ANSYS子结构分析启航：从开洞板讲起的教学篇章

子结构内容说来话长，也不可能通过这一期的内容就将其说明白，所以今天我们就简单的从一个开洞板的计算说起，后面几期我们在好好从里到外说说子结构。
 

有下面一块钢板，长500mm，宽200mm，厚10mm，中间开洞直径为10mm，左侧固结，右侧受均布受拉10KN/m，采用子结构技术分析该钢板在开孔处的应力分布情况。

什么是子结构？要详细阐述就说来话长了，但既然有一个子字，就可以理解为有一个从属的概念，若我们只关心钢板在右侧均布线荷载作用下的总横向位移，为了节省计算资源，在开洞处的网格划分就可以略为粗糙一点，对右端位移影响不大；但若是我们关心开洞处的应力情况，则需要对开洞处进行网格细分，当然这个模型比较简单，可以在初始状态下就对开洞处进行网格细分，但若这个模型比较复杂，过分的网格细分则会与整体网格划分不协调，占用大量计算资源。
 

子结构技术可理解为一个类似CAD当中的块，将我们需要局部关心的地方做成一个超单元，利用各个超单元与非超单元组装成整体模型计算，最后整体模型求解完成之后，通过超单元与非超单元共同界面的结果映射到单个超单元里面，对单个模块进行求解，通过这种方式，极大的简化了运算，同时误差也在可控范围之内。
 

一般来讲，子结构分析分三步走：
 

1）超单元的生成
 
这一步的操作也即超单元的定义，将我们关心的区域分割出来，定义成超单元，超单元通过定义主自由度来与外部其他单元连接。
 

主自由度是建立超单元的主要难点，其主要特点在于需要保证超单元与非超单元的节点重合，有两种方法可以实现，一种是使用相同的节点编号，这个需要建立统一的模型，另一种是通过节点的耦合来完成，个人推荐使用节点耦合。

2）超单元的使用
 

这一步也即组装求解，定义好超单元后，将其余其他外部非超单元进行连接并整体求解。
 

3）超单元的扩展
 

求解完毕后，通过超单元与非超单元共同界面的结果映射，计算超单元内部凝聚单元的结果，也即最后我们关心区域的结果。
 

下面以开洞板为例详细说明操作流程。
 

本例我们关心的是开洞区域的应力集中情况，因而我们将洞口中心100mm范围内的单元凝聚成超单元。
 

一、建立超单元
 

文件命名为S_1，采用壳单元shell181模拟。
 

1）首先建立中间板开洞100mm范围内的物理模型

2）局部加密，进行网格划分
 
注意此步中，为了让超单元的主自由度与外部节点相重合，需要对两侧直线指定划分段数以方便后期耦合。

3）进入求解模块，定义分析类型为子结构，定义两侧节点为主节点，约束自由度选择全部，求解，并保存为S_1.db。

  二、使用超单元
 

上面建立超单元后，下面便建立其他非超单元，然后组装求解。
 

1）新建文件，文件名为S_2，建立两侧几何模型

2）指定与超单元两侧重合边界线的划分段数，划分网格。

3）新增单元类型为matrix50,此单元为超单元专用单元。

4）加载超单元，加载成功后，超单元会以外框的形式显示。

5）耦合超单元主自由度与外部单元连接处节点，整体模型组装完毕。

6）对整体模型进行约束，加载并求解。

7）查看非超单元计算结果

结构米塞斯应力分布

结构X方向位移

三、扩展超单元，查看内部凝聚单元结果
 

1、新建立文件，命名为S_1，Resume。

2、进入求解层，将Expass打开。

3、在图示路径中分别写入超单元的文件名以及主体结构的文件名。

4、求解映射结果。

5、查看超单元内部单元结果。
 
超单元X方向位移云图

超单元米塞斯应力云图

最后附上同样划分方式，整体计算结果云图：
 

整体计算X方向应力云图

整体计算米塞斯应力云图

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