基于abaquscae的內(nèi)核及仿真開發(fā)

基于abaquscae的內(nèi)核及仿真開發(fā)

0基于承擔(dān)自適應(yīng)前、后處理abaqus是國際先進(jìn)的大型通用開元軟件之一。這個(gè)單元可以模擬任何幾何形狀的單元庫和各種材料模型庫。結(jié)構(gòu)、加熱、熱固耦合、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電合、聲音、巖石力學(xué)和壓電介質(zhì)的線性和非線性問題。Abaqus/CAE作為Abaqus自帶的有限元前、后處理程序,全面支持其分析功能,為用戶提供圖形化的建模、分析和后處理等人機(jī)交互平臺(tái).同時(shí),Abaqus/CAE建立在開放、可拓展的平臺(tái)上,用戶可以將成熟的工作流程通過多種途徑的二次開發(fā),形成命令腳本和圖形化用戶操作界面,實(shí)現(xiàn)有限元分析前、后處理的流程化和自動(dòng)化處理.基于Python的Abaqus自動(dòng)化前、后處理二次開發(fā)已應(yīng)用于諸多領(lǐng)域,如鈑金成形,復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)與工藝仿真以及其他自動(dòng)化建模分析應(yīng)用.Abaqus/CAE的前、后處理二次開發(fā)功能基于Python語言實(shí)現(xiàn).Python是功能強(qiáng)大的面向?qū)ο蟆⒅弊g式程序設(shè)計(jì)語言,具有語法簡潔清晰、內(nèi)置模塊庫豐富、可擴(kuò)展性強(qiáng)以及跨平臺(tái)移植性好等優(yōu)點(diǎn).此外,由于對(duì)C/C++的良好支持,Python也可作為一種“膠水語言”(gluelanguage)使用,即使用C++或FORTRAN編寫執(zhí)行性能要求高的程序,并使用Python進(jìn)行集成和封裝.該優(yōu)點(diǎn)對(duì)需作大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的有限元前、后處理應(yīng)用顯得尤為可貴.1亞病毒和cae啟動(dòng)的基礎(chǔ)介紹Abaqus/CAE的前、后處理二次開發(fā)包含內(nèi)核腳本程序(Scripting)開發(fā)和GUI程序開發(fā)2種方式.1.1abaqus/cae內(nèi)核腳本程序的實(shí)現(xiàn)Abaqus/CAE會(huì)將用戶在Abaqus/CAE圖形界面中進(jìn)行的各種操作轉(zhuǎn)化成內(nèi)核命令解釋執(zhí)行,因此可將需要多次重復(fù)執(zhí)行的一系列繁雜的前、后處理操作過程編寫成Abaqus/CAE內(nèi)核腳本程序,用戶只需執(zhí)行該腳本并設(shè)定相應(yīng)參數(shù),就能快捷、方便地完成同一前、后處理流程的多次重復(fù)操作.Abaqus/CAE內(nèi)核腳本采用Python語言.針對(duì)Abaqus的具體應(yīng)用,對(duì)Python進(jìn)行擴(kuò)展,增加500多個(gè)新的類模型.這些類模型關(guān)系復(fù)雜,總體上可分為mdb,odb和session等3大類,分別對(duì)應(yīng)于分析模型數(shù)據(jù)庫、計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫和圖形顯示界面元素,見圖1.內(nèi)核腳本程序的執(zhí)行最終以完成對(duì)Abaqus對(duì)象的各種操作來實(shí)現(xiàn)各種前、后處理功能.1.2abaqus/cae內(nèi)核命令的動(dòng)態(tài)分析Abaqus/CAEGUI程序開發(fā)為用戶提供一個(gè)交互式的圖形操作界面,方便用戶進(jìn)行相關(guān)操作,其最終目的仍是通過執(zhí)行Abaqus/CAE內(nèi)核命令實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的有限元前、后處理流程.Abaqus/CAEGUI界面與內(nèi)核命令之間的交互方式見圖2.Abaqus/CAE的圖形界面庫是在FOXToolkit的基礎(chǔ)上擴(kuò)充形成的.在編寫Abaqus/CAEGUI程序時(shí),以FX開頭命名的類是FOXToolkit自身包含的類,以AFX開頭命名的類是Abaqus擴(kuò)充的類.2abaqus和cae的第二次開發(fā)示例2.1模型建立與仿真在應(yīng)用Abaqus/Explicit進(jìn)行鈑金成形仿真分析后,常需要進(jìn)行切邊回彈分析并將成形過程引入的殘余應(yīng)力、塑性應(yīng)變和厚度減薄等應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析.處理這兩類問題的難點(diǎn)在于:(1)鈑金零件成形后需要切邊,會(huì)使零件外形發(fā)生變化.但是,切邊線與用于成形仿真的網(wǎng)格通常相互交叉,因此需精確地確定出切邊后零件的外形輪廓并進(jìn)行網(wǎng)格重新劃分,同時(shí)將成形仿真結(jié)果映射到新的網(wǎng)格單元上.(2)用于結(jié)構(gòu)分析的單元尺寸通常比用于成形仿真的單元尺寸大許多,因此也涉及網(wǎng)格重新劃分和計(jì)算結(jié)果映射的問題.針對(duì)以上2點(diǎn),可采用如圖3所示的流程進(jìn)行分析.其中,步驟1和4均為常規(guī)建模仿真技術(shù),而步驟2和3所需的功能可通過Abaqus/CAE二次開發(fā)實(shí)現(xiàn).采用Python與C++相結(jié)合的方式進(jìn)行該插件的開發(fā):Python與Abaqus/CAE二次開發(fā)接口相配合,實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的輸入/輸出和幾何模型劃分等操作;算法中涉及的映射搜索算法采用執(zhí)行效率較高的C++代碼實(shí)現(xiàn);Pyhton與C++之間采用二進(jìn)制臨時(shí)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)交換傳遞.插件的GUI界面見圖4,用戶需指定鈑金成形仿真結(jié)果數(shù)據(jù)文件(odb文件)及其中的板料零件表面、板料原始幾何模型、各條切邊線及切邊方向,軟件即可根據(jù)成形過程逆求切邊線,將逆求得到的切邊線向板料原始幾何模型映射,并使用映射所得曲線對(duì)毛料平面進(jìn)行剖切.算例1雙動(dòng)拉深杯形件.如圖5所示,使用所開發(fā)的插件分析處理某雙動(dòng)拉深杯形件.由成形后的零件、切邊線以及初始毛料逆求出切邊線在初始毛料上的位置和形狀并剖切毛料,以便重新劃分網(wǎng)格;然后,應(yīng)用Abaqus/Standard的submodel技術(shù)加載邊界條件并進(jìn)行計(jì)算,以獲得成形過程中在實(shí)際零件上形成的殘余應(yīng)力和厚度硬化等參數(shù)的分布情況,結(jié)果見圖6,可知,經(jīng)過切邊、網(wǎng)格重新劃分和重新加載計(jì)算后,實(shí)際零件上的應(yīng)變、板厚分布均與成形計(jì)算結(jié)果一致.算例2某汽車覆蓋件.在完成某汽車覆蓋件沖壓成形分析后,需將成形后的殘余應(yīng)力、塑性應(yīng)變和厚度分布等映射到切邊后的零件網(wǎng)格模型上.在對(duì)該零件進(jìn)行切邊線逆求時(shí),需同時(shí)逆求零件上一些主要的特征線,保證在其后的網(wǎng)格劃分中能在這些特征線上散布節(jié)點(diǎn),以達(dá)到精確控制網(wǎng)格質(zhì)量的目的.圖7所示為逆求切邊線/特征線以及采用submodel計(jì)算得到的零件形狀與切邊線/特征線的對(duì)比,可知,利用本文所開發(fā)的插件既可以精確逆求零件的切邊線,又可以精確逆求幾何特征線.圖8為成形分析與切邊重新計(jì)算后,零件上塑性應(yīng)變、板料厚度分布的對(duì)比,二者的結(jié)果高度一致.2.2效率分析的數(shù)值試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的熱應(yīng)力分析中,通常先采用CFD軟件對(duì)排氣歧管內(nèi)流場進(jìn)行分析,以獲得排氣歧管內(nèi)壁上的溫度分布和換熱系數(shù)分布,然后將這些熱邊界條件加載于排氣歧管內(nèi)表面,即可計(jì)算得到排氣管內(nèi)部的溫度分布和溫差引起的熱應(yīng)力分布情況.某發(fā)動(dòng)機(jī)廠商在使用AVL-Fire進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管內(nèi)流場分析后,由于AVL-Fire僅支持將熱邊界條件映射到殼單元,不能直接映射到排氣歧管有限元網(wǎng)格模型的實(shí)體單元表面.因此,需要先將AVL-Fire的計(jì)算結(jié)果映射到與排氣歧管內(nèi)表面相一致的殼單元上,再進(jìn)行大量的手動(dòng)操作,以將殼單元上的溫度和換熱系數(shù)數(shù)據(jù)加載到相應(yīng)的排氣歧管實(shí)體單元模型內(nèi)表面上,費(fèi)時(shí)費(fèi)力.仍然采用Python與C++相結(jié)合的方式,開發(fā)一套能將殼單元上的熱邊界條件映射到排氣歧管實(shí)體單元模型內(nèi)表面上的Abaqus/CAE插件.該插件的工作流程見圖9.其中,前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和最后的建模工作由Python結(jié)合Abaqus/CAE的二次開發(fā)接口實(shí)現(xiàn),而對(duì)大量單元面片進(jìn)行遍歷搜索的計(jì)算由效率較高的C++代碼完成.開發(fā)的用戶圖形界面及需要用戶選取與設(shè)定的參數(shù)見圖10.其中,用戶可對(duì)最近單元搜索容差MappingTolerance進(jìn)行設(shè)置,當(dāng)設(shè)計(jì)人員對(duì)排氣歧管的幾何形狀進(jìn)行少量調(diào)整后,可將該容差設(shè)為一個(gè)較大值,但仍能使用之前CFD計(jì)算得到的熱邊界條件進(jìn)行映射計(jì)算.采用某款排氣歧管模型對(duì)本插件的功能及映射效率進(jìn)行驗(yàn)證,見圖11(a).該排氣歧管模型采用四面體單元?jiǎng)澐?內(nèi)表面包含25144個(gè)單元面片,與用于AVL-Fire進(jìn)行熱邊界條件分析的表面相比略有修改.在某臺(tái)普通PC機(jī)上應(yīng)用該插件,僅用103s就完成整個(gè)排氣歧管內(nèi)表面溫度、換熱系數(shù)的映射.在映射結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱分析,得到排氣歧管溫度分布,見圖11(b).3基于自適應(yīng)的功能二次開發(fā)接口(1)對(duì)Abaqus/CAE的二次開發(fā)功能進(jìn)行介紹,對(duì)于單一固定的功能可采用內(nèi)核腳本程序形式進(jìn)行開發(fā);對(duì)于需要進(jìn)行較多交互操作才能完成的功能