史超逸

(同濟大學 應用力學所,上海 200092)

1 Abaqus二次開發(fā)及其優(yōu)勢

Abaqus二次開發(fā)是在有限元軟件Abaqus基礎上,通過腳本編程或使用提供的二次開發(fā)接口進行功能擴展和定制化開發(fā)。用戶可用Python或Fortran等語言編寫腳本,實現(xiàn)自動建模、定制邊界條件和材料模型等功能。利用Python進行二次開發(fā)具有優(yōu)勢,與GUI建模和INP文件建模相比,Python腳本可實現(xiàn)自動化、參數(shù)化建模,提高模型創(chuàng)建的可重復性,同時代碼簡潔、易讀,具有靈活性和動態(tài)性。Python建模還具備獨立性和可移植性,可為用戶提供更高效的異常處理機制,有助于提高代碼的重用性和調試效率。Abaqus的軟件結構見圖1。

2 Abaqus腳本接口簡介

Abaqus腳本接口是一個強大的工具,能夠通過Python語言編程實現(xiàn)Abaqus/CAE中的全部功能,包括模型屬性的創(chuàng)建和修改、作業(yè)分析的提交與修改,以及分析結果的查看等。所有指令經過Python解釋器后生成rpy文件,并在Abaqus/CAE中轉化為INP文件,通過隱式或顯式求解器進行分析,最終生成ODB文件供后處理使用。該接口語法與Python相同,但引入了核心模塊,并擴展了多種數(shù)據(jù)類型,如符號常數(shù)、庫、數(shù)組、布爾類型和序列等。符號常數(shù)用于表示方法中的自變量或對象的成員值,庫則是特定類型對象的容器,例如部件庫和材料庫。通過軟件自帶的學習工具AbaqusScriptingReferenceManual可獲得更詳細的信息。

3 Abaqus二次開發(fā)學習工具

學習Abaqus二次開發(fā)要熟悉Abaqus操作和基本的Python語言。比較Abaqus/CAE操作和Abaqus.rpy文件中的Python代碼的學習方式,能幫助初學者逐步理解各命令用法、快速上手,可以利用2個重要工具PythonReader.exe和AbaqusScriptingReferenceManual。由焦中良博士開發(fā)的PythonReader.exe可實時記錄Abaqus/CAE操作對應的腳本命令,提供警告和錯誤信息,方便學習者實時復制粘貼,實現(xiàn)參數(shù)化分析,避免重復建模。AbaqusScriptingReferenceManual是Abaqus官方手冊,詳細介紹Abaqus對象模型的Python命令,包括腳本基礎、模型創(chuàng)建、分析控制和后處理等,提供實用示例,幫助更靈活地應對有限元分析任務。結合這2個工具,初學者能更高效地掌握Abaqus二次開發(fā)技能。

4 案例實操

從細觀尺度建模,探究骨料顆粒級配對于顆粒增強復合材料壓縮性能的影響,模型指標為等效彈性模量。等效彈性模量是多相復合材料力學性能的基本指標,是工程材料重要的性能參數(shù),是衡量物體抵抗彈性變形能力的尺度。材料彈性模量越大,發(fā)生一定彈性變形所需要的應力也越大,材料的抗變形能力就越高,材料性能也相對穩(wěn)定。本案例演示性分析顆粒增強復合材料的等效彈性模量,難點在于隨機分布的骨料顆粒的模型建立,此處利用Python腳本實現(xiàn)。

利用Python編寫前處理建模腳本

第一步:導入必要的函數(shù)包,命令見圖2。

圖2 導入必要的函數(shù)包命令

第二步:設置保存路徑,命令見圖3。

圖3 設置保存路徑命令

第三步:利用Python語言實現(xiàn)骨料顆粒的創(chuàng)建,命令見圖4～9。

圖 4 定義防止圓形骨科顆粒干涉的判斷函數(shù)

圖 5 生成不同半徑對應數(shù)量的圓形骨料顆粒的圓心位置信息

圖 6 創(chuàng)建圓形骨料顆粒部件

圖 7 創(chuàng)建矩形截面

圖 8 創(chuàng)建實例

圖 9 生成骨料顆粒

生成的顆粒增強復合材料的骨料顆粒和基體部件模型示意見圖10。

(a)骨料顆粒

第四步:利用Python語言設置材料屬性,命令見圖11,設置窗口見圖12。

圖11 設置材料屬性命令

圖12 利用Python語言生成的骨料顆粒材料屬性設置窗口

在上述案例中,Abaqus利用Python語言實現(xiàn)復雜圖形的自動化建模和定制材料屬性功能,可以感受到二次開發(fā)對提高效率、定制化功能、參數(shù)化建模等的巨大優(yōu)勢。基于Python語言的Abaqus二次開發(fā)還不止于此,Abaqus工作全流程自動化都可以實現(xiàn),如創(chuàng)建加載、邊界條件、提交分、后處理等,有待進一步研究學習。

(摘自同濟大學鄭百林教授《CAE操作技能與實踐》課堂講義)