超单元法仿真实践新书上市啦（评论赠书）
导读：近日，全网首本《超单元法应用实践-以汽车仿真为例》专业图书，经清华大学出版社于2025年3月公开发行。
这本图书内含436页75万字，附带丰富的案例模型学习，会让你体会到高效超单元仿真带来的乐趣，而且会使枯燥的仿真变得丰富多彩，也会让你解决问题的思路更清晰，会不断增加和丰富你的仿真内力和修为。
本书可作为从事仿真工程师、研究生的教学用书和相关研究人员的参考资料。
一、什么是超单元
在一个整体模型中，切割出部分模型(关注区域)，将切割的区域模型通过模态、矩阵或传递函数等进行表示，同时提取出相应的矩阵或参数，这一过程称为超单元生成（缩聚）。然后在对整体模型进行分析，此时的整体模型包括生成的超单元模型和剩余的部分模型（也称为残余模型），超单元模型即用这些“表示”来替换切割出来的部分模型；进而将此两部分模型组合成整体模型进行相应的工况分析。
这样的一种操作方法或建模方法，我们称之为超单元法，或者叫直接矩阵输入法；这些“表示”即为所谓的超单元。而整体模型除去超单元的部分称为残余结构（剩余结构）。将超单元与残余结构组合进行求解，得到相应的工况结果。换句话讲，即将一个规模较大的模型分解成动态变化部分（或剩余模型）和固定部分（即超单元模型），此时进行整体的求解时可极大缩短求解的时间，进而提升分析效率，可以在有限的时间内做更多的优化分析研究。
图1 超单元模型的典型应用流程
2、超单元方法的意义
1）大幅度降低计算时间、提升分析效率
无论是采用哪种超单元，相比于没有超单元的直接有限元计算方法，整体模型的分析速度及求解效率都能得到大幅提升。
2）利用有限的计算资源完成大规模分析
超单元可以大幅度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。同时可以在有限的时间内做更多的study。
3）避免模型错误带来的额外风险
整体模型中出现错误，需要对整个模型进行重新处理。但是如果超单元出现问题，仅需要对超单元进行修改。
4）实现模块化处理
每个超单元都需要单独切割出现进行独立的处理，所以可以实现模型的模块化。
5）实现模型的保密
因为超单元不显示具体的信息，仅仅是矩阵或参数表征，所以如果模型可以实现关键信息的保密；可与不同单位实现数据的快速传递和交互使用，加速产品开发。
6）平台化
可以实现不同模型之间的平台化，通用化。
图2 超单元的意义及优势
根据需要将不变化的部分缩减为超单元，如在整车模型中，若对底盘零件或参数进行优化分析，一般通常将内饰车身（即 TB 模型）缩减为超单元，底盘模型保留详细的模型，TB 与底盘还是按正常的连接进行定义，进而提高分析效率。如下图 为整车模型分解成 TB 模型和底盘模型。
根据计算结果可以看出，对于一个近二百万个单元的整车模型，其计算时间由原来的 12 小时缩短至 4 小时，模态超单元精度较高，能满足整车计算要求，其余整车可采用该超单元结果进行工况求解。
4、超单元在路噪仿真中的应用
要想获得更高精度的路噪仿真结果，需要考虑轮胎模型，由于轮胎的结构非常复杂，呈现高度的非线性，常常借助像ABAQUS工具进行充气、旋转、承压等仿真，然后再通过超单元方法进行缩减将非线性轮胎模型转化为NVH计算的线性轮胎模型，缩减后的线性轮胎保留了非线性轮胎结果，从而达到轮胎模型建立的目的。
在整车及新能源领域，通过采用超单元方法进行整车柱碰优化，快速评估关键零部件或系统的受力，进行传递路径优化设计。
Lsdyna子结构超单元主要通过*INTERFACE_COMPONENT关键字定义子结构分析的驱动界面数据传递，即将子结构与残余结构交界的节点定义为子结构分析的界面数据传递节点；再通过*INTERFACE_COMPONENT_FILE将驱动界面节点的时间历程结果传递到指定的如d3iff文件；最后通过在子结构分析中使用*INTERFACE_LINKING_FILE关键字调用驱动界面节点结果d3iff。 Lsdyna子结构技术整体思路是通过对刚度及质量等矩阵的缩聚，模型自由度的分解和转换，将通过界面自由度进行数据传递，实现残余结构的完整状态下的分析和优化，实现了模型的降阶，进而缩短了计算时间，快速得到残余结构的分析结果。
二、结束语
为加速产品的快速迭代开发，高效合适的仿真优化方法非常重要。通过将多年的实际工程中的一些超单元使用方法，梳理及整理分享出来，更为详细的内容请参阅《超单元法应用实践》一书，相应的配套视频课程可关注在仿真秀平台上的系列课程《史上最全超单元在产品开发仿真中的系列应用28讲》，该系列课程专注于实际工程，可拓展为同类型的问题分析，适用于机械、汽车、新能源、船舶等行业及专业，欢迎各位关注。
