ANSYS WorkBench子模型分析案例
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7.1 圣维南原理概述
7.2 不改变模型尺寸时的子模型分析案例
7.3 局部改进模型尺寸后的子模型分析案例
7.4 子模型切割范围的验证
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复合绝缘子酸液侵蚀的脆断研究
在输电线路中,复合绝缘子的芯棒非联接部分频繁出现脆断、掉线,其中酸性介质侵入并渗透到内部芯棒,腐蚀芯棒截面,是造成复合绝缘子机械强度下降进而脆断的主要原因.建立了复合绝缘子的酸液侵蚀模型,利用ANASYS对其场强和电位进行仿真分析.分析结果表明,酸液侵蚀复合绝缘子后,金具处场强最大值比正常复合绝缘子数值大,且侵蚀部位场强畸变严重;复合绝缘子侵蚀后的电位分布比正常复合绝缘子的高,单片绝缘子承担的电压偏大,加速了绝缘子老化.
LI Ru-feng
ZHAO Chao-yun
LIU Zi-long
RUAN Hong-liang
作者单位：
三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌,443002
临沂市供电公司,山东临沂,276000
国电南垭河发电总厂,四川雅安,625400
四川久隆水电开发有限公司,四川雅安,625400
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万方数据知识服务平台--国家科技支撑计划资助项目（编号：2006BAH03B01）(C)北京万方数据股份有限公司
万方数据电子出版社基于ANSYS&WORKBENCH的子模型分析技术
【问题背景】
在经典界面中有子模型分析技术，那么这种技术能否在WB中使用呢？
答案是肯定的。
本算例说明如何在WB中使用子模型技术。
【问题描述】
一块开孔薄板，左边固定，右边施加1MPa的拉力，求板中的最大应力。
【问题分析】
该问题中存在应力集中，应力集中发生在孔的上下边沿。
为了得到应力的收敛值，需要对应力集中点反复加密网格，然后对整个板进行计算。对于简单的问题而言，这种方法是可以的。但是如果板很复杂，这样反复计算耗时很长。
比较合理的方法是使用子模型法。
经典界面中子模型法操作复杂，而WB则对子模型法提供了完美的支持。本算例说明如何在WB中用子模型法进行操作。
WB中，首先创建粗糙模型并进行分析；
然后拷贝粗糙模型分析系统得到子模型分析系统，并建立粗糙模型与子模型分析系统的关系；
接着修改子模型分析系统中的几何模型，只取与应力集中点周围的部分几何体；
然后导入粗糙模型在切割边界处的位移，根据此来计算子模型的应力；
对子模型反复加密网格，就可以得到应力集中点的精确解。
【求解过程】
1.分析粗糙模型。
（1）创建静力学分析系统。
（2）创建几何模型。
选择长度单位是毫米，创建一个草图
然后根据该草图形成面体。
并设置对该面体进行2D分析。
（3）划分网格。
自动划分。此时使用粗糙的网格划分。
（4）定义边界条件。
固定左边线。
右边线施加1Mpa的均布载荷。
（5）求解并查看应力。
得到X方向的正应力如下图。
可见，在孔的上下两边，应力最大,为2.7Mpa。
那么真正的最大应力是多少呢？
下面使用子模型加密得到。
2.分析子模型。
（1）创建子模型分析系统。
拷贝上述分析系统，得到新的模型分析系统。
建立粗糙模型系统和子模型系统的连接关系，如下图。
上图意味着要把粗糙模型的分析结果导入到子模型分析系统中。
下面的操作均在子模型分析系统中进行。
（2）创建子模型。
双击子模型分析系统的geometry单元格，进入到DM中，修改原始模型。
首先进入草图，在原来的圆外面再绘制一个大圆，直径是18mm，并裁剪掉外面的矩形。
重新生成面体
然后更新子模型系统的SETUP单元格，结果如下图
（3）划分网格。
双击setup单元格，进入子模型分析系统中，此时划分的网格模型如下图。
细分网格。
（4）设置边界条件。
首先SUPRESS前面的固定边界条件和力的边界条件。
然后对于新出现的submodeling，单击选中，在右键菜单中插入位移。
并选择大圆作为导入位移的边界。
接着导入粗糙模型中对应处的位移。
（5）计算并后处理。
求解，观察应力结果。
可见，最大应力增加到3.04MPa.
继续加大网格密度。对于内圈加密第一次。
结果如下图
可见，应力增加很少，可以认为已经达到收敛。
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Ansys命令流模板——子模型
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3秒自动关闭窗口ANSYS如何作子模型分析
子模型分析的过程包括以下步骤：　　1. 生成并分析较粗糙的模型。　　2.
生成子模型。　　3. 提供切割边界插值。　　4. 分析子模型。　...
子模型分析的过程包括以下步骤：
　　1. 生成并分析较粗糙的模型。
　　2. 生成子模型。
　　3. 提供切割边界插值。
　　4. 分析子模型。
　　5. 验证切割边界和应力集中区域的距离应足够远。
　　第一步：生成并分析较粗糙的模型
　　第一个步骤是对整体建模并分析。(注-为了方便区分这个原始模型，我们将其称为粗糙模型。这并不表示模型的网格划分必须是粗糙的，而是说模型的网格划分相对子模型的网格是较粗糙的。)
　　分析类型可以是静态或瞬态的，其操作与各分析的步骤相同。下面列出了其他的一些要记住的方面。
　　文件名——粗糙模型和子模型应该使用不同的文件名。这样就可以保证文件不被覆盖。而且在切割边界插值时可以方便地指出粗糙模型的文件。用下列方法指定文件名：
　　Command: /FILNAME
　　GUI: Utility Menu&File&Change
　　单元类型——子模型技术只能使用块单元和壳单元。分析模型中可以有其他单元类型(如梁单元作为加强筋)，但切割边界只能经过块和壳单元。
　　一种特殊的子模型技术，称为壳到体子模型技术，允许用户用壳单元建立粗糙模型而用三维块单元建立子模型。本技术在后面还要讨论。
　　建模——在很多情况下，粗糙模型不需要包含局部的细节如圆角等，见下图。但是，有限元网格必须细化到足以得到较合理的位移解。这一点很重要，因为子模型的结果是根据切割边界的位移解插值得到的。
　　图片1 粗糙模型可以不包括一些细节部分
　　文件——结果文件(Jobname.RST,Jobname.RMG等)和数据库文件(Jobname.DB,包含几何模型)在粗糙模型分析中是需要的。在生成子模型前应存储数据库文件。用下列方法存储数据库：
　　Command: SAVE
　　GUI: Utility Menu&File&Save
　　Utility Menu&File&Save as
Jobname.db
　　第二步：生成子模型
　　子模型是完全依靠粗糙模型的。因此在初始分析后的第一步就是在初始状态清除数据库(另一种方法是退出并重新进入ANSYS)。用下列方法清除数据库：
　　Command: /CLEAR
　　GUI: Utility
Menu&File&Clear&Start
　　同时，应记住用另外的文件名以防止粗糙模型文件被覆盖。用下列方法指定文件名：
　　Command: /FILNAME
　　GUI: Utility Menu&File&Change
　　然后进入PREP7并建立子模型。应该记住下列几点：
　　使用与粗糙模型中同样的单元类型。同时应指定相同的单元实参(如壳厚)和材料特性。(另一种子模型技术——壳到体技术——允许从粗糙模型的壳单元转换为体单元，见后。)
　　子模型的位置(相对全局坐标原点)应与粗糙模型的相应部分相同，见图
　　图 叠加在粗糙模型上的子模型
　　指定合适的结点旋转位移。切割边界结点的旋转角在插值步骤一写入结点文件时不应改变(见第三步：生成切割边界插值)。用下列方法指定结点旋转：
　　Command:NROTAT
　　GUI: Main
Menu&Preprocessor&Create&Nodes&-Rotate
Node CS-To Active CS
Menu&Preprocessor&Move/Modify&-Rotate
Node CS-To ACtive CS
　　注意结点旋转角会因为施加结点约束，传递线上约束或面上约束等操作而改变，同样也会为更加明显的操作如[NROTAT和NMODIF]等改变。
　　粗糙模型中结点旋转角的出现或缺省并不影响子模型。
　　子模型的载荷和边界条件将在后面两步中施加。
　　第三步：生成切割边界插值
　　本步是子模型的关键步骤。用户定义切割边界的结点，ANSYS程序用粗糙模型结果插值方法计算这些点上的自由度数值(位移等)。对于子模型切割边界上的所有结点，程序用粗糙模型网格中相应的单元确定自由度数值，然后这些数值用单元形状功能插值到切割边界上。
　　在切割边界插值中有下面几步操作：
　　1.指定子模型切割边界的结点并将其写入一个文件(缺省为Jobname.NODE)中。可以在PREP7
中选择切割边界的结点，用下列命令将其写入文件：
　　Command: NWRITE
　　GUI: Main
Menu&Preprocessor&Create&Nodes&Write
　　下面是一个NWRITE命令的例子：
　　NSEL,... !选择切割边界上的结点
　　NWRITE !将其写入Jobname.NODE
　　图 子模型切割边界
　　在这里讨论一下温度插值的问题。在包含特性随温度变化的材料的分析中，或热-应力耦合分析中，粗糙模型和子模型中的温度分布是相同的。在这种情况下，必须将粗糙模型的温度插值到子模型中的所有结点上。要完成这步操作，要选择子模型中所有结点并写入另外一个文件中，使用NWRITE,Filename,Ext。
记住必须另外指定一个文件名，否则切割边界结点文件将被覆盖!第7步中说明了关于温度插值的命令。
　　2.重新选择所有结点并将数据库存入Jobname.DB中，然后退出PREP7。
必须将数据库写入文件，因为在后面子模型分析中要使用到。
　　用下列命令重新选择所有结点：
　　Command: ALLSEL
　　GUI: Utility
Menu&Select&Everything
　　用下列命令存储数据库：
　　Command: SAVE
　　GUI: Utility Menu&File&Save as
Jobname.db
　　3.要进行切割边界插值(和温度插值)，数据库中必须包含粗糙模型的几何特征。因此要用下列一种方法读入粗糙模型数据库：
　　Command: RESUME
　　GUI: Utility Menu&File&Resume
　　如，粗糙模型文件名为COARSE，就输入命令RESUME,COARSE,DB。
　　4.进入POST1，即通用处理器(/POST1或Main Menu&General
Postproc)。插值只有在POST1中进行。
　　5.指向粗糙模型结果文件(FILE或Main Menu&General
Postproc&Data & File Opts)。
　　6.读入结果文件中相应的数据(SET或Main Menu&General
Postproc&-Read Results-option)。
　　7.开始切割边界插值。用下列方法完成本步操作：
　　Command: CBDOF
　　GUI: Main Menu&General
Postproc&Submodeling&Interpolate
　　缺省状态下，CBDOF命令假定切割边界结点在文件Jobname.NODE中。ANSYS程序将计算切割边界的DOF数值并用D命令的形式写入文件Jobname.CBDO中。
　　用下列方法作温度插值，但要保证文件包含所有子模型结点：
　　Command: BFINT
　　GUI: Main Menu&General
Postproc&Submodeling&Interp Body
　　温度插值以BF命令的格式写入文件Jobname.BFIN中。
　　注——如果数据包括实部和虚部的话，步骤6和7就要作两遍。先用SET
命令读入实部的数据并作插值[CBDOF和/或BFINT]，然后用SET命令将域设为1
读入虚部的数据并重新进行插值，但这次将虚部插值写入另一个文件。
　　8.至此，所有的插值任务完成，退出POST1[FINISH]并读入子模型数据库(RESUME或Main
Menu&File&Resume from)。
　　第四步：分析子模型
　　在本步中，用户指定分析类型和分析选项，加入插值的DOF数值(和温度数值)，施加其他的载荷和边界条件，指定载荷步选项，并对子模型求解。
　　第一步是进入求解器(/SOLU或Main Menu&Solution)。
　　然后定义分析类型(一般为静态)和分析选项。
　　要施加切割边界自由度约束，用下列命令读入CBDOF命令生成的由D命令组成的文件：
　　Command: /INPUT
　　GUI: Utility Menu&File&Read
Input from
　　要施加温度插值，用下列命令读入BFINT命令生成的由BF命令组成的文件：
　　Command: /INPUT
　　GUI: Utility Menu&File&Read
Input from
　　如果数据有实部和虚部，先读入实部数据文件，指定自由度约束数值和(/或)结点体载荷是否计算，然后读入虚部数据文件。
　　用下列方法指定计算自由度约束数值：
　　Command: DCUM,ADD
　　GUI: Main
Menu&Preprocessor&Loads&-Loads-Settings&Contraints
Menu&Solution&-Loads-Settings&Constraints
　　用下列方法指定计算结点体载荷数值：
　　Command: BFCUM,ADD
　　GUI: Main
Menu&Preprocessor&Loads&-Loads-Settings&Nodal
Menu&Solution&-Loads-Settings&Nodal
　　注意在执行DCUM和BFCUM命令时要先将其初始状态设为初始值。
　　重要的一点是要将粗糙模型上所有其他载荷和边界条件复制到子模型上。比如对称边界条件，面力，惯性载荷(如重量)，集中力等(见图)。
　　图 子模型的载荷
　　然后指定载荷步选项(如输出控制)并开始计算：
　　Command: SOLVE
　　GUI: Main Menu&Solution&Current
　　Main Menu&Solution&Run
　　在求解完成后，退出SOLUTION。[FINISH]
　　子模型的数据流向(无温度插值)见图
　　图片 子模型分析(无温度插值)的数据流向
　　第五步：验证切割边界和应力集中位置的距离是否足够
　　最后一步是验证子模型切割边界是否远离应力集中部分。可以通过比较切割边界上的结果(应力，磁通密度等)与粗糙模型相应位置的结果是否一致来验证。如果结果符合得很好，证明切割边界的选取是正确的。如果不符合的话，就要重新定义离感兴趣部分更远一些的切割边界重新生成和计算子模型。
　　一个比较结果的有效方法是使用云图显示和路径显示，见图
　　比较结果时的云图显示
　　比较结果时的路径显示&
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