目 录
- 一、前言
- 二、超单元分析
- 三、惯性释放
- 四、模态叠加法
- 4.1 Eigenvalue solvers
- 4.2 Static back substitution
- 五、模态综合法
- 六、Master-Slave
- 七、参考文献
一、前言
SESAM （Super Element Structure Analysis Module）是由挪威船级社（DNV-GL）开发的一款有限元分析（FEA）系统，主要用于海洋工程结构的水动力分析和结构分析。它是以有限元位移法为基本原理进行开发的，由四大组程序组成：前处理器、水动力分析程序、结构分析程序和后处理器。各程序间通过 SESAM 接口文件/格式（Sesam Interface Files）实现数据的交换与传递。
SESAM 是海工结构分析领域的标准软件，由 Presel、Wadam、Wasim、Sestra、Simo、Riflex、Xtract、Stofat 等数十个程序构成。这些程序实现了 SESAM 的四大类功能，即：前处理、水动力分析、结构分析和后处理。由于 Wadam 等程序无法直接访问，为了方便建模与分析，SESAM 提供了 GeniE、HydroD、Sima（DeepC）等集成工具，用于驱动程序的运行。GeniE、HydroD 和 Sima/DeepC 分别是 SESAM 系统的建模及前处理模块、水动/静力计算模块和深水耦合分析模块。
| 序号 | 工具名称 | 功能 |
|---|---|---|
| 01 | GeniE | Concept modelling of beam, plate and shell structures, Analysis workflows and Code checking |
| 02 | HydroD | Hydrodynamic and Hydrostatic analysis |
| 03 | Sima | Marine operations and mooring analyses |
Sestra（Linear structural analysis）是 SESAM 的静力和动力结构分析程序，它以有限单元法的位移公式为基本原理。除了线性结构分析，Sestra 还可以执行间隙/接触、拉压、线性屈曲、应力刚化和惯性释放等类型的分析。作为 SESAM 系统的结构分析求解器，Sestra 使用 GeniE 等创建的模型作为输入数据，并生成供各种后处理工具使用的结果数据。在 GeniE 中提交的结构分析是由 Sestra 进行求解计算的。
二、超单元分析
多层级超单元技术（ multilevel superelement technique）指的是：将被分析结构拆分为若干个部分（部件/超单元），分别建模或分析，而后把它们装配起来形成完整的模型。类似于 Abaqus 中的 Part 与 Assembly 模块。超单元技术是 SESAM 系统中广泛应用的特色技术：GeniE 创建第一层级超单元，Presel 装配超单元，Wajac 和 Wadam 计算超单元装配体的荷载与运动，Sestra 分析超单元装配体的应力，后处理器（Xtract、Framework、Stofa）操作超单元装配体等。
随着计算机技术和算力的不断提升，如今超单元技术已无太多存在的必要。但是诸多优点的存在，使它保留至今。例如：不同的团队可以通过超单元协同工作；以前分析过的模型可以作为超单元添加到新建模型；巨大模型的结果文件分块利用，便于结果后处理；解耦线性与非线性区域，使非线性分析具有更高效率。
三、惯性释放
船舶、飞行器、浮式装置等自由结构，因无任何边界条件的约束，在外荷载作用下容易发生刚体位移。对于存在刚体位移的结构，无法实现结构的应力分析。这主要是因为体系缺少必要的约束，造成结构整体刚度矩阵奇异，导致运动方程的位移解答不唯一。目前，工程上主要采用弱弹簧法（Weak Spring）和惯性释放（Inertia Relief）法解决这一问题。
在 SESAM 系统中，采用惯性释放方法求解自由结构的静力问题。惯性释放以达郎贝尔原理为理论基础，通过虚设支座的方式保证结构整体刚度矩阵非奇异。为了消除虚设支座带来的影响，以结构惯性力来平衡外力，使虚设支座处的反力始终保持或接近为 0。虚设支座的操作方式是：在结构上任取三个结点，分别固定每个结点的三个、两个和一个平动自由度。虚设支座的目的是：通过添加适当的边界条件，消除 6 个刚体自由度（平面问题为 3 个）。平衡外载的惯性力无需单独指定，惯性释放将自动计算需要施加的惯性力。值得注意的是，惯性释放（Inertia Relief）仅适用于无约束自由结构的线性静力分析。在惯性释放分析中，所引入的虚支座会影响结构的位移分布，但不会影响结构的应力分布，因此可以用来校核自由结构的强度。
四、模态叠加法
模态叠加法（Modal Superposition）又称振型叠加法，它是以系统无阻尼的振型（模态）为空间基底，通过坐标变换，使原动力方程解耦，求解 n 个相互独立的方程获得模态位移，进而通过叠加各阶模态的贡献求得系统的响应。在对线性结构执行动态响应分析时，使用模态叠加技术能够大幅缩短计算时间。
模态叠加法主要用于频域和时域动力分析，它的原理是用模态振型（mode shapes）代替模型的自由度。采用该方法分析动力问题时，首先执行的是自由振动（特征值）分析，一旦特征值问题求解完成，将很容易获得动力问题的解答。模态叠加法的分析精度与所选取的模态振型有关，所选取的模态振型越多，分析结果越接近直接积分法的计算结果，亦即分析精度越高。
4.1 Eigenvalue solvers
4.2 Static back substitution
通常，轴向和平面内应变很难通过一阶阵型来描述，这是因为轴向和面内刚度远高于横向和面外刚度。因此，梁的轴力和板壳面内应力是不准确的。SESAM 采用静力回代法（Static Back Substitution）修复模态叠加法这一弱点。
五、模态综合法
模态综合法（Component Mode Synthesis）是解决复杂结构系统振动问题的有效方法，广泛应用于航空航天、船舶和海洋工程等领域。它是一种用于动力分析的简化技术，类似于用于静力分析的超单元技术。模态综合的基本原理是：将一个复杂结构分解成若干个较为简单的子结构，对各子结构进行结构振动特性分析，根据对接面上的协调条件再将这些子结构合成一总体结构，利用各子结构的振动形态得出总体结构的振动形态。当采用模态综合法进行结构体系固有特性的求解和动力响应分析时，只需计算子结构的少数几个主模态（主振型），能有效地缩减自由度而不改变系统的物理本质。
六、Master-Slave
七、参考文献
[1]. Sesam Feature Description - Sestra (Compute structural response to static and dynamic loading).
[2]. Sesam User Manual - Sestra (Compute structural response to static and dynamic loading).
[3]. Sesam Theory Manual - Sestra (Compute structural response to static and dynamic loading).
[4]. 关于风机 叶片/荷载/控制 方面的介绍请访问：https://www.zhihu.com/column/c_1485646874003058688
[5]. 关于风机 有限元分析 方面的介绍请访问：https://blog.csdn.net/shengyutou
[6]. 联系作者 ，Email： liyang@alu.hit.edu.cn，WeChat/Weixin： 761358045
[7]. 鸣谢：哈尔滨工业大学土木工程学院、金风科技中央研究院、三一集团
