ABAQUS二次開發(fā)技術(shù)在板帶熱連軋數(shù)值模擬中的應(yīng)用

王云杰，張小平，康 兵

(太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部研究工程中心，太原 030024)

?

ABAQUS二次開發(fā)技術(shù)在板帶熱連軋數(shù)值模擬中的應(yīng)用

王云杰，張小平，康 兵

(太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部研究工程中心，太原 030024)

考慮到板帶軋制有限元分析過程中建模效率低、參數(shù)修改復(fù)雜等缺陷，依據(jù)參數(shù)化分析理論，采用ABAQUS軟件提供的GUI工具包與Python腳本接口，通過二次開發(fā)得到了帶鋼熱連軋機(jī)組可逆軋制過程的專用的前、后處理模塊，用戶在輸入有限個參數(shù)的前提下，能實(shí)現(xiàn)前處理模塊自動化建模、后處理模塊數(shù)據(jù)的提取與分析。利用某鋼廠提供的帶鋼熱連軋機(jī)組現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)對所開發(fā)的前、后處理模塊進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：對于前、后處理模塊的較優(yōu)開發(fā)，不僅有效的提高了軋制過程模型的建模效率，而且所開發(fā)的模塊可靠性較高，模擬計(jì)算數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本吻合，相對誤差不超過5%.

板帶熱連軋；數(shù)值模擬；ABAQUS二次開發(fā)技術(shù)；參數(shù)化研究

ABAQUS有限元軟件是應(yīng)用較為廣泛的模擬分析軟件之一，具備豐富的單元庫與材料模型庫，可以模擬分析絕大部分工程材料的線性與高度非線性行為。軟件的前、后處理器為用戶提供了強(qiáng)大功能，但有些功能如自動化建模[1]、參數(shù)化研究[2]、訪問結(jié)果數(shù)據(jù)庫[3-4]等需要通過二次開發(fā)技術(shù)或借助于其它軟件才能實(shí)現(xiàn)。ABAQUS通過Python腳本程序?yàn)槌绦蜷_發(fā)者提供了多個內(nèi)嵌庫函數(shù)，庫函數(shù)的調(diào)用可直接操縱內(nèi)核處理功能。

朱兆華利用Python語言與ABAUQS GUI工具包開發(fā)出適合板料件(圓形拉深和球形脹形)成形的模塊，同時增加了保存、導(dǎo)入材料變形數(shù)據(jù)的功能，節(jié)省了用戶用于模擬操作的時間，提高了效率[5]；李傳宇等基于ABAQUS軟件實(shí)現(xiàn)了H型鋼多道次熱軋工藝仿真系統(tǒng)的創(chuàng)建，模擬分析了軋件在各道次軋制過程中的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變與溫度場的分布情況，實(shí)現(xiàn)了分析流程的自動化[6]；熊威等為提高使用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬分析并對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行有效提取、分析、處理的效率，結(jié)合MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)了對ABAQUS的前處理與后處理的二次開發(fā)，優(yōu)化了T型梁的網(wǎng)格劃分，得到了回彈補(bǔ)償方程[7-8]；張芳利用ABAQUS提供的用戶圖形AFX GUI Toolkit工具包和Python腳本接口，通過二次開發(fā)得到了帶鋼熱連軋粗軋前處理模塊，分析了板厚對穩(wěn)定段狗骨的影響規(guī)律[9]。

以某鋼廠帶鋼熱連軋機(jī)組為例，介紹了Python腳本語言在ABAQUS中進(jìn)行二次開發(fā)的原理與方法，同時將模擬分析所得到的軋制過程中軋輥表面的溫度變化，軋件表面、中心的溫度變化，各道次的軋制力，與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，從而來驗(yàn)證所開發(fā)的前、后處理模塊的可靠性。

1 ABAQUS二次開發(fā)技術(shù)的原理

利用ABAQUS軟件進(jìn)行二次開發(fā)[10]有①用戶子程序；②修改環(huán)境變量；③自定義腳本文件；④圖形用戶界面(GUI)四種途徑。其中圖形用戶界面的創(chuàng)建有自定制應(yīng)用程序、Plug-ins插件兩種方法，后者較容易的對標(biāo)準(zhǔn)的ABAQUS/CAE添加菜單，實(shí)現(xiàn)不很復(fù)雜的功能[11]。

采用②、③、④結(jié)合的方法，利用Plug-ins插件的形式創(chuàng)建圖形用戶界面，通過內(nèi)核程序的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)前、后處理模塊的二次開發(fā)。因此，二次開發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵之處就在于能否真正實(shí)現(xiàn)內(nèi)核程序與圖形用戶界面之間的相互通信。內(nèi)核處理方式與圖形用戶界面處理方式是ABAQUS/CAE操作過程中的兩種處理方式，前者用來解釋、執(zhí)行內(nèi)核命令流，包含了CAE中用于操作模型的所有數(shù)據(jù)與方法；后者主要用來創(chuàng)建圖形用戶界面，提供方便用戶輸入、選擇參數(shù)的接口。兩者之間的通信方式圖1所示。

圖1 GUI與內(nèi)核處理方式的通信Fig.1 The communication method between GUI and Kernel commands

2 帶鋼熱連軋軋制過程中前、后處理模塊開發(fā)

2.1 前、后處理模塊需滿足的功能要求

(1)求解器能夠準(zhǔn)確模擬計(jì)算帶鋼熱連軋粗軋可逆過程的仿真數(shù)據(jù)；

(2)前處理模塊實(shí)現(xiàn)建模自動化，在自定制的圖形用戶界面上用戶能夠?qū)崿F(xiàn)所關(guān)心的工藝參數(shù)的輸入或選擇；后處理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)、單元的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、位移等各個量的提取與輸出，能夠繪制X-Y曲線；

(3)界面窗口條理清晰，簡潔明了，使用戶能夠迅速地熟悉菜單欄與工具欄指令。

2.2 前處理模塊的開發(fā)

在前處理環(huán)境中，打開Plug-ins下拉菜單，選擇Abaqus，然后在RSG Dialog Builder.(a)中進(jìn)入Really Simple GUI Dialog Builder窗口創(chuàng)建界面(b).界面窗口主要包括三個模塊，圖形顯示模塊、變量輸入模塊、運(yùn)行按鈕模塊。圖形顯示模塊包括圖形控件與lab控件，用來解釋說明所輸入的變量的含義；變量輸入模塊是用戶研究所需要參數(shù)的輸入對話框的集合，包括了材料參數(shù)、幾何參數(shù)、軋制規(guī)程等；運(yùn)行按鈕模塊有OK和Cancel兩個控件，用來執(zhí)行建立模型與取消建模操作。

從AFXDataDialog類型繼承過來編譯了整個應(yīng)用程序的對話框，GroupBox對象模型將不同種類的參數(shù)進(jìn)行分類顯示，增加了應(yīng)用程序的直觀性，使界面更加規(guī)范、簡潔。例如，將版面分為軋輥參數(shù)、軋件參數(shù)、模型示意圖、軋制規(guī)程參數(shù)等。其中材料參數(shù)、道次選擇用AFXComboBox類型來表示，道次壓下量、軋輥溫度參數(shù)、軋件溫度參數(shù)選擇AFXTable對象來表示，通過調(diào)用.png格式圖片的形式來顯示軋制模型的示意圖。

圖2 前處理界面Fig.2 The pre-processing interface

界面的建立只是完成了功能的外圍程序的開發(fā)，必須與內(nèi)核程序?qū)崿F(xiàn)交互才能實(shí)現(xiàn)所期望的功能要求。在ABAQUS/CAE中，根據(jù)現(xiàn)場所提供的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立軋制模型的過程中會自動生成的.rpy文件，文件記錄了所有與ABAQUS/CAE操作所對應(yīng)的命令流。將.rpy文件利用Python腳本語言進(jìn)行封裝，會得到內(nèi)核程序的源代碼。在用戶所開發(fā)出來的界面窗口上輸入相對應(yīng)的參數(shù)，點(diǎn)擊OK就會把所輸入的參數(shù)傳遞給內(nèi)核程序，實(shí)現(xiàn)自動化建模。

2.3 后處理模塊的開發(fā)

后處理的開發(fā)主要用于對.odb文件進(jìn)行處理。ABAQUS提供了odbAccess模塊對.odb文件進(jìn)行續(xù)寫，參考.rpy文件，使用ABAQUS的內(nèi)嵌對象模型，找到數(shù)據(jù)所在路徑，調(diào)用其中的變量得到數(shù)據(jù)，以備后續(xù)操作使用。采用Python腳本語言進(jìn)行重要參數(shù)變量的運(yùn)算，得到的結(jié)果采用云圖的方式或者數(shù)據(jù)保存的方式供用戶使用。后處理用戶圖形界面，設(shè)置位移、Mises主應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變、節(jié)點(diǎn)溫度等輸出參數(shù)。圖3為后處理模塊的界面。

圖3 后處理界面Fig.3 The post-processing interface

2.4 后處理結(jié)果分析

2.4.1 軋輥的溫度變化

以第一道次的軋制過程為例，沿軋制方向依次取P1、P2、P3三個點(diǎn)，分析在進(jìn)行該道次軋制過程中軋輥的表面溫度變化。

圖4 P1，P2，P3點(diǎn)對應(yīng)的溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curve for P1，P2，P3 in rolling process

由曲線可知，在軋制過程中P1、P2、P3點(diǎn)的溫度變化規(guī)律為：先上升后緩慢下降，因在軋制過程中吸收了來自軋件的熱量，所以雖有下降但仍會高于初始溫度。軋制過程中軋件因與軋輥接觸發(fā)生熱傳導(dǎo)作用使軋輥溫度上升，當(dāng)兩者之間的距離>0.5mm時，熱傳導(dǎo)作用結(jié)束，然后軋輥與環(huán)境之間發(fā)生對流換熱使軋輥的溫度有所下降。P1、P3點(diǎn)溫降的幅度要大于P2點(diǎn)。

2.4.2 軋件的溫度變化

Z軸正向?yàn)檐堉品较?，沿軋制方向任取某一截面，選取P1、P2、P3、P4各點(diǎn)，P1、P3點(diǎn)位于軋件的上表面，P2、P4點(diǎn)位于軋件的中性面。

圖5 P1、P2、P3、P4在整個可逆軋制過程中的溫度變化曲線Fig.5 Temperature variation curve of the rolled piece in the whole reversible rolling process

由曲線可知：軋件因與軋輥接觸，發(fā)生熱傳導(dǎo)，表面溫度迅速降低；穩(wěn)定接觸之后，發(fā)生塑性變形，塑性功轉(zhuǎn)換為熱，故變形區(qū)內(nèi)中心溫度有所升高；出變形區(qū)后，中心與表面之間發(fā)生熱傳導(dǎo)，表面溫度略有回升，中心溫度因熱量的傳遞而略有下降。從圖中可以看出，整個軋制過程中，綜合軋件與環(huán)境的對流換熱、熱輻射散熱、與軋輥的熱傳導(dǎo)、塑性功生熱，軋件溫度緩慢下降。軋件表面溫度在軋制變形區(qū)與軋制間隙的變化趨勢不同，變形區(qū)溫度劇烈變化而軋制間隙緩慢變化。

圖6 軋制力數(shù)據(jù)Fig.6 The data for rolling force

2.4.3 軋件的軋制力分析

從圖(a)中可以看出，在咬入階段軋制力的波動很大，在較短的時間內(nèi)軋制力迅速上升，而后出現(xiàn)極值，進(jìn)入穩(wěn)定軋制狀態(tài)后，波動幅度較小。由圖(b)可以看出，仿真所得的帶鋼熱連軋可逆軋制過程的軋制力與現(xiàn)場所得的軋制力數(shù)據(jù)基本吻合，相對誤差不超過5%.

3 結(jié)論

(1)采用GUI工具包和Python腳本語言對ABAQUS軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，建立了一種基于帶鋼熱軋軋制過程的前、后處理模塊，有利于在生產(chǎn)現(xiàn)場對軋制過程實(shí)現(xiàn)前處理建模、后處理數(shù)據(jù)訪問的自動化。

(2)利用所開發(fā)的前、后處理模塊，對帶鋼熱連軋軋制過程進(jìn)行了仿真分析，將得到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，相對誤差不超過5%，證明了所開發(fā)模塊的可靠性與準(zhǔn)確性，可以用于相似軋制過程的仿真模型的快速建立。

(3)通過對帶鋼熱連軋軋制過程的數(shù)值分析可得到：①軋輥在一個道次的軋制中表面溫度變化，先上升后緩慢下降；②軋件表面在整個軋制過程中的變化曲線，表面溫度在咬入階段快速下降，穩(wěn)定軋制；③軋件中心在整個軋制過程中的變化曲線，④軋件在軋制過程中各道次的軋制力變化，咬入階段軋制力迅速上升，穩(wěn)定軋制階段軋制力趨于穩(wěn)定，波動幅度很小，出穩(wěn)定軋制區(qū)域之后，軋制力快速下降。

[1] 鐘同圣，衛(wèi)豐.Python語言和ABAQUS前處理二次開發(fā)[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版，2006，38(1)：61-64.

[2] ABAQUS，Inc.ABAQUS Example Problems Manual.Version 6.9[M/CD].Pawtucket，USA：ABAQUS，Inc.，2009.

[3] 連昌偉，王兆遠(yuǎn).ABAQUS后處理二次開發(fā)在塑形成形模擬中的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù)，2006(4)：111-114.

[4] 劉玉振，徐承強(qiáng).多晶體材料三維微結(jié)構(gòu)有限元分析的后處理[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，38(2)：14-17.

[5] 朱兆華.鎂合金板料成形數(shù)值模擬參數(shù)化設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].南昌：南昌大學(xué)，2009.

[6] 李傳宇，張勤河，賀慶強(qiáng).H型鋼熱軋工藝綜合仿真系統(tǒng)開發(fā)[J].鍛壓技術(shù)，2010，35(4)：146-150.

[7] 熊威，甘忠，熊仕，等.基于MATLAB的ABAQUS二次開發(fā)(上)——解決方案與技術(shù)要點(diǎn)[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2012，19(4)：21-26.

[8] 熊威，甘忠，莊振民，等.基于MATLAB的ABAQUS二次開發(fā)(下)——在時效成形回彈補(bǔ)償中的應(yīng)用[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2012，19(5)：79-81.

[9] 張芳，張小平，王文龍.帶鋼熱連軋粗軋過程FEM分析前處理模塊開發(fā)[J].鍛壓技術(shù)，2013，38(4)：162-166.

[10] ABAQUS，Inc.ABAQUS GUI Toolkit User′s Manual Version6.10[M].Pawtucket，USA：ABAQUS，Inc.，2009.

[11] 曹金鳳，王旭春，孔亮，等.Python語言在Abaqus中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

Secondary Development of ABAQUS Technical Application of Numerical Simulation in Hot Slab Rolling

WANG Yun-jie，ZHANG Xiao-ping，KANG Bing

(Heavy Machinery Engineering Research Center of the Ministry of Education，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Considering the low efficiency of modeling，the defects of parameter changes and other defects for FEM analysis in the process of strip rolling， this study received special pre-processing module and post-processing module for the reversible process of hot-rolling mill based on parametric analysis theory and GUI Toolkit from ABAQUS and Python scripting interface，which can achieve automated modeling of pre-processing module， data extraction and analysis of post-processing module with entering some parameters.This study has the application verification by using pre-processing module and post-processing module，data provided by a factory with hot-rolling mill.Validation results show that：the development of pre-processing module and post-processing not only effectively improve the modeling efficiency of rolling process，but also has higher reliability.Meanwhile，the simulation data and production data are consistent，and the relative error is no more than 5%.

hot slab rolling，numerical simulation，secondary development of ABAQUS technology，parametric study

2014-12-29

國家自然基金項(xiàng)目(51404159)；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20120321014)；山西省基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2013021019-1)；山西省高校青年學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃自助(TYAL)

王云杰(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)板帶軋制方向。

1673-2057(2015)06-0446-05

TG335.5+5

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.06.007