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超单元分析技术 1. 介绍与基础 有限元分析中，人们对计算机资源的要求总是超过目前计算机的能力。计算机资源、经费、项目计划或进程时间限制或制约着工程师对复杂大问题的解决能力，超单元分析可以解决硬件资源和分析预算的问题。超单元分析不仅仅可以对大模型进行分析，还可以提高有限元分析的效率，因此在一次分析中允许更多的设计循环。 超单元也可理解为子结构。一个模型被分割成一系列组件（超单元），每个超单元单独处理就会产生一套缩减了的矩阵，这个被缩减的矩阵相对结构的其它部分就是一个超单元。每个超单元的缩减矩阵被装配起来进行求解，装配的计算结果用作超单元上的数据（位移、应力等）恢复。 静力学分析中超单元处理所用理论是精确的。动力学分析中的刚度缩减也是精确的，但是质量阵和阻尼阵的处理方法是近似的。这些近似的方法可以通过一种叫做“组件模态综合（CMS）”的方法得到改善。 1.1 为什么要使用超单元分析？ 提高有限元分析效率是使用超单元的主要原因。有限元模型很少只做一次分析就不用了。通常，分析模型被修改之后还要再进行分析，这种修改模型的事情在实际工程中一次有一次地发生着。如果不使用超单元分析技术，每次修改后的分析都要消耗一次完整模型分析所需的开销，那么在很短的时间内就会花光计划分析所需的经费。采用超单元分析具有以下好处： 1.1.1 节省经费开销 在每次分析时不需要对整个模型进行求解，超单元提供了递增处理的优势。通过重启动分析，这种优势会被放大：重启动分析时只需要对直接影响结果变化的结构进行处理。这就意味着，如果分析的前期就想到了这一点并定义了超单元，那么你分析的效率将比不使用超单元快2~30倍。使用数据库分割技术允许你对磁盘的使用进行控制，可以降低每次计算对计算机资源的要求，而不影响计算精度。 1.1.2 调转方向更快 因为超单元可以单独处理，因此比完整计算和非超单元计算要求的计算机资源更少，我经常可能需要对超单元单独处理、计算，而不是为获得一个完整的计算结果进行整夜等待。 1.1.3 降低风险 不采用超单元处理整个模型是孤注一掷的做法，如果出现错误，错误纠正之后就需要对整个模型再次进行处理。利用超单元，每个超单元只需处理一次，除非这个超单元代表的结构发生了改变而需要重新处理。在超单元处理的过程中如果发生错误，只需要处理受影响的超单元和残余结构，如果超单元没有错误就不再需要处理，除非有设计更改的需要。 1.1.4 提高解决大型问题的能力 所有计算机都有一定的硬件局限性，虽然有限元软件不受问题大小的限制，但一定会受硬件限制。通常在解决大的问题时求解过程会受到计算机硬盘、内存大小的制约。不使用超单元的情况下，当你处理的模型的规模达到一定程度时，你就需要分割数据库以增加处理过程，在数据恢复前你还需要将这些数据信息拷贝到磁带或其它存储设备上，这个过程可以释放磁盘空间、降低存储费用。例如，用户的计算机可以处理一个超过200000以上自由度的模型，但是磁盘空间受到限制（他的磁盘空间在不使用超单元时，最大可以处理15000自由度的问题），这时就可以把模型分割成超单元来处理。 1.1.5 分区输入、输出 由于超单元可以一个一个处理，单独对组进行分析可以模拟结构的各个零件，没有来自其他组的信息时可以执行模型检查、装配分析。最经典的例子就是空间站，一个空间站通常会有很多的制造商参与设计制造不同的构件。每个厂家有自己零部件，他们可以把自己的完整或缩减的模型发送给集成商（总体设计单位），集成商将这些模型作为许多可能的装备装配在一起，并对每个装备进行分析，然后把结果反馈给各自的制造商供他们使用。超单元中的分割输出格式允许分片（分部分）进行数据恢复，这样，分析时就可以只恢复（输出）结构中希望的那部分的分析结果，而且在结构中有很多组的情况下，分割输出格式还允许你有选择地对每个组的数据进行输出。 1.1.6 更好的安全性 很多公司的许多项目是必威体育官网网址的或是专利产品，这些项目必须对竞争对手严格必威体育官网网址，使得竞争对手无法获得自己新的设计数据。但是，即使有安全机制保护，由于协作关系，有时还是不得不把自己的数据提供给第三方或竞争对手，供他们进行装配、耦合分析。外部超单元允许用户将缩减过的边界矩阵（包含非几何实际零件的质量阵、刚度矩阵、阻尼和载荷信息）发送给合作伙伴供他们使用。合作方可以把这也矩阵作为外部超单元附加在他们的模型进行分析。 1.2 超单元分析基础 超单元可以被描述成子结构的形式，这样，你就可以把一个模型分割成多个所谓的超单元，有限元软件会独立于其它超单元单独处理每个超单元。最终会对每个超单元生成一套缩减的矩阵（质量、刚度、阻尼、载荷矩阵等），用以表示一个超单元的属性以及这个超单元与其比邻的超单元之间的连接关系。一旦所有超单元处理完成，所有缩减的矩阵就会在残余结构中被组装，并执行装配求