滑板车遭遇路沿引发的隐式显式联合仿真

Amaris

随着计算机硬件以及仿真软件的不断发展，用户对仿真分析的要求也越来越高，高效、准确并“全面逼近”真实的工程实际已经成为可能。众多工程问题中很多时候都涉及到隐式与显式联合仿真分析，这不但对求解器软硬件提出要求，也对用户的设置提出了更高的要求。本文从大型通用前后处理平台Ansa/meta出发，以近年来普遍关注的儿童玩具/游乐设备之一的滑板车为例，介绍如何设置隐式-显式（ABAQUS/Standard-ABAQUS/Explicit）联合仿真分析求解文件。

主要从以下4个部分进行描述：

1）  模型及工况说明

2）  设定隐式与显式联合仿真区域

3）  建立联合仿真分析

4）  输出ABAQUS计算文件

1、模型及工况介绍：

        如下图所示，滑板车车体简化为shell，车体板前后用连接单元与前后轮胎连接，手把用beam，骑行者用质量点等效并用coupling与车把和车体连接。路面处理为解析刚体。

        骑行者连同滑板车以3m/s的速度前行，整个分析属于显式问题（ABAQUS/Explicit）。虽然模型简单，但能够通过该算例说明如何在ANSA中设置隐式与显式联合仿真分析文件。

        模型中的有些零部件，比如轮胎，会与路面接触，尤其是前轮会与路沿发生碰撞，承受动态载荷，需要用显式求解器，因此，这些零部件需要进行显式分析。而滑板车车体（本例简化为shell）以及把手和骑行者可直接利用模态动力学计算，这可以直接用隐式求解器进行分析。需要说明的是，如果将滑板车车体用子结构代替，而仅保留必要的模态，可以更进一步提高效率。

2、设定隐式与显式联合仿真区域

利用Includes管理器设定三个分开的区域，包括：

a）滑板车车体及coupling-用于建立子结构；

b）滑板车的剩余部分以及骑行者-组成隐式求解区；

c）滑板车轮胎以及路面-显式求解区。

        三个区域的建立方式类似，以滑板车车体和coupling区设定为例，典型过程如下所示：

        在Includes中创建一个新的include，命名为'scooter_plate'，右键’out of includes’，选择new，左键直接将shell拖入'scooter_plate'。然后点击CONSTRAINT，双击弹出coupling选项卡，选择id号为1-4的对象，并同样拖拽至'scooter_plate'，从而完成'scooter_plate'的定义，且可以利用show only进行检查，其中包括滑板车车体和四个coupling约束。

3、建立联合仿真分析

       完成各个区域的定义后，利用Cosimulator定义联合仿真。典型过程如下：

利用AUXILIARIES>COSIM打开COSIMULATOR列表，利用New选项或者直接用New按钮，创建一个新的COSIMULATOR。利用Options定义*COSIMULATION CONTROLS。Cosimulation area列表中定义了联合仿真的结构，分为隐式和显式部分，每部分又包括了Regions和Steps。可在Regions上点击右键选择Newsubstructure定义子结构（属于Implicit），并可利用Edit对子结构进行编辑，进行相关设置。

        此时，已经创建了一个子结构通用分析步，再创建一个频率分析步以便完成模态分析为子结构的动态响应提供条件。激活“Select Eigenmodes”，并在Frequency Step框中输入“？”，跳出step帮助框，新建一个频率分析步，设置合适的参数，然后退出，并选择新建的频率分析步。随后，点击子结构分析步右侧的edit，设置子结构分析的相关参数后点击ok。

        通过Implicit下面的Substructure，：‘Add regions‘并在跳出的管理器中，双击选择'scooter_plate'，此时，'scooter_plate'会出现在Substructure选项下，子结构部分的联合仿真完成。为完成Implicit区域部分的定义，选择“Addregions”并选择'scooter_assembly'。至此，完成Implicit部分区域的定义包括子结构(scooter_plate)和常规区(scooter_assembly)。

        完成Implicit区定义后，需定义一个dynamic分析步，选择“Add Steps”，并完成相关分析步的设置，注意，打开几何非线性。完成后，右键点击刚生成的分析步，并选择“Mark for co-simulation”。至此，Implicit部分的定义完成。Explicit部分的设置类似，但对于区域可以不用选择，ANSA会自动选择剩余的区域。只需定义分析步，*DYNAMIC,EXPLICIT，并设置“Mark for co-simulation”。

上述设定完成后，可点击窗口中的Preview，对模型及设置进行预览检查。

4、输出联合求解文件

        联合分析定义好后，可利用File>Output>ABAQUS输出所需的必要文件以及子结构相关文件。设置inp的名字，如，scooter.inp，选择Abaqus的版本（如6.11），其他默认进行输出，一旦输出完成，在ansainfo窗口会出现子结构生成和联合仿真的必要命令，为了完成分析，需要先生成子结构，abaqus job=scooter_substructure interactive。

联合仿真的提交命令如下（以abaqus 6.11为例）

abaqus cosimulation cosimjob=scooter

job=scooter_impl，scooter_expl interactive

        Ansa与Abaqus都是功能强大的专业软件，利用Ansa完成Abaqus隐式显式联合仿真，强强联合，极大的方便了用户，提高了前处理的效率，而这也是专业CAE分析工程师的首选方案。

来源：FEAonline   有限元在线