CN113255184A - 基于ansys-matlab的联合仿真与模型可视化方法 - Google Patents

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Abstract

基于ANSYS‑MATLAB的联合仿真与模型可视化方法，包括以下具体步骤：S1、根据分析对象的几何信息建立有限元模型；S2、对有限元模型进行模态分析；S3、读取模态分析结果信息；S4、读取有限元模型信息；S5、判断读取的单元是否为六面体单元或四面体单元；S6、显示有限元模型；S7、得到任意阶模态振动；S8、确定施加载荷和作用力；S9、迭代求解、数据存储以及可视化变形。本发明提供的可视化方法可动态显示基于模态叠加理论迭代计算求解过程中分析对象在每个迭代步的位移云图，以提高科研效率。

Description

基于ANSYS-MATLAB的联合仿真与模型可视化方法
技术领域
本发明涉及可视化分析技术领域，尤其涉及基于ANSYS-MATLAB的联合仿真与模型可视化方法。
背景技术
ANSYS是目前应用最为广泛的通用有限元软件之一。Matlab是MATrix LABoratory的缩写，是一个通用性高、自带丰富的工具箱并具有强大可视化功能的科学计算平台。可用于算法开发、数据可视化、数值分析计算等。借助有限元软件和Matlab联合仿真实现刚柔耦合的自编程分析是一种普遍的分析方法，例如车辆-轨道-桥梁耦合动力学分析中，车辆模型为多刚体模型，桥梁为柔性体有限元模型。传统有限元软件和Matlab联合仿真方法，利用Matlab平台编程读取有限元软件结果并计算分析，在Matlab平台计算分析时，不能显示模型情况，用户很难判断所施加荷载是否正确，也不能实时观察计算过程中模型的变形情况，研究人员只能等待计算完成后通过经验判断计算结果的正确与否，严重影响了工作效率。
在刚柔耦合振动研究中，既要考虑多刚体系统(例如车辆系统)的振动特性，又要考虑柔性体(例如轨道板、桥梁等柔性接触)的振动特性。目前，有学者基于Matlab软件和有限元软件提出了刚柔耦合仿真分析方法。中南大学朱志辉提出一种车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，轨道-桥梁-地基基础基于有限元软件实现，Matlab模块主要用来构建车辆动力学方程，通过接口控制程序TRBF-DYNA实现模块的相互连接，以实现车辆-桥梁-地基之间的相互连接和耦合求解。杨啟梁提出了通过ANSYS和Matlab联合进行车辆-道路耦合振动系统动力学计算的方法，Matlab主控程序以batch模式调用Ansys进行道路计算，实时传递轮胎动载荷路面沉降，实现车辆-道路耦合振动系统动力学联合仿真；
但是现有的有限元软件和Matlab联合仿真方法，根据模型参数和边界条件构建有限元模型，计算有限元模型质量、刚度等参数，利用Matlab平台读取有限元软件计算结果并计算系统运动方程，在Matlab平台计算分析时，不能实时显示模型情况，用户很难判断所施加荷载是否正确，也不能实时观察计算过程中模型的变形情况，研究人员只能等待计算完成后通过经验判断计算结果的正确与否，严重影响了工作效率。
发明内容
(一)发明目的
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出基于ANSYS-MATLAB的联合仿真与模型可视化方法，本发明提供的可视化方法能可动态显示基于模态叠加理论迭代计算求解过程中分析对象在每个迭代步的位移云图，以提高科研效率。
(二)技术方案
本发明提供了基于ANSYS-MATLAB的联合仿真与模型可视化方法，包括以下具体步骤：
S1、根据分析对象的几何信息，通过划分网格将模型离散为有限单元，建立有限元模型；
S2、对有限元模型进行模态分析，得到结构的频率分布及振型；
S3、读取模态分析结果信息，以获得模型前N阶模态信息，再将自振频率存储在Freqs矩阵中、将特征值存储在Eigens矩阵中以及将提取的前N阶振型存储在MMat矩阵中；
S4、读取有限元模型信息，以获得限元模型节点和单元信息，再将所有节点的编号及其三维坐标存储在Nodes矩阵中，第一列为节点编号，第2-3列分别为节点的三维坐标，将每个单元的节点存储在Solid矩阵中，第1-8列分别存储定义单元的8个节点编号；
S5、根据得到的有限元模型外部面片，判断读取的单元是否为六面体单元或四面体单元；
若否，则返回S1；
若是，则继续执行S6；
S6、显示有限元模型；
S7、输入要显示的振型阶数，得到可动态显示分析模型的任意阶模态振动；
S8、根据预施加荷载位置的三维坐标，设置误差限，根据有限元模型中的节点坐标得到施加荷载位置处的节点编号及其三维坐标，通过动态交互命令，控制施加力的方向；
S9、设置积分时间步长和总积分时间；基于四阶龙格库塔算法编制的数值计算微分方程组的函数，求解基于模态叠加法解耦后的微分方程组，存储目标节点振动响应；迭代求解过程中，通过传递分析对象在每一迭代步的位移响应，更新显示位移云图。
优选的，S1中分析对象的几何信息包括定义单元属性信息和材料属性信息；材料属性信息包括弹性模量信息、泊松比信息和材料容重信息。
优选的，S1中离散后的信息包括单元个数、节点个数、单元编号、节点编号以及节点三维坐标。
优选的，特征值和自振频率的关系为：
Eigens＝(Freqs×2×π)2。
与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明提出的基于ANSYS-MATLAB的联合仿真与模型可视化方法能有效的融合MATLAB在数据处理、图形处理的优势和ANSYS强大有限元分析优势，大力提升ANSYS-MATLAB联合仿真的可视化性能；现有联合仿真方法中，用户往往难以知道其计算过程里中间变量的变化情况，而本发明通过利用MATLAB强大的图形处理功能可以非常方便的将模型和计算结果可视化，进而能供用户可自主选择是否可视化振型，通过在动态交互窗口输入目标阶数可以观察分析对象任意阶的振型；在施加荷载时，更能突出显示施加荷载位置，方便工作人员检查荷载施加位置、方向是否正确，并且可动态显示基于模态叠加理论迭代计算求解过程中分析对象在每个迭代步的位移云图；
本发明提供的基于ANSYS-MATLAB的联合仿真与模型可视化方法方便在MATLAB主程序中施加荷载，能方便快捷的修改工况，避免重复运行ANSYS命令流进行有限元分析，节省人力和时间，大大提高科研效率。
附图说明
图1为本发明提出的基于ANSYS-MATLAB的联合仿真与模型可视化方法的流程图。
图2为本发明具体例中的简支梁断面的结构示意图。
图3为本发明具体例中有限元模型的示意图。
图4为本发明具体例中Matlab可视化简支梁振型的示意图。
图5为本发明具体例中Matlab可视化简支梁位移云图。
图6为本发明具体例中集中荷载下简支梁右轨处垂向挠度分别使用ANSYS和Matlab计算结果的对比图。
图7为本发明具体例中ANSYS单元节点编号定义规则说明的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示，本发明提出的基于ANSYS-MATLAB的联合仿真与模型可视化方法，包括包括以下具体步骤：
S1、根据分析对象的几何信息，通过划分网格将模型离散为有限单元，建立有限元模型；
进一步的，对有限元模型进行保存为cdb文件的方法为：在ANSYS主菜单Main Menu中，选择Archive Modek-Write,选中DB All finite element information存储cdb格式文件；
S2、对有限元模型进行模态分析，得到结构的频率分布及振型；
运行read_modal文件，read_modal为基于APDL自编的数据接口，用来提取ANSYS模态分析的结果，包括模态频率、振型数据、质量矩阵、刚度矩阵。分别存储在名为modefile.txt、MASS_MATRIX.TXT、STIFF_MATRIX.TXT的文本文件中；
执行Matlab主程序，读取有限元模型信息和模态分析结果，如S3和S4所示；其中，modefile.txt、MASS_MATRIX.TXT、STIFF_MATRIX.TXT、ENGINEERINGCALCULATION.cdb文本文件存储在主程序目录下，通过调用子程序load_ANSYS_model读取有限元模型的节点信息、单元信息以及模态分析结果；
S3、读取模态分析结果信息，以获得模型前N阶模态信息，再将自振频率存储在Freqs矩阵中、将特征值存储在Eigens矩阵中以及将提取的前N阶振型存储在MMat矩阵中；
进一步的，运行子程序load_modal_from_ANSYS，调用modefile.txt文件读取ANSYS模态计算结果，该文件存储的是ANSYS中提取的模型前N阶模态；
S4、读取有限元模型信息，以获得限元模型节点和单元信息，再将所有节点的编号及其三维坐标存储在Nodes矩阵中，第一列为节点编号，第2-3列分别为节点的三维坐标，将每个单元的节点存储在Solid矩阵中，第1-8列分别存储定义单元的8个节点编号；
进一步的，根据cdb文件中数据存储规则，通过调用子程序load_model_from_ANSYS读取存储有限元模型信息的cdb文件ENGINEERINGCALCULATION.cdb，读取有限元模型节点和单元信息；
需要说明的是，对于实体单元，根据网格划分方式，分为四面体单元和六面体单元。根据S1中有限元网格的特性，选择子程序load_3mesh_from_ANSYS或load_4mesh_from_ANSYS，通过调用Solid矩阵存储的单元信息，根据ANSYS中不同单元的定义方式，对单元节点信息进行排列重组，得到有限元模型外部面片，并存储在outside_faces矩阵中，为模型可视化做好准备；
其中，load_ANSYS_model程序支持读取四面体单元和六面体单元；
子程序load_3mesh_from_ANSYS和load_4mesh_from_ANSYS分别用于读取三角形网格和四边形网格
S5、根据得到的有限元模型外部面片，判断读取的单元是否为六面体单元或四面体单元；
若否，则返回S1，重新进行核对运算或继续运算下一组数据；
若是，则继续执行S6；
S6、load_4mesh_from_ANSYS子程序读取六面体单元或load_3mesh_from_ANSYS子程序四面体单元，Matla主程序显示有限元模型；
S7、输入要显示的振型阶数，得到可动态显示分析模型的任意阶模态振动；
plot_modal子程序用于显示振型情况，当读取的单元为六面体单元或四面体单元后，动态交互窗口显示“请输入要显示的振型阶数：”通过在命令行输入要显示的振型阶数，可动态显示所分析模型的任意阶模态振动；
plot_modal子程序通过对线型、立面、色彩、视角、变形放大系数等的控制，表现振型特征；
S8、根据预施加荷载位置的三维坐标，设置误差限，根据有限元模型中的节点坐标得到施加荷载位置处的节点编号及其三维坐标，将其分别存储在ConNode_nums、force_points矩阵中，通过动态交互命令，控制施加力的方向；
S9、设置积分时间步长和总积分时间；基于四阶龙格库塔算法编制的数值计算微分方程组的函数，求解基于模态叠加法解耦后的微分方程组，存储目标节点振动响应；迭代求解过程中，通过传递分析对象在每一迭代步的位移响应，更新显示位移云图。
在一个可选的实施例中，S1中分析对象的几何信息包括定义单元属性信息和材料属性信息；材料属性信息包括弹性模量信息、泊松比信息和材料容重信息，以上信息存储在基于APDL命令流生成的cdb文件中。
在一个可选的实施例中，S1中离散后的信息包括单元个数、节点个数、单元编号、节点编号以及节点三维坐标。
在一个可选的实施例中，特征值和自振频率的关系为：
Eigens＝(Freqs×2×π)2。
具体例：
本发明还提出了一种基于ANSYS_MATLAB的联合仿真与模型可视化方法的具体案例，分析对象为两端简支的单点加载简支梁，跨度32.5m，简支梁断面如附图2所示，具体包括以下步骤：
S11、建立有限元模型；
简支梁材料的弹性模量3.5E10Pa，泊松比0.2，采用六面体网格划分，顺桥向网格大小0.625m，共得到单元5883个，节点8745个。边界条件为左端支座全约束，右端支座约束横桥向和垂向位移，有限元模型如附图3所示；
在跨中和桥梁中心线交点处作用一竖直向下的集中力，大小为5000KN，在ANSYS平台求解桥梁挠曲变形，提取桥上右端钢轨处的垂向位移，上述桥上右端钢轨处的x坐标为3.65m，后面将对Matlab分析结果和此结果做对比验证；
S12、模态分析
在ANSYS平台中对此简支梁进行模态分析，执行read_modal命令流，将模型的模态频率、振型数据、质量矩阵、刚度矩阵分别存储在名为modefile.txt、MASS_MATRIX.TXT、STIFF_MATRIX.TXT的文本文件中；
S13、读取有限元模型信息和模态分析结果
执行Matlab主程序，调用子程序load_ANSYS_model读取有限元模型的节点信息、单元信息以及模态分析结果。因模型采用六面体网格，调用load_4mesh_from_ANSYS读取有限元模型节点、单元信息；
S14、可视化振型
调用plot_modal子程序查看模型振型，32.5m简支梁第2阶振型如附图4所示；
S15、施加荷载并可视化力的作用点
在跨中和桥梁中心线交点处作用一竖直向下的集中力，大小为5000KN，本程序利用Matlab强大的可视化能力实现力的作用点的可视化，此功能可以帮助技术人员及时验证施加荷载的正确性；
S16、基于模态叠加理论，利用四阶龙格库塔算法求解解耦的微分方程组、可视化位移云图并存储振动响应
如附图5所示为简支梁受集中荷载作用下，在求解迭代过程中的位移云图变化情况；
待计算完毕后，对比分析ANSYS平台基于有限元法计算结果以及Maltlab基于模态叠加法的计算结果，如附图6所示。同一模型，ANSYS软件求解器计算得到的桥梁挠曲变形与MATLAB计算结果一致，验证了该方法应用于动力学仿真的可行性和有效性，确定本方法的正确性。
另外，对ANSYS中四面体单元和六面体单元节点编号进行以下说明：
在ANSYS平台中，每个四面体单元由四个节点定义，每个六面体单元由六个节点定义。以SOLD45单元为例进行说明，SOLID45单元为3D 8节点结构实体单元，该单元由8个节点定义，单元模型如附图7所示，划分为六面体网格时，底面由节点(1,2,3,4)定义，正面由节点(1,2,6,5)定义，右侧面由(2,3,7,6)节点定义，左侧面由(1,4,8,5)节点定义，背面由(3,4,8,7)节点定义，顶面由(5,6,7,8,)节点定义。划分为四面体网格时，四个面分别由节点(1,2,3)、(1,2,5)、(1,3,5,)以及(2,3,5)定义。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.基于ANSYS-MATLAB的联合仿真与模型可视化方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1、根据分析对象的几何信息，通过划分网格将模型离散为有限单元，建立有限元模型；
S2、对有限元模型进行模态分析，得到结构的频率分布及振型；
S3、读取模态分析结果信息，以获得模型前N阶模态信息，再将自振频率存储在Freqs矩阵中、将特征值存储在Eigens矩阵中以及将提取的前N阶振型存储在MMat矩阵中；
S4、读取有限元模型信息，以获得有限元模型节点和单元信息，再将所有节点的编号及其三维坐标存储在Nodes矩阵中，第一列为节点编号，第2-3列分别为节点的三维坐标，将每个单元的节点存储在Solid矩阵中，第1-8列分别存储定义单元的8个节点编号；
S5、根据得到的有限元模型外部面片，判断读取的单元是否为六面体单元或四面体单元；
若否，则返回S1；
若是，则继续执行S6；
S6、显示有限元模型；
S7、输入要显示的振型阶数，得到可动态显示分析模型的任意阶模态振动；
S8、根据预施加荷载位置的三维坐标，设置误差限，根据有限元模型中的节点坐标得到施加荷载位置处的节点编号及其三维坐标，通过动态交互命令，控制施加力的方向；
S9、设置积分时间步长和总积分时间；基于四阶龙格库塔算法编制的数值计算微分方程组的函数，求解基于模态叠加法解耦后的微分方程组，存储目标节点振动响应；迭代求解过程中，通过传递分析对象在每一迭代步的位移响应，更新显示位移云图。
2.根据权利要求1所述的基于ANSYS-MATLAB的联合仿真与模型可视化方法，其特征在于，S1中分析对象的几何信息包括定义单元属性信息和材料属性信息；材料属性信息包括弹性模量信息、泊松比信息和材料容重信息。
3.根据权利要求1所述的基于ANSYS-MATLAB的联合仿真与模型可视化方法，其特征在于，S1中离散后的信息包括单元个数、节点个数、单元编号、节点编号以及节点三维坐标。
4.根据权利要求1所述的基于ANSYS-MATLAB的联合仿真与模型可视化方法，其特征在于，特征值和自振频率的关系为：
Eigens＝(Freqs×2×π)2。
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