簡單來說，子模型法是對感興趣的區(qū)域進行放大，對網(wǎng)格進行細化，并采用位移或者力從整體模型的結(jié)果傳遞到子模型中。子結(jié)構(gòu)法是將整體模型中的同類部件或者區(qū)域進行打包封裝。

目錄1 子模型法1.1 子模型法的分類1.2 子模型法應(yīng)用考慮因素1.3 子模型法關(guān)鍵技術(shù)1.3.1 單元選擇1.3.2 驅(qū)動變量1.3.3 鏈接整體模型和子模型1.4 仿真過程1.4.1 問題描述1.4.2 整體分析1.4.3 基于面的子模型法1.4.3 基于節(jié)點的子模型法2 子結(jié)構(gòu)法2.1 為什么使用子結(jié)構(gòu)2.2 子結(jié)構(gòu)應(yīng)用類型參考資料

1 子模型法

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)。在有限元分析中往往出現(xiàn)這種情況，即對于用戶關(guān)心的區(qū)域，如應(yīng)力集中區(qū)域，網(wǎng)格太疏不能得到滿意的結(jié)果，而對于這些區(qū)域之外的部分，網(wǎng)格密度已經(jīng)足夠了。要得到這些關(guān)注區(qū)域的精確的解，可以采取兩種辦法：(a)用較細的網(wǎng)格重新劃分并分析整個模型；（b)只在關(guān)心的區(qū)域細化網(wǎng)格并對其分析 ，顯而易見，方法a太耗費機時，方法b即為子模型技術(shù)。
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)格細化得到局部分析結(jié)果。
Abaqus中可以非常通用的添加子模型，為子模型定義的材料響應(yīng)可以不同于整體模型定義的材料響應(yīng)。
Abaqus提供兩種子模型技術(shù)：基于節(jié)點的子模型技術(shù)與基于面的子模型技術(shù)。
子模型法是基于Saint-Venant's 定理，要求子模型邊界足夠遠離子模型響應(yīng)的關(guān)注區(qū)域。因為建立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，則認為該子模型是有效的。

1.1 子模型法的分類

基于節(jié)點的子模型：使用全局模型節(jié)點位移結(jié)果場（包括位移、溫度等）插值到子模型邊界節(jié)點的技術(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)：將整體模型的結(jié)果插值到受驅(qū)動的基于單元的面片上的子模型積分點。
可使用線性和非線性分析過程的組合，不能用于一個導(dǎo)入的分析。

1.2 子模型法應(yīng)用考慮因素

基于面的子模型僅對于實體模型和靜態(tài)分析是可用的
整體模型剛度與子模型剛度相當(dāng)時，兩種方法的計算結(jié)果相當(dāng)；當(dāng)剛度相差較大時，通常基于面的子模型具有更加精確的應(yīng)力結(jié)果。
基于點的子模型可對模型的大變形和轉(zhuǎn)動進行更加精確的傳遞。
整體模型的位移與期望的子模型中位移密切對應(yīng)時，基于節(jié)點的子模型通常是優(yōu)先的；當(dāng)子模型的位移響應(yīng)不同于整體模型時，應(yīng)使用基于面的子模型。（當(dāng)模擬熱-應(yīng)變分析時，并且子模型的溫度變化過程不同于整體模型時，可發(fā)生此種情況。例如，當(dāng)熱傳到子模型做為順序熱-結(jié)構(gòu)分析的一部分來執(zhí)行時。）
基于面的子模型可以為剛度很大的結(jié)構(gòu)提供更加精確的結(jié)果。
基于節(jié)點的子模型將產(chǎn)生一個位移場更加精確的傳輸；而就面的子模型將纏身各一個更加精確的應(yīng)力場。
子模型不能參考一個包含多個載荷工況的整體模擬步，必須為將要驅(qū)動的子模型步使用一個單獨的載荷定義，以執(zhí)行整體分析。
子模型的維度必須和整體模型的維度保持一致

1.3 子模型法關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 單元選擇

基于節(jié)點的子模型法：

二維模型
實體-實體
聲學(xué)-結(jié)構(gòu)
三維模型
實體-實體
殼-殼
膜-膜
殼-實體
聲學(xué)-結(jié)構(gòu)

基于面的子模型法

二維模型
實體-實體
三維模型
實體-實體
注意：不支持圓柱形單元和連續(xù)的殼單元

1.3.2 驅(qū)動變量

基于節(jié)點的位移做為驅(qū)動變量進行插值（較為常用）到子模型的邊界
基于面的應(yīng)力作為驅(qū)動，使用應(yīng)力場去插值子模型邊界單元的高斯積分點處的應(yīng)力

1.3.3 鏈接整體模型和子模型

子模型是做為整體分析的一個單獨分析來運行的。子模型與整體模型之間的鏈接是將整體分析中保存的變量的時間相關(guān)值傳遞到子模型的相關(guān)邊界節(jié)點上，或者傳遞到相關(guān)的邊界面上。此傳遞是通過將來自整體模型的結(jié)果，為基于節(jié)點的子模型保存到結(jié)果文件（.fil）中，或者保存到輸出數(shù)據(jù)文件（.odb）中，或者為基于應(yīng)力的子模型保存到輸出數(shù)據(jù)庫文件（.odb）中，然后將這些結(jié)果讀入子模型中分析。

1.4 仿真過程

1.4.1 問題描述

有一長條狀的鋼條，中間被鉆了一個直徑5mm的孔，試分析在左端固定，有端拉力500Pa狀態(tài)下，孔周圍的受力狀態(tài)。采用子模型的方法。
彈性模量： 2.1E11 Pa
泊松比： 0.27
密度： 7800 kg/m3
屈服強度： 2.35E8 Pa

建立幾何模型和材料賦值的過程省略。
先進行全域分析，然后進行子模型分析。

1.4.2 整體分析

網(wǎng)格劃分
由于該模型不能直接進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，需要對其進行分割，分割策略如下圖所示，設(shè)置全局種子為1，進行網(wǎng)格劃分。

載荷邊界設(shè)置
左端（-X端）固定，約束其X、Y、Z方向移動的自由度，在右端（+X端）施加500Pa的拉力。

結(jié)果
其它情況默認，提交仿真獲得的應(yīng)力云圖如下圖所示。

1.4.3 基于面的子模型法

子模型創(chuàng)建
將上述的模型直接復(fù)制，生成子模型【Mode-2】，在左側(cè)樹狀圖中右鍵【Model-2】，在彈出的菜單中選擇【Edit Attributes...】，在彈出的界面中選擇【Submodel】，在【Read data from job:】后面輸入整體模型的結(jié)果文件，此處為 “H:AbaqusSubModelJob-1.odb”，如下圖所示。（創(chuàng)建子模型并鏈接整體模型）

幾何建模
取孔周圍的一部分實體做為子模型，將復(fù)制過后的模型通過布爾運算，除去兩端的部分，得到的圖形如下圖所示。材料設(shè)置和復(fù)制與整體模型保持一致。

定義子模型驅(qū)動面
點擊【Create Load】圖標(biāo)，在彈出的窗口選擇【Category--Other】，在【Types for Selected Step】中選擇【Submodel】，點擊按鈕【Continue】；

然后選擇子模型的周邊的四個面（分割后八個面）作為驅(qū)動子模型的驅(qū)動面。（在任何步中，通過應(yīng)力驅(qū)動的子模型的所有面，必須制定為驅(qū)動面，因為面的列表不能在它的初始定義之后進行擴展）

定義幾何容差
當(dāng)在整體中對面進行插值時，使用一個幾何容差來定義子模型中單元的驅(qū)動面節(jié)點可以位于整體模型未變形的有限元模型外表面之外。默認情況下，子模型中的面節(jié)點，必須位于位于0.05倍整體模型中的平均單元大小距離之內(nèi)。

指定步編號
指定整體模型歷史的步，用于驅(qū)動當(dāng)前子模型分析步驟的驅(qū)動變量

設(shè)置慣性釋放
點擊【Create Load】圖標(biāo)，在彈出的窗口選擇【Category--Mechanical】，在【Types for Selected Step】中選擇【Inertia relief】，點擊按鈕【Continue】，選擇默認選項，點擊確定。

結(jié)果
在求解之前，可以將求解精度設(shè)置為Full
設(shè)置其它必要的選項，然后提交求解，結(jié)果如下圖所示。

1.4.3 基于節(jié)點的子模型法

子模型創(chuàng)建
將Model-2進行復(fù)制，創(chuàng)建Model-3模型。
由于是從Model-2復(fù)制的，所以該模型已經(jīng)參考了整體模型的結(jié)果。

定義子模型中的驅(qū)動節(jié)點
刪除Model-3中的載荷，其它內(nèi)容不變。

指定驅(qū)動節(jié)點并不激活驅(qū)動變量，他們必須通過指定合適的子模型邊界條件來激活。
在任何步中必須將驅(qū)動變量的子模型中的所有節(jié)點指定為驅(qū)動節(jié)點，因為節(jié)點的列表不能在初始定義之后進行拓展。
方法： 在載荷（Load）模塊，電機【Create Boundary Condition】，在【Category】中選擇【Other】，在【Types for Selected Step】中選擇【Submodel】，然后點擊確定；仍然選擇上述四個面（分割后是八個面）作為驅(qū)動節(jié)點；在彈出的界面中，容差（Relative）保持默認值，自由度（Degrees of freedom）為子模型需要繼承整體模型的節(jié)點自由度，這里填寫“1,2,3”三個方向。整體模型中的分析步填寫1，設(shè)置界面如下圖所示。

結(jié)果
創(chuàng)建分析步并求解，應(yīng)力分析結(jié)果如下圖所示。

模型文件地址如下：
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1-wtmiWmnyP35vpVE-FVzvw
提取碼：ttbh

2 子結(jié)構(gòu)法

子結(jié)構(gòu)分析是一種用于簡化計算時間的方法。當(dāng)結(jié)構(gòu)中某些部分為重復(fù)結(jié)構(gòu)時，可以將其最小單元做為一個子結(jié)構(gòu)單元，在實際分析時重復(fù)利用該單元。其另一種應(yīng)用方法為，當(dāng)對整體結(jié)構(gòu)中的某微小部分進行局部設(shè)計時，可以見結(jié)構(gòu)不變的部分做為一個子結(jié)構(gòu)單元，在進行局部設(shè)計分析時也可重復(fù)利用該單元。
子結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)原理是將一組通過分塊求解的方法把內(nèi)部自由度消除，有時也稱自由度凝聚。這樣僅需對子結(jié)構(gòu)進行一次剛度求解，對于重復(fù)次數(shù)較多的模型可以節(jié)約大量的計算時間。
通過保留節(jié)點上的保留自由度來與模型剩下的部分進行連接。
Abaqus/CAE是不支持子結(jié)構(gòu)的

2.1 為什么使用子結(jié)構(gòu)

計算優(yōu)勢

做為子結(jié)構(gòu)結(jié)果的剛度矩陣（剛度，質(zhì)量）較小。
當(dāng)多次使用相同的子結(jié)構(gòu)時，效率得到提升。
子結(jié)構(gòu)化可以隔離子結(jié)構(gòu)以外的可能的外部變化，以解決分析過程時間。
在具有局部非線性的問題中，子結(jié)構(gòu)將模型縮聚到只有在局部非線性中包含的自由度，則可以在一個非常低的自由度數(shù)量實現(xiàn)這些局部非線性的迭代。

組織優(yōu)勢

子結(jié)構(gòu)為復(fù)雜分析系統(tǒng)了一個系統(tǒng)的解決方法。
子結(jié)構(gòu)庫允許分析間共享子結(jié)構(gòu)。
許多實際結(jié)構(gòu)非常龐大和復(fù)雜，以至于完結(jié)構(gòu)的有限元模擬計算超出了可用的計算機資源，可以使用子結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并一層一層的堆疊這些結(jié)構(gòu)，知道完成整個結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)要求來局部回復(fù)位移和應(yīng)力來解決。

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)模和計算量。

2.2 子結(jié)構(gòu)應(yīng)用類型

可無限使用子結(jié)構(gòu)：

靜態(tài)應(yīng)力分析
使用直接積分的隱式動力學(xué)分析
直接求解穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析
固有頻率提取
復(fù)特征值提取
基于模態(tài)的穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析

子結(jié)構(gòu)不支持恢復(fù)已經(jīng)消除的自由度：

瞬態(tài)模擬動力學(xué)分析
響應(yīng)譜分析
隨機響應(yīng)分析

參考資料

【1】基于Abaqus的子模型熱固耦合
【2】Abaqus子模型簡介
【3】學(xué)習(xí)Abaqus子模型從這里開始
【4】《Abaqus分析用戶手冊--分析卷》
【5】《Abaqus分析用戶手冊--指定條件、約束與相互作用卷》

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Abaqus 子模型法 和 子结构法的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。