Abaqus子结构与子模型分析技术 附ABAQUS结构工程分析及实例详解文档下载

子结构与子模型技术在Abaqus中属于模拟抽象化的范畴，所有Abaqus模型都涉及一定程度的抽象，但是除了传统有限元的抽象方法之外，还可以通过以下几种模拟抽象化技术来降低求解成本。

适当地利用这些抽象化建模技术可以极大地提高Abaqus的分析效率，本期文章介绍一下子结构和子模型技术。

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在有限元分析里，子结构也叫超级单元，是由多个单元组成的一个“整体单元”，它在线性分析的基础上消除了“整体单元”中保留节点以外所有节点的自由度；子结构的系统矩阵（刚度、质量）也被缩聚成较小的矩阵，可以根据需求恢复内部求解。

很多实际工程结构都比较庞大，导致完整结构的有限元模型计算量超出计算机的硬件资源，对于具有线性响应的此类问题，可以使用子结构缩聚的方法，在一般配置的计算机上来求解完整结构的响应。

机翼骨架结构几何模型

在这个机翼骨架分析的案例中，几何结构包括主梁和翼梁，我们将重复出现的前部翼梁、中部翼梁作为两个子结构，创建两个独立的Model，分别用Step中的Substructure generation为它们创建子结构分析步，并选择与主梁连接区域的单元节点为保留自由度的节点。

运行子结构分析，将生成的*.sim文件作为Part导入整体分析模型中，通过阵列组装成为原始结构。

把子结构的保留节点与主梁绑定，划分主梁网格，检查缩聚后的整体模型Mesh信息显示：本来（阵列之后）总数应该是六十多万个常规单元，变为一万多个常规单元+几十个超级单元。

通过子结构创建机翼骨架的整体模型

定义整体模型的边界条件，创建任务，运算之后，每一个阵列出来的子结构都会对应一个结果文件，打开这些*.odb文件时勾选Append to layers，就能通过图层叠加的方式将整体模型的计算结果显示出来。

后处理图层叠加显示

显示机翼骨架整体应力和局部翼梁应力

显示机翼骨架整体位移和局部翼梁位移

通过这个案例的学习，能够初步掌握子结构分析的思路，在日常工作中，适当的情况下，我们可以利用子结构技术（可以是多重多级的）将复杂、庞大的整体模型缩减为普通计算机可以驾驭的子结构分析模型。

子模型

钢架分析模型

如果已经完成了一个结构分析，想要用更精细化的模型来研究该结构的局部响应，那么我们可以使用子模型分析技术来完成这个想法。

子模型是整体模型的局部区域，它可以具有更精细的几何结构或网格划分，通过将整体分析中截断面上的载荷或位移传递给子模型边界的方法，来驱动子模型进行分析。

子模型使用不同的单元并增加了8颗螺栓

在此钢架分析的案例中，整体模型中没考虑细节连接形式，采用了比较粗糙的S4R壳单元，而在子模型里我们采用精细化的几何结构和网格，将螺栓连接考虑在内，单元类型都采用C3D8I实体单元，子模型的第一个分析步施加螺栓预紧力，第二个分析步施加子模型边界驱动。

子模型边界驱动方式分为基于节点的驱动（通过Load模块BC-Submodel设置）和基于面的驱动（通过Load模块Load-Submodel设置）。相较于整体模型，局部（子模型区域）刚度变化较大时宜采用基于面的驱动，但它只支持实体-实体单元，且仅在静力学分析中可以使用；基于节点的驱动使用范围较广，支持多种单元类型之间的驱动，其中就包括此钢架分析中使用的壳-实体单元，并且可以在Standard/Explicit之间的相互驱动；同一个子模型中两种驱动方式可以混合使用。

多图层显示计算结果

同一图层显示整体模型和子模型来检查驱动边界

子模型位移云图和螺栓应力

子模型支持多层级分析，即一个子模型可以作为后续子模型的整体模型来使用，所以这个技术在跨尺度分析中也会用到；另外，我们知道，因边界条件的不确定性导致的误差是有限元分析里最主要的、最难搞定的一类误差，而子模型由于具有边界驱动的优势，也常出现在高精度有限元仿真中，用来克服边界误差。

二者主要区别

通过这两个案例，我们已经可以非常直观地感受到子结构和子模型这两种方法的不同之处与各自的使用场景。总结地说，二者主要区别就相当于，子结构是把整体模型中的同类区域进行打包封装；而子模型是用放大镜对整体结构的某一位置进行Zoom in操作。前者着眼于局部以求整体响应，后者着眼于整体以求局部响应。

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