超单元法在多学科优化分析中的应用

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本文摘要：（由ai生成）

超单元法是一种降低有限元分析计算成本的方法，通过提取特定力学特性并用模态、矩阵或传递函数表达来生成超单元，替换原模型以减少自由度和计算量。在多学科优化和轻量化分析中，超单元法能显著提升优化效率。具体操作包括导入模型、设置求解参数、生成超单元文件等。使用超单元模型进行计算，误差极小，适用于副车架等多学科优化，能显著提高计算效率和优化效果。

前言：在一个有限元整体模型中，切割出部分模型，运用有限元分析将特定的力学特性通过模态表达、矩阵表达、传递函数表达提取出来，这一过程称为超单元的生成（缩聚）。然后再对整体模型开展分析的时候，用这些表达来替换切割出来的部分模型。这样一种操作方法，称之为超单元法或者叫直接矩阵输入法。这些表达就是所谓的超单元。而整体模型除去超单元的部分称为残余结构。

超单元一个最有意义的用处便是大幅降低计算花费，提升分析效率。利用有限的计算资源完成计算更为庞大的分析。超单元可以大幅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。

尤其是对于多学科优化及轻量化优化分析时，有效地规划计算资源的使用可以大大提升优化效率。一个典型的例子就是副车架多学科优化及轻量化优化分析，我们在对副车架进行优化时，需要同时考察强度、模态、动刚度等性能。而对于与车身刚性连接的副车架，计算动刚度时是带着车身模型的，因此副车架动刚度分析计算需要的计算资源较其他工况计算要大得多。更多地对于多学科优化时，无论是直接优化还是使用代理模型优化都需要大量的迭代计算。这就对计算资源提出了更高的要求。而使用超单元将车身部分模型进行缩聚，则会大大提高计算效率。

超单元方法的使用在操作层面上非常简单，我们通过一个简单的例子简单演示超单元法的使用方法。这里以hypermesh界面，Optistruct求解器为例进行说明。如果熟悉卡片设置，可以直接添加卡片进行设置。如果不熟悉对应的卡片设置，可以直接使用Process Manager来进行创建。

1.首先，我们导入IPI计算模型，里面对应的一些载荷卡片直接保留使用，包括模态提取，结构阻尼等这些设置。然后我们将需要创建超单元部分的模型进行保留，即我们需要将白车身部分进行保留，将副车架部分进行删除，副车架和白车身是刚性连接的，一般是使用Rbe2单元进行连接。

2.需要注意的是，我们需要将白车身部分创建超单元，因此计算模型中只需要保留和白车身相关的信息即可，因此我们需要将副车架上的接附点的载荷和工况卡片全部删除。

3.我们这里通过Process Manager来创建超单元分析所需要的卡片设置。可以看到，这里需要设置求解频率，模态提取，CDS法设置等等。正如上文所述，我们是直接将原始IPI计算模型导入的，因此里面有一些设置不需要重复设置，直接跳转到CDS Method这里进行设置即可。当然也可以按顺序进行设置，即原始模型没有任何载荷设置条件下进行。