超单元&子结构提升大模型计算效率案例分享
01 简介
对复杂模型进行仿真计算时，由于有限元模型的网格数量增加，导致计算求解成本骤增。
Ansys针对此类工程问题提供模态综合法（Component Mode Synthesis，CMS）来应对，它是一种用于复杂大型结构动力分析的高效方法，该方法大大降低了系统的自由度，提高了计算效率，尤其适用于需要高精度计算和快速响应的场景。其核心技术是将非关键部件网格缩减为超单元，并与保留部分建立连接关系。
本文以简化的工程案例，对超单元缩减计算如何在Ansys Workbench 中实现进行说明。
02 示例
工业设计产品通常需要进行振动试验，在实际试验之前一般会进行仿真验证。由于产品自身结构复杂，加之工装往往是一个更大的结构。因此这类仿真计算非常适合采用子结构技术，将工装等大模型进行超单元缩减计算，可以显著提升计算效率。
如图所示，对产品+工装进行振动仿真，计算产品的结构模态以及测点位置的振动响应加速度曲线。
03 结果概要
从结果可以看出，常规模型计算的结果（未使用缩减）和使用超单元缩减计算结果基本一致，使用超单元缩减计算可以有效完成复杂模型的计算需求，且计算效率大大提升。
04 详细操作
（1）模型说明
产品由PartA和PartB构成，工装为PartC。其中PartA两端夹持部位做共节点处理； 产品PartA和工装PartC的连接面有一定间隙，采用Bonded-MPC连接，Radius-3mm ； 约束工装底面 fix；
（2）产品+工装完整模型计算
完整模型计算内容
产品+工装一起进行模态和5-2000Hz的谐响应仿真，提取前6阶模态和轴端点的加速度响应，作为验证结果与子结构方法进行对比。
a)模态计算
模态计算结果如下所示
b)模态叠加法，谐响应扫频计算
谐响应扫频提取端点加速度响应以及688Hz、1620Hz处的应力云图如下所示。
（3）子结构&超单元缩减工装进行简化计算
a) 工装模型进行超单元缩减
由工装+产品的模态计算模块，复 制一个新的模态计算模块； 在新模态计算模块中只保留需要缩减为超单元的工装模型，其余模型均做suppress抑制。 在工装与产品的连接位置进行Named Selection命名：s1、s2… 底面约束fix保留； 在模态设置位置插入Commands(APDL)超单元缩减命令； 求解计算； 计算完成后，在求解文件夹查找*.sub的缩减文件，在WB的Solution显示红色闪电符号并报错，没有影响。
b) 产品模型+超单元模态求解
由工装+产品的模态计算模块，复 制一个新的模态计算模块； 将步骤a中生成的*.sub文件复 制至当前的计算文件夹内； 将工装模型suppress抑制，只保留产品模型； 选择产品中与工装连接的面，并 Named Selection为contactSE；由于工装被抑制，模态计算的fix约束也一并抑制，但无需再增加新的约束； 在模态设置位置插入Commands命令； 求解计算；
注意：
工装与产品接触面的连接状态是能够求解成功的关键，其中对应的APDL命令也不同，本文中将连接状态分为三种，其中Commands命令中“ceintf,,all”命令行也不同:
理想情况：当工装与产品的连接位置，网格共节点，则该命令行需要取消。 较好情况：当工装与产品的连接位置，网格非共节点，但模型配合较好，无间隙，可以正常运行。 一般情况：当工装与产品的连接位置，网格非共节点，且有间隙或网格不匹配时会报错误，不能计算。（下文给出应对方法）
c) 产品模型+超单元谐响应扫频计算
在步骤b超单元缩减工装进行模态计算的基础上，使用模态叠加法进行谐响应扫频计算； 将步骤a中生成的*.sub文件复 制、粘贴至当前的计算文件夹内； 常规设置完成后求解计算；
以上完成该案例介绍，其中的截图仅作为演示说明，与实际的求解状态可能会有不同。
（4）特殊情况处理
下面根据上文提出的三种连接状态，对理想情况和一般情况给出不同的应对策略
a) 工装与产品的连接位置网格共节点
步骤a超单元缩减：选定的缩减面为圆环共面区。
步骤b模态计算时：APDL命令中可以不用做连接。APDL命令简化如下：
b) 工装与产品的连接位置非共节点+有间隙
步骤a超单元缩减保持不变。
步骤b模态计算时：APDL命令中的“ceintf,,all”命令可以替换为超单元节点与“contactSE”节点的MPC连接。
详细Commands APDL命令如下：
第二步计算
!连接位置进行NS 命名：contactSE
!抑制子结构部件，激活其余部件
/prep7
*get,etmax,etyp,0,num,max
et,etmax+1,50
type,etmax+1
mat,1
se,myse
alls
!*****建立超单元间连接*****
ESEL,S,TYPE,,etmax+1
NSLE,S
*get,nodeCount,node,0,count
*get,nodeMin,node,0,num,min
*dim,nodeLoc,array,nodeCount,3,1
*dim,nodes,array,nodeCount,1,1
*dim,neighborNode,array,nodeCount,1,1
*dim,nodePoint,array,3,3,1
*do,i,1,nodeCount
nodes(i)=nodeMin
*get,nodeLoc(i,1),node,nodes(i),loc,x
*get,nodeLoc(i,2),node,nodes(i),loc,y
*get,nodeLoc(i,3),node,nodes(i),loc,z
nodeMin=ndnext(nodeMin)
*enddo
alls
cmsel,s,contactSE
*do,i,1,nodeCount
neighborNode(i)=node(nodeLoc(i,1),nodeLoc(i,2),nodeLoc(i,3))
*enddo
allsel
*get,maxelem,elem,,num,max
*set,_jid,etmax+2
et,_jid,184
keyo,_jid,1,13
sectype,_jid, joint, weld, _wbjoint
secJoint,,
mat,_jid
real,_jid
type,_jid
secnum,_jid
*do,i,1,nodeCount
*if,nodes(i),ne,neighborNode(i),then
nodeA=nodes(i)
nodeB=neighborNode(i)
en,maxelem+i,nodeA,nodeB
*endif
*enddo
allsel
!*****建立超单元间连接*****
/solu
alls
c)建议
非常推荐使用共节点方式进行建模和超单元缩减，计算结果与完整模型的相比，几乎没有差异（理想情况）。但是该情况对前处理的要求比较高。 较好情况属于比较常见的，但是也对前处理有一定的要求； 一般情况在工程中最为常见，接触面的匹配度不高，但是相比较将直接将模型简化为质量点的方式，缩减为超单元的方式的计算精度也有所提高。
05 其他
本文已展示了各连接面的接触情况的处理方式，以及核心技术APDL脚本，只要对WB中的动力学求解有一定了解，就可以复现。
原创不易，如果觉得这篇文章写得还不错，不妨请我喝一杯咖啡，作为感谢，您可以获得：
本文的电子版本 本案例的计算源文件（版本2021R1） 案例的使用说明 
