Ansys子模型与子结构技术探索

我们做仿真分析的时候，经常遇到实际工程模型比教程的案例要复杂得多，划分的网格规模也比较大等问题。为了得到比较准确可靠的分析结果，常常需要划分比较小的网格尺寸，但这样又极大地增加了计算量。

一般来说，有经验的工程师都是通过全局大尺寸网格、局部重点部位细化网格的方式来平衡精度与计算效率。那有没有其它好用的方法能达到更好的精度与计算时间的平衡呢？

有，相信仿真经验丰富的工程师都听过或者用过子模型，也就是将模型中关注的局部位置切割后细化网格分析。今天我们先介绍一下Ansys Mechanical分析中子模型方法的操作流程，以及另外一个提高计算速度的方法——子结构（CMS）。

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子模型设置方法

子模型方法是基于圣维南原理进行的。

圣维南原理（Saint Venant’s Principle）是弹性力学的基础性原理，是法国力学家 圣维南于1855年提出的。其内容是：分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。

（图片来源：搜狗百科）

子模型法通过使用全模型在子模型切割处的状态作为子模型的边界条件，进而只在子模型上进行更小尺寸网格的计算。根据圣维南原理，我们切割子模型的边界距离所关心部位足够远的时候，子模型分析结果与全模型细化网格得到结果基本一致。

Ansys Mechanical实际上使用的是映射的方式（Imported Load or Constraint），将全模型分析的结果映射到指定表面（子模型切割面）。实际上，即使映射面是另一个完全无关的几何也可以，但这样就没有实际意义了。

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子结构

Component Mode Synthesis, CMS

使用局部零件的等效质量，刚度，和阻尼矩阵特征的单个超单元来替代模型。子结构可以组装在一起，形成更复杂的系统级模型，而不增加过多的自由度，有更少的自由度，节省计算时间。

Ansys Mechanical 中设置比较简单，在model中启用CMS功能，然后插入CMS部件，选择欲定义的零件（与其它零件的接触关系需提前定义好），然后通过自检测CMS部件与相邻零件的作用面和生成功能自动完成定义。

这样模型在计算的时候，CMS只会以一个超单元参与计算，极大减少计算规模。但我们也要知道，比较简单快速的计算用这种方法，反而会由于生成CMS计算矩阵的时间拖慢计算速度。只有在由于网格规模比较大而导致的计算时间过长的案例中才会起到明显加速效果。

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