abaqus二次開發(fā)中pyhon脫模技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

abaqus二次開發(fā)中pyhon脫模技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

abaqus數(shù)值模擬前處理為了滿足汽車行業(yè)的大規(guī)模、快速、靈活生產(chǎn)的需求，以東風(fēng)機(jī)械工業(yè)為代表的日本系汽車廠逐步引入了高速壓板生產(chǎn)。壓壓頻率從原來的每小時(shí)7次增加到每小時(shí)12次，壓壓速度幾乎翻了一番。同時(shí)，線性產(chǎn)量和模型利用率也有所增加。然而，由于缺乏對(duì)汽車鋼板高速?zèng)_孔特征的研究和掌握，無法提供有效的工藝改進(jìn)措施和模型改進(jìn)方案。另外,沖壓速度的提升使板料和模具之間的相對(duì)滑動(dòng)速度提高,從而導(dǎo)致模具和板料的溫度升高增加,影響板料和模具之間的摩擦狀況,溫度的升高和摩擦狀況的改變往往會(huì)影響板料的成形性能,因此,準(zhǔn)確獲得板料在沖壓過程中各點(diǎn)滑動(dòng)速度顯得尤為重要。目前沖頭的速度已經(jīng)知道,但是其并不等于板料和模具之間的滑動(dòng)速度,為獲得板料的相對(duì)滑動(dòng)速度,本文采用有限元數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了研究,旨在通過輸入沖頭的實(shí)際速度,獲得板料在沖壓過程中各個(gè)部位的相對(duì)滑動(dòng)速度。ABAQUS作為一種功能強(qiáng)大的通用有限元分析軟件,在板料沖壓等準(zhǔn)靜態(tài)過程中有很好的應(yīng)用。為了研究快速成形過程中變形速度的實(shí)際變化,需要對(duì)成形過程中真實(shí)的加載速率進(jìn)行模擬,分析結(jié)點(diǎn)的滑動(dòng)速度和壓力機(jī)加載速率之間的關(guān)系,找到加載過程中變形速度的變化規(guī)律。因此,需要利用ABAQUS軟件提供的接口,編寫創(chuàng)建真實(shí)加載速度的腳本程序,盡可能真實(shí)地模擬加載過程。本文基于Python語言對(duì)ABAQUS前處理過程進(jìn)行了開發(fā)。通過用戶自定義壓力機(jī)參數(shù)計(jì)算加載速率的幅值曲線。通過計(jì)算實(shí)例,分析結(jié)點(diǎn)的滑動(dòng)速度和結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系,為后續(xù)的實(shí)際試驗(yàn)提供分析依據(jù)。同時(shí),本文的研究也為基于Python的研究開發(fā)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用,提供了重要的指導(dǎo)和借鑒。1abaqus軟件及其python腳本的介紹1.1基于abaqus的程序開發(fā)ABAQUS軟件具有很強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性,允許用戶根據(jù)自己的需要編寫子程序,ABAQUS提供了豐富的編程接口供用戶使用,常見的開發(fā)主要有以下幾種途徑:1)通過用戶子程序可以開發(fā)新的模型,控制ABAQUS計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果;2)通過內(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;3)通過GUI腳本可以創(chuàng)建新的圖形用戶界面和用戶交互。本文用到的是第2)種和第3)種方法,通過圖形用戶界面(GUI)得到用戶輸入的參數(shù),通過Python腳本控制ABAQUS內(nèi)核實(shí)現(xiàn)前后處理的操作。1.2abaqus前處理ABAQUS腳本接口是一個(gè)基于對(duì)象的程序庫,內(nèi)嵌腳本語言Python。ABAQUS采用Python的語法編寫腳本,但擴(kuò)展了Python腳本語言,額外提供了大約500個(gè)對(duì)象模型。ABAQUS對(duì)象模型分為session,mdb,odb3類。session對(duì)象用來定義視圖,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)。對(duì)ABAQUS前處理模塊進(jìn)行二次開發(fā),主要是對(duì)models對(duì)象進(jìn)行操作。models幾乎包含了建模編程需要的所有對(duì)象類型,是主要考慮的對(duì)象類型。圖1展示了這些模型之間的層次結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系。2曲柄壓力機(jī)用戶主程序編寫基于Python對(duì)ABAQUS前處理模塊進(jìn)行二次開發(fā),建立曲柄壓力機(jī)的真實(shí)加載幅值曲線。曲柄壓力機(jī)的滑塊速度由滑塊行程S、連桿長度L、曲柄轉(zhuǎn)速n決定,同時(shí),為使程序更易于用戶使用和方便操作,需要編寫用戶界面程序和Plug-in程序。同理,為使用戶更直觀地觀察所創(chuàng)建的幅值對(duì)象,編寫了加載幅值的自動(dòng)繪圖程序。通過提取用戶當(dāng)前創(chuàng)建的幅值對(duì)象,繪制幅值曲線。2.1+2sin圖2所示為結(jié)點(diǎn)正置的曲柄壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡圖,所謂結(jié)點(diǎn)正置是指滑塊和連桿的連接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡位于曲柄旋轉(zhuǎn)中心和連接點(diǎn)的連線上。壓力機(jī)的加載速度計(jì)算公式為v=ωR(sinα+λ2sin2α)(1)v=ωR(sinα+λ2sin2α)(1)壓力機(jī)的加載滑塊位移計(jì)算公式為D=R[(1?cosα)+λ4(1?cos2α)](2)D=R[(1-cosα)+λ4(1-cos2α)](2)式中v——滑塊速度(向下方向?yàn)檎?D——滑塊位移(向下方向?yàn)檎?n——曲柄轉(zhuǎn)速ω——曲柄角速度,ω=2πnα——曲柄轉(zhuǎn)角,α=ωtR——曲柄的半徑,R=S/2(S為滑塊位移)λ——連桿系數(shù),λ=R/L(L為連桿長度)由式(2)并利用余弦定理,可得滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)間與位移的關(guān)系式:t=arccos[1+c2λ?2c2(1+λ?cλ)]/ω?c=D/R(3)t=arccos[1+c2λ-2c2(1+λ-cλ)]/ω?c=D/R(3)2.2基于激光的滑動(dòng)加載幅值測(cè)量算法開發(fā)引入ABAQUS的幾個(gè)基本模塊,定義創(chuàng)建光滑幅值曲線的函數(shù),采用式(1)計(jì)算壓力機(jī)的加載速率,創(chuàng)建光滑加載幅值對(duì)象。表1為所開發(fā)的核心程序代碼。將程序保存成后綴為.py的Python文件。將其與GUI程序和Plug-in程序放在ABAQUS的安裝文件夾中的abaqus_plugins目錄下,啟動(dòng)ABAQUS軟件,進(jìn)入Plug-ins菜單欄,就可以非常方便地創(chuàng)建加載幅值對(duì)象。3快速壓縮法的應(yīng)用python程序3.1剛性模具設(shè)備本文以金屬板料彎曲成型為例(如圖3所示),說明所開發(fā)的Python程序在快速?zèng)_壓成形中的應(yīng)用過程。該模型包含可變形毛坯和3個(gè)剛性模具4個(gè)部件,模型工作部分尺寸為,模具采用半徑為50mm的凸模、內(nèi)徑為半徑51mm的凹模及半徑為52mm的平面環(huán)形壓邊圈。試樣為厚度1mm的高強(qiáng)鋼板,直徑為200mm。壓邊力為440kN,接觸摩擦系數(shù)為0.1。由于板材及模具具有對(duì)稱性,在建立有限元計(jì)算模型時(shí)取模具和板料的1/2,以提高計(jì)算效率。3.2滑動(dòng)速度分析采用ABAQUS/Explicit方法對(duì)成形過程進(jìn)行模擬。在Step模塊中創(chuàng)建兩個(gè)分析步,在第一個(gè)分析步中施加壓邊力,在第二個(gè)分析步中施加沖壓力。在成形模擬中,為使得計(jì)算結(jié)果盡可能光滑,需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)光滑的幅值曲線,傳統(tǒng)的方法是在加載過程中加入光滑步驟幅值曲線,用戶定義初始和最終的數(shù)據(jù)點(diǎn),將自動(dòng)生成一條光滑幅值曲線,使用這種載荷幅值允許用戶進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析。定義模型的接觸、相互作用以及邊界條件,板料的拉深距離設(shè)為30mm,劃分網(wǎng)格并指定增強(qiáng)沙漏控制,創(chuàng)建作業(yè)并提交分析計(jì)算。在后處理過程中,分析結(jié)點(diǎn)的滑動(dòng)速度和結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系?；瑒?dòng)速度是板料接觸面和模具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,只有板料和模具接觸才會(huì)有速度,否則速度為零。結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度為板料的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度,由于板料的應(yīng)變速率相對(duì)于加載速率來說較小,不考慮板料應(yīng)變速率的影響,因此,可認(rèn)為板料上結(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度在數(shù)值上與壓力機(jī)的加載速度一致。圖3中板料水平部分結(jié)點(diǎn)A處的結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度Va以及直壁部分結(jié)點(diǎn)B處的結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度Vb在同一時(shí)刻數(shù)值上相等,且都等于壓力機(jī)的加載速度。因此,可以通過比較板料上固定結(jié)點(diǎn)的滑動(dòng)速度和結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度,獲得在成形過程中實(shí)際壓力機(jī)的加載速度與板料變形速度的關(guān)系。圖4所示為分析步中滑動(dòng)速度最大值對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的滑動(dòng)速度和結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的曲線。從圖中得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)可知,在某些數(shù)據(jù)點(diǎn),由于板料與模具接觸不好,滑動(dòng)速度為零。在板料進(jìn)入凹槽后,結(jié)點(diǎn)的滑動(dòng)速度與結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度比較吻合,說明利用有限元軟件模擬的加載速度可以反映板料和模具之間的變形速度。3.3有限元分析加載速度利用上述開發(fā)的程序,用戶可以輸入實(shí)際壓力機(jī)參數(shù),從而創(chuàng)建真實(shí)的加載速度曲線。其具體過程為:模型創(chuàng)建完成后,進(jìn)入Load模塊,在Plug-ins菜單下點(diǎn)擊創(chuàng)建幅值菜單,進(jìn)入到光滑幅值創(chuàng)建對(duì)話框中,參數(shù)設(shè)置如圖5所示。幅值對(duì)象需要輸入幅值名稱、加載時(shí)間、間隔點(diǎn)個(gè)數(shù)IN以及板料成形距離D,輸入壓力機(jī)的滑塊行程S、連桿長度L、曲柄轉(zhuǎn)速n等參數(shù),定義模型的加載速率邊界條件時(shí),選擇創(chuàng)建的真實(shí)加載幅值對(duì)象,即可完成加載速度的定義。在加載邊界條件設(shè)置中加入真實(shí)加載速度,重新創(chuàng)建作業(yè)并提交分析計(jì)算。在后處理結(jié)果中,觀察結(jié)點(diǎn)滑動(dòng)速度和結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度及凸模加載速度的關(guān)系,圖6為分析步中滑動(dòng)速度最大值對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的滑動(dòng)速度、結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度及凸模加載速度的曲線。由圖6可知,結(jié)點(diǎn)滑動(dòng)速度和結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度基本吻合,但結(jié)點(diǎn)滑動(dòng)速度在某些數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值為零,這是因?yàn)橛邢拊治鲋邪辶虾湍＞邲]有接觸,導(dǎo)致輸出滑動(dòng)速度為零。在接觸點(diǎn)處結(jié)點(diǎn)滑動(dòng)速度與結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度基本吻合,說明利用有限元軟件模擬的,采用真實(shí)幅值加載的速度,可以反映板料和模具之間的變形速度。圖6中結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度和凸模加載速度趨勢(shì)基本相同,只是由于板料的變形導(dǎo)致二者有一定的差值,而凸模加載速度始終大于結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度。上述分析表明,利用有限元軟件可以較為準(zhǔn)確地模擬快速?zèng)_壓成形的滑動(dòng)速度,為后續(xù)的實(shí)際試驗(yàn)分析汽車板的快速?zèng)_壓變形機(jī)理和規(guī)律提供指導(dǎo),同時(shí)也為分析復(fù)雜汽車覆蓋件成形過程中的滑動(dòng)速度,奠定了基礎(chǔ)。4有限元模型模擬仿真實(shí)際應(yīng)用1)對(duì)于ABAQUS前處理進(jìn)行二次開發(fā),使用Python語言編寫腳本程序,使用戶能夠根據(jù)壓力機(jī)實(shí)際參數(shù)創(chuàng)建真實(shí)加載速率幅值。程序界面友好