殼體的高效減重。建議優(yōu)先優(yōu)化對質(zhì)量敏感度高且應(yīng)力裕度大的區(qū)域，對高應(yīng)力區(qū)域保留厚度余量。
最后，歡迎大家通過公眾號“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)
使用工具：Ansys Workbench, Ansys Mechanical
最終成果
基于Ansys 軟件，采用子模型與生死單元技術(shù)，對IGBT器件在功率循環(huán)工況下進(jìn)行多物理場仿真，并通過相關(guān)理論評價關(guān)鍵結(jié)構(gòu)可靠性。結(jié)果表明，基于能量的Darveaux模型進(jìn)行分析更加符合功率器件主端子結(jié)構(gòu)焊層的退化過程。
Embedded模型
本構(gòu)模型與子程序
纖維是橫觀各向同性，樹脂是各向同性的。因此我們需要在子程序中分別定義兩者的本構(gòu)。
Scanian 公司在NAFEMS 會議上，總結(jié)了應(yīng)用 SimManager 系統(tǒng)的收益，包括：多體模型迭代優(yōu)化歷程的管理、模型（子模型）與仿真結(jié)果的關(guān)聯(lián)和譜系追溯、模型一致性和質(zhì)量提高、命名規(guī)則、仿真自動化等。
文獻(xiàn)一：《Gradient plasticity in gradient nano-grained metals》
文獻(xiàn)二：《Grain rotations during uniaxial deformation of gradient nano-grained metals using crystal plasticity finite element simulations》
推薦理由
初篩模型時，我們基于預(yù)測場景選取了貝葉斯、隨機(jī)森林和深度學(xué)習(xí)等模型，發(fā)現(xiàn)貝葉斯模型的調(diào)優(yōu)效果較好，后續(xù)便基于貝葉斯算法對算子和模型參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。
在建模細(xì)節(jié)方面，考慮到數(shù)據(jù)分布不平衡的情況，我們從數(shù)據(jù)和算法層面進(jìn)行調(diào)整。在數(shù)據(jù)層面，采用采樣技術(shù)調(diào)節(jié)OK和NG樣本的占比；在算法層面，運(yùn)用代價敏感學(xué)習(xí)賦予懲罰系數(shù)，以調(diào)控漏放率。
初篩模型時，我們基于預(yù)測場景選取了貝葉斯、隨機(jī)森林和深度學(xué)習(xí)等模型，發(fā)現(xiàn)貝葉斯模型的調(diào)優(yōu)效果較好，后續(xù)便基于貝葉斯算法對算子和模型參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。
在建模細(xì)節(jié)方面，考慮到數(shù)據(jù)分布不平衡的情況，我們從數(shù)據(jù)和算法層面進(jìn)行調(diào)整。在數(shù)據(jù)層面，采用采樣技術(shù)調(diào)節(jié)OK和NG樣本的占比；在算法層面，運(yùn)用代價敏感學(xué)習(xí)賦予懲罰系數(shù)，以調(diào)控漏放率。
