邵培，于存貴，魏浩

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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基于ABAQUS二次開發(fā)的旋壓參數(shù)化加工研究

邵培，于存貴，魏浩

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要：Python語(yǔ)言是ABAQUS軟件二次開發(fā)的腳本語(yǔ)言及開發(fā)平臺(tái)，旋壓加工是機(jī)械加工的新型加工方式。以旋壓加工仿真實(shí)例說(shuō)明了Python腳本語(yǔ)言在ABAQUS前、后處理模塊二次開發(fā)中的應(yīng)用，通過(guò)編寫Python腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的建模、定義材料、裝配、劃分網(wǎng)格、定義邊界條件和載荷及結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)輸出等參數(shù)化研究，并采用軟件自帶的求解方法及網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)來(lái)模擬旋壓加工的過(guò)程，通過(guò)結(jié)果數(shù)據(jù)得到的應(yīng)力及能量圖，為實(shí)際生產(chǎn)提供了合理的工藝依據(jù)，并為后續(xù)的機(jī)械旋壓加工提供加工方法。

關(guān)鍵詞：顯示分析；腳本語(yǔ)言；結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)；網(wǎng)格自適應(yīng)

0引言

ABAQUS是功能強(qiáng)大的進(jìn)行工程模擬的有限元軟件，有ABAQUS/CAE(前處理器)、ABAQUS/Standard(隱式求解器)和ABAQUS/Explicit(顯示分析求解器)、ABAQUS/Viewer(后處理器)等模塊，可以解決從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題的分析。其中ABAQUS/Explicit可以進(jìn)行顯示動(dòng)態(tài)分析，適用于求解復(fù)雜非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題，特別用于模擬短暫、瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)問(wèn)題，如模擬板料沖壓、旋壓等制造過(guò)程[1]。

自適應(yīng)有限元法(adaptive finite element method)是一種能通過(guò)自適應(yīng)分析自動(dòng)調(diào)整算法以改進(jìn)求解過(guò)程的數(shù)值方法。它以常規(guī)有限元法為基礎(chǔ)，以誤差估計(jì)和自適應(yīng)網(wǎng)格改進(jìn)技術(shù)為核心，具有較高的識(shí)別能力和選擇最優(yōu)參數(shù)的能力，以盡量少的計(jì)算量達(dá)到所要求的精度[2]。

Abaqus腳本語(yǔ)言—Python是一種模塊化的可擴(kuò)展語(yǔ)言，功能強(qiáng)大，可用于獨(dú)立程序，也可用于腳本程序。通過(guò)Python語(yǔ)言調(diào)用庫(kù)函數(shù)，可以直接操縱ABAQUS內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)建模、劃分網(wǎng)格、指定材料屬性、提交作業(yè)、后處理分析結(jié)果等操作，可以對(duì)ABAQUS的GUI用戶界面進(jìn)行二次開發(fā)，也可以編寫適合自己的腳本應(yīng)用程序等。

1ABAQUS/CAE處理過(guò)程和二次開發(fā)接口介紹

ABAQUS/CAE模塊式一個(gè)完整的ABAQUS環(huán)境，提供簡(jiǎn)單一致的接口，可以用來(lái)創(chuàng)建、提交、監(jiān)視和評(píng)價(jià)ABAQUS模擬所得到的結(jié)果。Python語(yǔ)言是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，ABAQUS的腳本接口是Python語(yǔ)言的擴(kuò)展，可以利用ABAQUS腳本接口繞過(guò)ABAQUS/CAE GUI，直接對(duì)ABAQUS內(nèi)核進(jìn)行操作，能用Python語(yǔ)言編制ABAQUS腳本接口可以執(zhí)行的程序。

ABAQUS二次開發(fā)有如下幾種途徑：1) 通過(guò)用戶子程序可以開發(fā)新的模型，控制ABAQUS計(jì)算過(guò)程和計(jì)算結(jié)果；2) 通過(guò)環(huán)境初始化文件可以改變ABAQUS的許多缺省設(shè)置；3) 通過(guò)內(nèi)核腳本可以實(shí)現(xiàn)前處理建模和后處理分析計(jì)算結(jié)果；4) 通過(guò)GUI腳本可以創(chuàng)建新的圖形用戶界面和用戶交互[3]。

本文通過(guò)編寫Python腳本語(yǔ)言控制ABAQUS內(nèi)核實(shí)現(xiàn)自動(dòng)前處理。

ABAQUS腳本接口是一個(gè)基于對(duì)象的程序庫(kù)，內(nèi)嵌腳本語(yǔ)言Python，提供了一套應(yīng)用程序編程接口 (API)來(lái)操作ABAQUS/CAE實(shí)現(xiàn)建模/后處理等功能。接口編程采用Python的語(yǔ)法編寫腳本，但擴(kuò)展了Python腳本語(yǔ)言，額外提供了大約500個(gè)對(duì)象模型。對(duì)象模型之間關(guān)系復(fù)雜，圖1展示了這些對(duì)象模型之間的層次結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系。其中，Container表示容器，里面包含有其他的對(duì)象；Singular object表示單個(gè)對(duì)象。整個(gè)對(duì)象模型被分成三類，其中，session對(duì)象用來(lái)定義視圖，遠(yuǎn)程隊(duì)列，用戶定義的視圖等，mdb對(duì)象包括 計(jì)算模型對(duì)象和作業(yè)對(duì)象，odb對(duì)象包括計(jì)算模型對(duì)象和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。每一類對(duì)象下面又包括各類子對(duì)象，比如mdb對(duì)象下面的計(jì)算模型models對(duì)象又包括很多子對(duì)象，如圖2所示[4]。

圖1　ABAQUS對(duì)象模型

圖2　mdb對(duì)象模型

2應(yīng)用舉例

通過(guò)一個(gè)例子來(lái)詳細(xì)分析Python腳本的編寫和常用ABAQUS對(duì)象模型的使用，從中可以體會(huì)到ABAQUS二次開發(fā)的強(qiáng)大功能和開發(fā)過(guò)程的簡(jiǎn)捷明了。

旋壓成型過(guò)程是將金屬坯料裝在芯模的頂部，旋輪通過(guò)軸向運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)坯料在旋輪滾壓作用下產(chǎn)生連續(xù)塑性變形，最終獲得所要求的的薄壁回轉(zhuǎn)體零件[5]。旋壓作為金屬塑性加工的一個(gè)重要分支，具有柔性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合加工多種金屬材料，是一種經(jīng)濟(jì)、快速成型薄壁回轉(zhuǎn)體零件的方法。旋壓加工技術(shù)作為近代塑性加工中的一個(gè)新工藝，在生產(chǎn)薄壁回轉(zhuǎn)體高精度零件上具有突出的優(yōu)點(diǎn)，已在航天、航空、造船、汽車、工程機(jī)械等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。本文描述的是旋壓加工模型，采用反旋，即毛坯下部施加固定約束，旋壓從上向下移動(dòng)，材料的流動(dòng)方向和旋輪方向相反。

下面開始分析每一條腳本命令[6]。

from abaqus import*

from abaqusConstants import*

from caeModules import*

為了使用ABAQUS提供的對(duì)象模型，首先需要導(dǎo)入幾個(gè)重要的模塊。導(dǎo)入abaqus模塊后，可以在腳本使用mdb對(duì)象，導(dǎo)入abaqusConstants模塊后，可以在腳本中使用ABAQUS預(yù)定義的一些常量，通常情況下會(huì)調(diào)用mdb對(duì)象。調(diào)用mdb對(duì)象的方法：Model創(chuàng)建一個(gè)模型，命名為Model-1，然后創(chuàng)建一個(gè)sketch對(duì)象，命名為Sketch-1。

s=mdb.models['Model-1']. ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=0.2)

s.sketchOptions.setValues(decimalPlaces=3)

s.ConstructionLine(point1=(0,-0.1),point2=(0,0.1))

s.rectangle(point1=(0.06,0),point2=(0.07,0.08))

s=mdb.models['Model-1']. ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=0.2)

s.sketchOptions.setValues(decimalPlaces=3)

s.ConstructionLine(point1=(0.0, -0.1), point2=(0.0, 0.1))

s.Line(point1=(0.0, 0.0), point2=(0.06, 0.0))

s.Line(point1=(0.06, 0.0), point2=(0.06, 0.15))

以上是按照實(shí)際模型的幾何尺寸，采用Python腳本語(yǔ)言創(chuàng)建兩個(gè)sketch草繪模型，分別是毛坯、芯模，包括毛坯的倒角、過(guò)渡圓角、芯模的圓角半徑等。同時(shí)還要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)旋輪，創(chuàng)建語(yǔ)句類似，不再贅述。

p=mdb.models['Model-1']. Part(name='roughcast', dimensionality=THREE_D,

type=DEFORMABLE_BODY)

p.BaseSolidRevolve(sketch=s, angle=360.0,flipRevolveDirection=OFF)

delmdb.models['Model-1']. sketches['__profile__']

p=mdb.models['Model-1']. Part(name='mould', dimensionality=THREE_D,

type=ANALYTIC_RIGID_SURFACE)

p.AnalyticRigidSurfRevolve(sketch=s)

delmdb.models['Model-1']. sketches['__profile__']

根據(jù)創(chuàng)建的sketch草繪模型將毛坯旋轉(zhuǎn)為三維實(shí)體模型，將芯模旋轉(zhuǎn)為三維解析剛體實(shí)體模型，同時(shí)兩旋輪也為解析剛體模型。

mdb.models['Model-1']. Material(name='steel')

mdb.models['Model-1']. materials['steel']. Density(table=((7800.0, ), ))

mdb.models['Model-1']. materials['steel']. Elastic(table=((206000000000.0, 0.3),))

以上通過(guò)Python腳本語(yǔ)言定義了毛坯的材料屬性為鋼，彈性模量為206MPa，泊松比為0.3。因?yàn)樾喓托灸Ｊ墙馕鰟傮w實(shí)體模型，不需要進(jìn)行材料的賦予。

a=mdb.models['Model-1']. rootAssembly

p=mdb.models['Model-1']. parts['mould']

a.Instance(name='mould-1', part=p, dependent=ON)

a.translate(instanceList=('roller02-1', ), vector=(0.167, 0.0, 0.0))

a=mdb.models['Model-1']. rootAssembly

region1=a.instances['roller01-1']. surfaces['roller01-outer']

region2=a.instances['roughcast-1']. surfaces['rough-outer']

mdb.models['Model-1']. SurfaceToSurfaceContactExp(name='roller01-roughcast',createStepName='Initial', master=region1,slave=region2,mechanicalConstraint=KINEMATIC, sliding=FINITE,

interactionProperty='IntProp-1', initialClearance=OMIT, datumAxis=None,

clearanceRegion=None)

a=mdb.models['Model-1']. rootAssembly

region=a.instances['mould-1']. sets['Set-RP-1']

mdb.models['Model-1']. DisplacementBC(name='BC-1', createStepName='Initial',

region=region, u1=SET, u2=SET, u3=SET, ur1=SET, ur2=SET, ur3=SET,

amplitude=UNSET, distributionType=UNIFORM,fieldName='', localCsys=None)

p = mdb.models['Model-1']. parts['roughcast']

c = p.cells

cells = c.getSequenceFromMask(mask=('[#1 ] ', ), )

pickedRegions =(cells, )

elemType1 = mesh.ElemType(elemCode=C3D8R, elemLibrary=EXPLICIT,

kinematicSplit=AVERAGE_STRAIN, secondOrderAccuracy=OFF,

hourglassControl=DEFAULT, distortionControl=DEFAULT)

elemType2 = mesh.ElemType(elemCode=C3D6, elemLibrary=EXPLICIT)

elemType3 = mesh.ElemType(elemCode=C3D4, elemLibrary=EXPLICIT)

p.setElementType(regions=pickedRegions, elemTypes=(elemType1, elemType2,

elemType3))

p = mdb.models['Model-1']. parts['roughcast']

p.generateMesh()

以上的語(yǔ)句分別為裝配、定義相互作用關(guān)系、邊界條件、網(wǎng)格劃分。依據(jù)模擬計(jì)算的精度要求，將毛坯采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體縮減積分單元C3D8R，旋輪和芯模為解析性剛體，無(wú)需選擇單元類型及網(wǎng)格劃分。

邊界條件：采取等效轉(zhuǎn)化方式把芯模與毛坯的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化到旋輪上來(lái)，即采用芯模與毛坯固定不動(dòng)，兩個(gè)旋輪在作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的同時(shí)繞毛坯旋轉(zhuǎn)，使旋輪按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)毛坯進(jìn)行加工。

接觸條件：旋壓成型過(guò)程中的接觸是邊界條件高度非線性的復(fù)雜問(wèn)題，要準(zhǔn)確追蹤接觸前旋輪、芯模和毛坯多個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)以及接觸發(fā)生后這些物體之間的相互作用。ABAQUS/Explicit提供的動(dòng)態(tài)顯示接觸對(duì)算法可以很好地模擬旋輪和毛坯、芯模與毛坯之間的接觸關(guān)系，主面為剛度較大的旋輪和芯模表面，從面為毛坯表面，最后生成的模型如圖3所示。

圖3　旋壓加工模型圖

3仿真結(jié)果分析

旋壓成型過(guò)程是將金屬坯料裝在芯模的頂部，旋輪通過(guò)軸向運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)，使旋輪坯料在旋輪滾壓作用下產(chǎn)生局部連續(xù)塑料變形，最終獲得所要求的薄壁回轉(zhuǎn)體零件。旋壓屬于局部連續(xù)性加工，瞬間的變形區(qū)小，所需總的變形力較小，加工設(shè)備要求簡(jiǎn)單；變形區(qū)大部分處于壓應(yīng)力狀態(tài)，為了提高零件的表面品質(zhì)和成型極限，往往需要經(jīng)多道次來(lái)完成。如圖4所示是旋壓的加工應(yīng)力模型。

影響旋壓成品成型精度的因素有很多，其中旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡的合理確定是影響加工成敗的關(guān)鍵因素。旋壓的運(yùn)動(dòng)軌跡通常有直線型、曲線型、直線—曲線型、往復(fù)圓弧型4種。通過(guò)采用各種不同形狀曲線進(jìn)行多道次普旋加工證實(shí)，中間道次曲線選擇不同曲率的圓弧曲線、Bessel曲線、漸開線等形式均可行，都優(yōu)于直線變形。在多道次旋壓加工過(guò)程中，旋輪的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線通常由不同形式的線段組合而成，即有與工件外輪廓相同的局部線段和后端漸開線段組合形成。可以看出，影響旋輪軌跡漸開線段的主要參數(shù)為初期道次起始仰角H10、最終道次漸開線參數(shù)角Hz及基圓半徑a等。其中H10角是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)，對(duì)旋壓成型性能影響很大，如果選擇過(guò)小，則初期道次工件易起皺；選擇過(guò)大，則會(huì)增加后續(xù)道次的難度，使工件壁厚變薄，甚至開裂。Hz角的大小決定了旋輪漸開線軌跡曲率的大小，選擇過(guò)小，工件初期道次旋壓易起皺。反之，則后續(xù)道次壁厚易變薄。

本文采用的彈塑性有限元方法，運(yùn)用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)完成筒形件旋壓加工過(guò)程的模擬，同時(shí)采用反選的往復(fù)圓弧型的運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)上面提到的在旋壓加工過(guò)程中，變形區(qū)的大部分處于壓應(yīng)力狀態(tài)，如圖4—圖7所示不同時(shí)刻的毛坯應(yīng)力變形圖，圖中所顯示的紅色區(qū)域是應(yīng)力變形最大的部位，毛坯與兩旋輪接觸的環(huán)形區(qū)域的應(yīng)力最大。

圖4　3.75s時(shí)刻的毛坯應(yīng)力變形圖

圖5　18.75s時(shí)刻的毛坯應(yīng)力變形圖

圖6　48.75s時(shí)刻的毛坯應(yīng)力變形圖

圖7　75s時(shí)刻的毛坯應(yīng)力變形圖

為了更好的描述旋壓加工過(guò)程中的應(yīng)力變形，選擇75s時(shí)刻節(jié)點(diǎn)5986到節(jié)點(diǎn)6006時(shí)的Mises應(yīng)力曲線圖，如圖8所示。由此可見紅色部分是變形最大的部位，且發(fā)生在兩旋輪與毛坯的接觸點(diǎn)部位，曲線中達(dá)到最高峰的那點(diǎn)應(yīng)力最大，最大為648.1MPa。

圖8　Mises應(yīng)力

旋壓在加工過(guò)程中，必然會(huì)損耗能量，如圖9是毛坯在進(jìn)行旋壓加工時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)能曲線圖。由圖9可以看出，隨著時(shí)間的增加，其內(nèi)能在逐漸上升；圖10是毛坯的動(dòng)能曲線，其呈現(xiàn)一種周期性振蕩形式；圖11是毛坯動(dòng)能與內(nèi)能比值的變化曲線，由圖11可以看出隨著內(nèi)能增加，動(dòng)蕩將明顯增加。

圖9　毛坯內(nèi)能曲線

圖10　毛坯動(dòng)能曲線

圖11　毛坯動(dòng)能與內(nèi)能比值變化曲線

4結(jié)論

通過(guò)Python腳本語(yǔ)言進(jìn)行旋壓加工實(shí)例的建模，設(shè)定材料參數(shù)、截面屬性、定義分析步、施加邊界條件和載荷，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格自適應(yīng)劃分、設(shè)置接觸等，實(shí)現(xiàn)了ABAQUS二次開發(fā)的前處理過(guò)程，有效節(jié)省前處理所花的時(shí)間，大大提高有限元分析效率。利用Python腳本語(yǔ)言除了能完成ABAQUS二次開發(fā)的前處理外，還能進(jìn)行后處理，包括提交作業(yè)、后處理觀察結(jié)果等。除此之外，本文還運(yùn)用ABAQUS/Explicit進(jìn)行顯示動(dòng)態(tài)分析，運(yùn)用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)完成筒形件旋壓加工過(guò)程的模擬，顯現(xiàn)了動(dòng)態(tài)仿真的效果，為實(shí)際生產(chǎn)提供合理的工藝參數(shù)，并提前對(duì)旋壓過(guò)程中可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行分析，便于延長(zhǎng)旋壓機(jī)的壽命，提高了產(chǎn)品品質(zhì)和減少試加工過(guò)程的消耗。

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Parametric Processing of Spinning Based on ABAQUS Secondary Development

SHAO Pei，YU Cun-gui，WEI Hao

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094，China)

Abstract:Python language is scripting languages and development platforms of The spin processing is a new machining method. This paper takes the spinning process simulation for example to describe the application of the Python scripting language in ABAQUS before and after processing module secondary development. The language is used to realize the automated modeling, definition of material, assembly, meshing, boundary conditions and loads and results database research output and ABAQUS / Explicit solving methods and adaptive grid technology are used to simulate the process of spin processing. According to the resulting data, the stress and energy diagrams are abtained. a reasonable basis is provided for the actual production and the processing method is given to the subsequent mechanical spinning process

Keywords:ABAQUS / Explicit; script language; results database; adaptive grid

收稿日期：2013-09-23

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)01-0109-04

作者簡(jiǎn)介：邵培(1989-)，女，江蘇南通人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榛鸺诘墓逃蓄l率匹配及優(yōu)化。