基于Python的Abaqus二次開(kāi)發(fā)在空間可展單簧片結(jié)構(gòu)仿真分析中的應(yīng)用

葉紅玲　胡騰　趙春華　肖燕妮

摘要：針對(duì)不同型號(hào)簧片結(jié)構(gòu)分析需重復(fù)進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分等工作的問(wèn)題，基于Python對(duì)Abaqus的前后處理模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā).通過(guò)增設(shè)特定的窗口和命令，形成專門(mén)針對(duì)空間可展單簧片結(jié)構(gòu)分析的仿真模塊和后處理程序.建立一套由幾何參數(shù)和材料參數(shù)直接生成模型，可進(jìn)行空間可展單簧片結(jié)構(gòu)彎曲過(guò)程力學(xué)性能分析的系統(tǒng).該系統(tǒng)為用戶提供簡(jiǎn)單、快速的建模途徑和自動(dòng)化的后處理功能，使得空間可展單簧片結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析變得更加高效.

關(guān)鍵詞：空間可展單簧片結(jié)構(gòu)； 力學(xué)性能； 前處理； 后處理； 自動(dòng)建模

中圖分類號(hào)： TH135 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract：As to the repetitive work during the analysis of different types of tape spring structures， such as modeling， meshing， and so on， the secondary development is performed on preprocessing and postprocessing modules of Abaqus based on Python. Some specific windows and commands are added， and the special simulation module and postprocessing program are designed for the analysis of deployable simple tape spring space structure. The model is directly generated by geometric and material parameters and a system is built to analyze the mechanical properties of deployable simple tape spring space structure during bending. The simple rapid modeling and automatic postprocessing are offered for users by the system， which makes the mechanical property analysis of deployable simple tape spring space structure more effective.

Key words：deployable simple tape spring space structure； mechanical property； preprocessing； postprocessing； automatic modeling

0 引 言

隨著空間可展開(kāi)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)、低功率消耗需求的進(jìn)一步擴(kuò)大，簧片式空間可展結(jié)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自我驅(qū)動(dòng)、展開(kāi)可信度高以及自我鎖定能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用.簧片式空間可展結(jié)構(gòu)中的簧片是一種單層開(kāi)口柱面殼，因其具有較大的長(zhǎng)徑比和徑厚比，故容易發(fā)生屈曲而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效.簧片彎曲過(guò)程為非線性大變形問(wèn)題，理論計(jì)算難度大.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用有限元軟件Abaqus，ANSYS和一些自編軟件對(duì)簧片式空間可展結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析.其中，KWOK等[1]，SOYKASAP[2]，OYA等[3]，SEFFEN等[45]，GUINOT等[6]，魏玉卿等[7]，王俊等[8]和宣基燦等[9]采用Abaqus研究單簧片彎曲、展開(kāi)和卷折過(guò)程中彎矩、位移的變化規(guī)律，并分析簧片厚度、截面圓心角對(duì)單簧片正反向彎曲過(guò)程中彎矩和應(yīng)變能的影響；分析簧片式空間可展結(jié)構(gòu)應(yīng)用于太陽(yáng)翼帆板的可行性，給出成本、彎矩剛度等評(píng)價(jià)指標(biāo).法國(guó)空間研究站的PELLERIN等[10]結(jié)合ANSYS和MATLAB進(jìn)行簧片式空間可展結(jié)構(gòu)的剛度和模態(tài)分析.HOFFAIT等[11]采用自編軟件SAMCEF分析簧片式空間可展結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)方向的力學(xué)性能.BOURGEOIS等[12]采用COMSOL和獨(dú)立求解器BDF solver分析單簧片彎曲過(guò)程中的彎矩和抗彎反力.在Abaqus二次開(kāi)發(fā)方面，黃霖[13]介紹Abaqus二次開(kāi)發(fā)在雙動(dòng)拉深杯形件和汽車覆蓋件2個(gè)實(shí)例中的應(yīng)用.吳一雷等[14]借鑒應(yīng)用商店的模式，并結(jié)合云計(jì)算，基于Web實(shí)現(xiàn)Abaqus二次開(kāi)發(fā)程序的快速集成和發(fā)布.

從上述分析中可以看出，空間可展單簧片結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性具有重要作用.將有限元分析技術(shù)應(yīng)用于簧片展開(kāi)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究，可大大節(jié)約設(shè)計(jì)成本，提高工作的可靠性.但是，目前對(duì)于不同型號(hào)簧片結(jié)構(gòu)的分析仍需要進(jìn)行重復(fù)的建模和網(wǎng)格劃分等繁瑣的工作.為實(shí)現(xiàn)空間可展簧片結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化建模，基于Python對(duì)Abaqus軟件前后處理程序進(jìn)行二次開(kāi)發(fā).相比其他軟件，Abaqus軟件以其能夠駕馭非常龐大的結(jié)構(gòu)和高度非線性問(wèn)題在各個(gè)領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用.[15]Python是面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，并且能進(jìn)行集成和封裝[16]，這對(duì)于需要大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的有限元前后處理應(yīng)用顯得尤為重要.本文所開(kāi)發(fā)的程序能夠準(zhǔn)確、高效地實(shí)現(xiàn)空間可展單簧片結(jié)構(gòu)的建模、網(wǎng)格劃分和指定材料屬性，提交作業(yè)后具有后處理分析功能，從而避免在進(jìn)行空間可展簧片結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析前后處理過(guò)程中的純手工操作，節(jié)省大量時(shí)間和精力，提高工作效率.

1 Abaqus二次開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 Abaqus二次開(kāi)發(fā)腳本工作原理

Python是針對(duì)Abaqus平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，Abaqus二次開(kāi)發(fā)接口可以實(shí)現(xiàn)Abaqus/CAE的全部功能.Abaqus二次開(kāi)發(fā)腳本工作原理見(jiàn)圖1.用戶可以通過(guò)圖形用戶操作界面（Graphical User Interface，GUI）和二次開(kāi)發(fā)腳本命令流執(zhí)行命令.所有的命令必須通過(guò)Python翻譯至Abaqus/CAE中執(zhí)行，同時(shí)會(huì)生成后綴名為rpy的軌跡文件，接著Abaqus/CAE將所有的命令生成后綴名為inp的文件，再通過(guò)Abaqus求解器進(jìn)行分析，生成后綴名為odb的結(jié)果文件，最后進(jìn)行各種后處理，得到相應(yīng)的變形云圖和動(dòng)畫(huà)等.

1.2 Abaqus快速建模界面

當(dāng)在Abaqus/CAE中建模需要多次輸入?yún)?shù)和設(shè)置時(shí)，Python可以將自己的分析程序模塊集成到Abaqus的通用環(huán)境中.用戶可以在Abaqus中編寫(xiě)輸入界面，從而簡(jiǎn)單方便地使用計(jì)算模塊功能，提高建模效率.Abaqus建立GUI最方便的方式是采用插件程序，見(jiàn)圖2.通過(guò)在對(duì)話框中添加不同功能的插件實(shí)現(xiàn)參數(shù)的輸入.

2 單簧片彎曲過(guò)程前處理二次開(kāi)發(fā)

基于Python對(duì)Abaqus前處理模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成包括建立單簧片的幾何模型、材料參數(shù)、分析步設(shè)置、MPC單元、邊界條件、網(wǎng)格設(shè)置和提交分析等一系列前處理工作.為使程序易于使用和方便操作，編寫(xiě)用戶界面程序和Plugin程序.

編寫(xiě)程序的思路為：在CAE操作生成的rpy文件中設(shè)定參變量，然后將需要變化的坐標(biāo)用變量進(jìn)行代替，使得模型的建立隨著輸入?yún)?shù)的變化而變化.

2.1 單簧片幾何模型的建立

簧片是一種開(kāi)口圓柱殼結(jié)構(gòu)，其中主要幾何參數(shù)包括：厚度t，長(zhǎng)度L，簧片截面圓心角θ1和截面半徑R，其幾何模型見(jiàn)圖3.材料參數(shù)主要包括彈性模量E，泊松比ν和密度等，其值見(jiàn)表1.

簧片建模主要是3段殼體的建立和材料屬性的賦予.首先，通過(guò)草圖畫(huà)出基座部分的圓弧，采用拉伸功能，完成基座部分簧片幾何殼體的建立；接著，采用同樣的方法，在上一步模型的基礎(chǔ)上繼續(xù)完成中部和另外基座部分簧片幾何殼體的建立.

2.2 單簧片有限元模型的建立

假定將平面應(yīng)用于簧片式空間可展結(jié)構(gòu)中，在單簧片純彎過(guò)程中，兩端面上各點(diǎn)繞著面的形心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，且保持原來(lái)的形狀.在有限元建模中，將參照點(diǎn)設(shè)置在兩端面的形心上，再采用MPC單元將面耦合在一起，見(jiàn)圖4.分析步選取靜態(tài)分析步，將涉及非線性增量分析的選項(xiàng)打開(kāi)，添加自動(dòng)穩(wěn)定函數(shù)，設(shè)置保持默認(rèn)即可.

有限元邊界條件為：一端限制U1，U2和U3方向的移動(dòng)以及UR2和UR3的轉(zhuǎn)動(dòng)，給定UR1方向角位移；另一端限制U1和U2方向的移動(dòng)以及UR2和UR3的轉(zhuǎn)動(dòng)，給定大小相同、方向相反的UR1方向角位移，用以模擬純彎曲.采用S4R5殼單元分析大位移小應(yīng)變問(wèn)題，最后提交作業(yè)分析.

2.3 快速前處理建模界面

將編寫(xiě)好的程序保存成后綴名為py的Python文件，并將其與GUI程序和Plugin程序一同放在Abaqus的安裝文件夾中的Abaqus_plugins 目錄下，進(jìn)行注冊(cè)使用.重新啟動(dòng)Abaqus軟件， 進(jìn)入Plugins菜單欄，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)名為T(mén)apeSpring_Analysis的新菜單（見(jiàn)圖5），點(diǎn)擊進(jìn)入就可以方便地進(jìn)行簧片彎曲過(guò)程的快速建模.

點(diǎn)擊TapeSpring_Analysis模塊，進(jìn)入快速建模對(duì)話框（見(jiàn)圖6）.在對(duì)話框輸入簧片的幾何參數(shù)和材料參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)簧片純彎曲過(guò)程的快速建模.

3 單簧片彎曲過(guò)程后處理二次開(kāi)發(fā)

后處理程序可以使得后處理過(guò)程更加簡(jiǎn)單，減少重復(fù)勞動(dòng).空間可展單簧片結(jié)構(gòu)的后處理主要是提取結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)彎矩.屈服會(huì)造成殘余應(yīng)力的出現(xiàn)，從而影響單簧片空間可展結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)性能.要避免屈服現(xiàn)象，必須關(guān)注結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力.另外，單簧片空間可展結(jié)構(gòu)展開(kāi)過(guò)程是依靠彎矩進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，而穩(wěn)態(tài)彎矩是衡量結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)性能的指標(biāo)，因此單簧片結(jié)構(gòu)彎曲的最大應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)彎矩的結(jié)果對(duì)于簧片結(jié)構(gòu)能否順利展開(kāi)并穩(wěn)定具有重要作用.

3.1 單簧片的力學(xué)性能分析結(jié)果

針對(duì)L=90 mm，R=18 mm，θ=90°，t=0.2 mm，材料為灰鑄鐵的簧片進(jìn)行快速建模分析.簧片發(fā)生純彎曲之后的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7，在簧片彎曲過(guò)程中，彎矩隨著彎曲角度變化的過(guò)程見(jiàn)圖8.當(dāng)彎曲角度達(dá)到8～10°時(shí)，簧片發(fā)生屈曲，彎矩發(fā)生突降；屈曲后彎矩隨著彎曲角度趨向穩(wěn)定，即為穩(wěn)態(tài)彎矩.

3.2 后處理二次開(kāi)發(fā)

基于Python語(yǔ)言對(duì)Abaqus后處理模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成單簧片純彎曲結(jié)果中最大應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)彎矩的提取.循環(huán)搜索分析步的每一幀中的應(yīng)力值，找到并輸出最大應(yīng)力及其所在單元，見(jiàn)圖9.將分 析步中的最后一幀數(shù)據(jù)導(dǎo)出，提取參照點(diǎn)的彎矩值，即為穩(wěn)態(tài)彎矩.

程序搜索到的最大應(yīng)力為237.9 MPa，在Step 1分析步中第146幀的1111單元，位于簧片式展開(kāi)結(jié)構(gòu)的中部.簧片式展開(kāi)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)彎矩位于Step 1分析步中最后一幀，其值為38.5 N·mm.

4 結(jié) 論

1）采用插件程序方式，實(shí)現(xiàn)空間可展單簧片結(jié)構(gòu)的快速建模.在Plugins菜單欄建立TapeSpring_Analysis菜單，形成單簧片幾何模型參數(shù)的人工交互界面，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的快速幾何建模和有限元建模.

2）基于Python語(yǔ)言對(duì)有限元軟件Abaqus后處理進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)單簧片純彎曲過(guò)程的力學(xué)性能分析，提取簧片結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)彎矩，為實(shí)現(xiàn)單簧片空間可展結(jié)構(gòu)性能的尺寸優(yōu)化奠定基礎(chǔ).

3）本文的快速建模和后處理可以推廣到更多的工程項(xiàng)目中，從而進(jìn)行系統(tǒng)化分析.

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（編輯 武曉英）