多学科优化中的ABAQUS超单元法（子结构技术）应用

前言：

在一个有限元整体模型中，切割出部分模型，运用有限元分析将特定的力学特性通过模态表达、矩阵表达、传递函数表达提取出来，这一过程称为超单元的生成（缩聚）。然后再对整体模型开展分析的时候，用这些表达来替换切割出来的部分模型。这样一种操作方法，称之为超单元法（或子结构法）。或者叫直接矩阵输入法。这些表达就是所谓的超单元。而整体模型除去超单元的部分称为残余结构。

超单元一个最有意义的用处便是大幅降低计算花费，提升分析效率。利用有限的计算资源完成计算更为庞大的分析。超单元可以大幅降低整体模型的自由度，所以计算量相对更低，可以用来做一些更为复杂的分析。

尤其是对于多学科优化及轻量化优化分析时，有效地规划计算资源的使用可以大大提升优化效率。对于多学科优化时，无论是直接优化还是使用代理模型优化都需要大量的计算。这就对计算资源提出了更高的要求。而使用超单元法则会大大提高计算效率。

之前，介绍了超单元法在NVH分析中的应用。即在副车架多学科轻量化优化时安装点动刚度时便使用了超单元法。求解器使用了Optistruct。

本文介绍一下ABAQUS超单元法（子结构法）在优化分析及轻量化优化分析中的应用。

ABAQUS中在如下的分析类型中子结构法应用没有任何限制：static、dynamic、frequency、complex frequency、steady state dynamics。而在modal dynamic、Response spectrum、random Response分析中无法进行缩减自由度的恢复。

在刚强度CAE分析中，ABAQUS主要用于进行非线性的分析计算，包括抗凹、车门下掉、Slam、拖钩、千斤顶（抱具）等分析。当然还有的用于整车强度分析，整车碰撞分析的。本文以一个千斤顶分析为例介绍ABAQUS超单元法在结构优化分析中的应用。

一.分析计算

边界条件：在前后减震器座4个位置约束1-6自由度

载荷：在千斤顶位置施加集中力

本例中，集中力施加在门槛梁前段下部，在应力衰减范围之外的结构对这个局部位置的应力分布几乎没有影响。因此我们可以将局部位置做为残余结构，即我们用于做优化分析的模型。而把其他位置的结构做为子结构进行缩聚。

用于生成子结构的部分模型。

残余结构，用于我们做优化分析的模型。

二.基础模型和子结构模型结果对比：

可以看到，子结构分析模型的结果精度非常高，误差仅为万分之0.2，且计算时间大大缩短，效率提升了百分之6百。这在大模型优化时是非常可观的。

三.基于子结构模型的优化：

前面提到的子结构结果精度和计算效率的优势不是体现在单次计算分析中，而是体现在优化分析中。

这里只是简单的举个例子，实际项目中会稍复杂一些。这里我们通过优化这个加强筋的位置（局部坐标系下x、y的位置）来让结构的最大应力最小。

这个筋需要找到他自己的位置，才能够发挥最大的作用，而不是认不清自己，摆不正位置。

四.优化流程

本例基于Isight进行优化分析，当然可以直接进行优化分析，DOE分析等等。

分析结果：

从优化结果来看，最大应力降低了24.55%。

注意事项：

1.ABAQUS子结构调用时需要用到子结构结果文件包括：

子结构库文件.sup；子结构数据库文件 .sim ；分析数据库文件mdl和 .stt；部件文件.prt。引用时要保证这些文件都在相应的文件夹下才可以正确运行。通过关键字引用：*ELEMENT, TYPE=Z0001, ELSET=P295;SUBSTRUCTURE_PROPERTY, FILE=substructure；

2.子结构分析生成的结果文件一般都比较大，在基于残余结构模型进行优化分析时需要调用这些结果。因此在选择优化软件时需要考虑文件引用管理，如本文中使用Isight就是可以设置文件位置，即在优化时不需要生成子文件夹，即不需要进行子结构分析结果文件的拷贝复制操作，进一步减少了I/O时间。

总结：

ABAQUS子结构法（超单元法）在进行多学科优化，轻量化优化分析中具有明显的优势，可以大大提升计算效率。

后续还会介绍LS-DYNA子结构法在碰撞优化分析中的应用。

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