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============为什么折腾这个文档========
我有一个计算线性动力学方程组的瞬态、谐响应和静力学的python程序,现希望开发一个将ANSYS组集好的总体矩阵导入该PYTHON程序中的接口。
该问题可分解为:
[STEP1] [ANSYS]->[包含矩阵信息的文件]
[STEP2] [包含矩阵信息的文件]->[python通用数据对象]
[STEP3] [python通用数据对象]->[程序特定数据对象]->[进行计算]
因此检索了一些帖子,基本上完成了这项工作,本文是对[STEP1]和[STEP2]的整理,并且利用[STEP3]对结果进行了验证
============主要内容==================
1,了解从ANSYS中提取总体矩阵和载荷向量的方法;
2,了解提取出来的矩阵是怎样表示的;
3,说明在Python中,如何读取这样的矩阵;
4,构造一个简单的算例,说明整个【建模】-【提取】-【读取】过程及其正确性;
======================================
=========站内检索综述====================
======================================
检索词:提取 矩阵
得到21个结果,代表性的帖子有下面这9个:
编号[1]
标题:ansys中怎样提取质量,刚度,阻尼矩阵?
地址:http://forum.vibunion.com/thread-34163-1-1.html
要点:pengweicai给出了一段网上最常见的提取代码,该程序以fortran写成,可以利用.full文件以及一些列约定将ANSYS中的总体矩阵读入FORTRAN中。
编号[2]
标题:如何得知HBMAT命令提取的质量、刚度矩阵对应的自由度?
地址:http://forum.vibunion.com/thread-83591-1-1.html
要点:提出了使用HBMAT命令提取稀疏矩阵时常见的问题:我们如何知道提取出来的信息是怎么储存的呢?
编号[3]
标题:[分享]ANSYS中整体、单元刚度和质量矩阵的提取
地址:http://forum.vibunion.com/thread-2159-1-1.html
要点:在该帖子的7楼,其实已经给出了帖子[2]中问题的解答,即HBMAT中提取出来的矩阵是Harwell-Boeing格式的,并且给出了该格式的细节,可惜是英文的,没引起多少关注。
编号[4]
标题:帮我看看提取的刚度与质量矩阵
地址:http://forum.vibunion.com/thread-81771-1-1.html
要点:这个帖子所示的矩阵并非是使用HBMAT命令提出出来的,而应该是SELIST命令列举出来的未压缩的矩阵,后续楼层的回帖给了大家一个提示,即有可能提取出来的矩阵是引入了边界条件的(即删除了被约束的行和列的)。
编号[5]
标题:提取刚度矩阵的问题
地址:http://forum.vibunion.com/thread-78639-1-1.html
要点:本帖作者的工作是基于单元刚度矩阵的,因此ANSYS中提取的单元刚度矩阵是否处于总体坐标系就成为问题。该问题并非本文内容,但仍值得关注。
编号[6]
标题:提取刚度矩阵丢失节点的问题
地址:http://forum.vibunion.com/thread-78852-1-1.html
要点:帖子[5]作者的又一帖,在这里帖子[5]的问题得到了欧阳中华老师的回答。
编号[7]
标题:提取刚度矩阵的ANSYS操作过程
地址:http://forum.vibunion.com/thread-61253-1-1.html
要点:实际上这就是使用HBMAT从ANSYS中提取总体矩阵的全过程!只是还有一些细节待确定。
编号[8]
标题:提取整体刚度矩阵、质量矩阵及阻尼矩阵的简单方法
地址:http://forum.vibunion.com/thread-8014-1-1.html
要点:给出了利用“不减缩的”子结构方法来得到总体矩阵的方法(这也是网络上常见的代码之一)
编号[9]
标题:质量矩阵、刚度矩阵如何提取?
地址:http://forum.vibunion.com/thread-56104-1-1.html
要点:16443在5楼的回帖中给出了提取刚度矩阵的三种方法
========================================
=======站外检索略述========================
========================================
百度检索:提取 矩阵
比较好的帖子有:
编号[10]
来源:百度文库
标题:怎样从ansys中提取单元刚度矩阵与质量矩阵
地址:http://wenku.baidu.com/view/3cf5e567f5335a8102d220d9.html
要点:这应该就是16443在帖子[9]中回复的内容了,全面的总结了在帖子[3,4,5,9]中涉及的问题。
编号[11]
来源:中华钢结构
标题:ansys刚度矩阵Harwell-Boeing格式的具体含义讨论
地址:http://okok.org/forum/viewthread.php?tid=184007
要点:如题,后续楼层给出了一些将矩阵读入ANSYS的APDL(好不容易读出来,又读进去干嘛呢……)
编号[12]
来源:simwe
标题:关于ANSYS(质量、刚度、阻尼)矩阵Harwell-boeing格式数据的说明
地址:http://forum.simwe.com/archiver/tid-924778.html
要点:比[11]更透彻的HB格式说明!
=============================================================
=======1.从ANSYS中提取总体矩阵的方法=================================
=============================================================
1,用/DEBUG命令
2,子结构法
3,HBMAT
详见帖子[10]
PS.个人感觉HBMAT方法最靠谱,一是它的格式(Harwell-boeing)在很多场合都是通用的,二是BHMAT命令是文档化的、功能就是用来提取总体刚度矩阵的命令。因此,相比于子结构法的剑走偏锋,/DEBUG命令的繁复,HBMAT命令方法更“标准”一些,因此在后文只关注此方法。
=============================================================
=======2.BH格式的矩阵是如何表示的===================================
=============================================================
HBMAT命令并不是很复杂的命令,稍复杂的地方是采用该命令提取出来的矩阵是经过压缩的,称为Harwell-boeing格式,也叫Compressed Sparse Column格式。
其具体压缩和还原方式见帖子[3](English)或[11][12](中文)
=============================================================
=======3.如何在Python中读入BH格式的矩阵===============================
=============================================================
上文说过,Harwell-boeing格式,也叫Compressed Sparse Column格式,而Python.scipy中就有这样的稀疏矩阵:
- class scipy.sparse.csc_matrix(arg1, shape=None, dtype=None, copy=False, dims=None, nzmax=None)
复制代码
可以通过HB文件中直接读取的行标指针,行标和数据创建,例如:- >>> indptr = array([0,2,3,6])
- >>> indices = array([0,2,2,0,1,2])
- >>> data = array([1,2,3,4,5,6])
- >>> csc_matrix( (data,indices,indptr), shape=(3,3) ).todense()
- matrix([[1, 0, 4],
- [0, 0, 5],
- [2, 3, 6]])
复制代码
对应的HB文件应为(*号部分表示并非本例关注的数据):
- Rainyboy Testing Matrix in BH format
- *** 4 6 6 0
- RRA ** ** ** 0
- (I14) (I14) (d25.15) (d25.15)
- 0
- 2
- 3
- 6
- 0
- 2
- 2
- 0
- 1
- 2
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
复制代码
由文件头可知,indptr的长度为4,因此0,2,3,6就是indotr的内容
indices的长度为6,因此后续的0,2,2,0,1,2就是indices的内容
data的长度为6,因此后续的1,2,3,4,5,6就是data的内容
=============================================================
=======4.一个【建模】-【提取】-【读取】-【计算】的例子===============
=================================================================多说无益,上例子吧!
【建模APDL】
- FINISH
- /CLEAR
- /TITLE,CASE STUDY _BEAM _BEAM3 BY RAINYBOY
- /PREP7
- /ESHAPE,1 !显示壳单元厚度
- !**********************
- !几何参数表
- !**********************
- *SET,L_HORI,0.1 !横梁的长度
- *SET,TA,0.005 !正方形截面的边长
- *SET,MESHCOUNT,2 !每段的分网数
- *SET,IZZ,TA*TA*TA*TA/12 !转动惯量
- *SET,IYY,TA*TA*TA*TA/12 !转动惯量
- !**********************
- !材料参数表
- !**********************
- *SET,MEX,1.78E11 !弹性模量
- *SET,MPRXY,0.3 !泊松比
- *SET,MDENS,7850 !密度
- !**********************
- !相关设置
- !**********************
- MP,EX,1,MEX !设置材料弹性模量
- MP,PRXY,1,MPRXY !设置材料泊松比
- MP,DENS,1,MDENS !设置材料密度
- BETAD,1E-5 !BETA阻尼
- ET,1,BEAM3 !设置平面梁单元
- R,1,TA*TA,IZZ,TA !设置截面参数
- !DMPRAT,0.10000 !阻尼比
- !**********************
- !几何->分网
- !**********************
- TYPE,1 !指定分网类型
- MAT,1 !指定材料类型
- REAL,1 !指定实参数
- K,1,0,0,0 !建立三个关键点
- K,2,L_HORI,0,0
- L,1,2 !建立几何体
- ALLSEL,ALL
- LESIZE,ALL,,,MESHCOUNT !设置线段分网数
- LMESH,ALL !分网
- !**********************
- !几何约束
- !**********************
- ALLSEL,ALL
- NSEL,S,LOC,X,0 !选择固定端节点
- D,ALL,ALL !设置为约束所有自由度
- ALLSEL,ALL
- NSEL,S,LOC,X,L_HORI
- F,ALL,FY,10 !力载荷
- ALLSEL,ALL
- save
复制代码
【提取APDL】
- !进行一次QRDAMP分析,以生成包含K、M、C和RHS的FULL文件
- /SOLU
- ANTYPE,MODAL
- MODOPT,QRDAMP,2,2
- SOLVE
- !将对应的矩阵提取到文件中
- /AUX2
- FILE,re,FULL
- HBMAT,K_RHS,txt,ASCII,,STIFF,YES
- HBMAT,M,txt,ASCII,,MASS,YES
- HBMAT,C,txt,ASCII,,DAMP,YES
- FINISH
复制代码
【ANSYS谐响应分析】(计算完毕后,手动把受力点的频响结果存在ree.txt中)
- /SOLU
- ANTYPE,HARM
- HARFRQ,0,502
- NSUBST,251
- KBC,1
- HROPT,FULL
- HROUT,OFF
- LUMPM,0
- EQSLV, ,1e-008,
- SOLVE
复制代码
【读取&计算】(运行APP_HP_From_ANSYS.py之前在当前目录准备刚才ANSYS计算目录下的K_RHS.txt,M.txt,K.txt,ree.txt)
- # -*- coding: cp936 -*-
- #2011.4 重构动力学计算程序
- #使之可计算线性问题的瞬态和谐响应
- #使之可从文件读入矩阵
- #范雨 rainyboy@188.com
- #本文件包含:一个应用
- #从ANSYS中导出一个模型的M,K,C和F信息,进行谐响应分析。
- #与ANSYS的谐响应结果进行对比。
- import numpy as math;
- from MechanicMode import *;
- from HP_FullMethod import *;
- from ReadMatricFromFile import*;
- if __name__ == '__main__':
- K_RHS_filename = "K_RHS.txt";
- M_filename = "M.txt";
- C_filename = "C.txt";
- df = 2;
- freqzone = (0,500);
- (K,RHS) = ReadDensMatrixFromFile(K_RHS_filename,True,True);
- M = ReadDensMatrixFromFile(M_filename,True,False);
- C = ReadDensMatrixFromFile(C_filename,True,False);
- #K*1e-5
- InitCondition = math.matrix(math.zeros((RHS.shape[1],3),dtype=float));
- def forceFunc(f):
- return RHS;
- Mode = LinearMechanicMode(M,K,C,InitCondition,forceFunc);
- Method = FullMethod();
- Method.setMode(Mode);
- Method.solve(df,freqzone);
- #读入ANSYS的求解结果y
- f = open("ree.txt");
- fcmp = [];
- dcomp = [];
- while(True):
- line = f.readline();
- if not line:
- break;
- infolist = line.split();
- fcmp.append(float(infolist[0]));
- dcomp.append(float(infolist[1]));
- #绘对比图
- Method.ComapareFreqHist(fcmp,dcomp,4);
复制代码
【结果对比图】
【控制台输出】
正在读取:K_RHS.txt
文件说明:Stiffness matrix from ANSYS FULL file dumped into Harwell-Boeing format
行指针个数:7
行标个数:12
非零数据个数:12
右端数据个数:6
正在读取:M.txt
文件说明: Mass matrix from ANSYS FULL file dumped into Harwell-Boeing format
行指针个数:7
行标个数:12
非零数据个数:12
右端数据个数:6
正在读取:C.txt
文件说明: Damping matrix from ANSYS FULL file dumped into Harwell-Boeing format
行指针个数:7
行标个数:12
非零数据个数:12
右端数据个数:6
=============================================================
======5.值得注意的事情============================================
=============================================================
1,为什么在提取矩阵之前要进行QRDAMP的模态分析?
ANSYS帮助说,BHMAT命令中来获取DAMP参数,仅当进行考虑阻尼的模态分析时才有效:
DAMP — Write damping matrix to output matrix file. Only valid for damped modal analyses.
因此,我选择了QRDAMP,我只是借助该方法生成FULL文件,并不关注其求解结果
2,注意,在本例中(以及大多数场合),ANSYS导出的矩阵是对称的,即只导出了下三角(或上三角),在ReadFromFile.py中的ReadDensMatrixFromFile函数作了相应的处理,使得到的矩阵是一个对称的满阵。而ReadSparseMatrixFromFile函数则没有。
3,注意,导出的矩阵已经引入了约束条件,即固定的自由度已经被删去了,这就是为什么上述测试用例中,明明是3个BEAM3单元(每个单元3个自由度),得到的矩阵只有6*6。
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欢迎你来算法区讨论python:
http://forum.vibunion.com/forum-25-1.html
附件包含全部代码、可执行模块和测试用例:
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