基于Abaqus的仿真模板的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

陶偉文　卜繼玲　王京雁　曾晶晶　程海濤

摘要：開(kāi)發(fā)基于Abaqus的列車抗側(cè)滾扭桿裝置仿真模板，將大量的有限元建模人工操作轉(zhuǎn)化為軟件自動(dòng)完成，從而固化抗側(cè)滾扭桿裝置的仿真分析步驟及經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，降低計(jì)算結(jié)果的離散度。該技術(shù)解決通用有限元軟件操作難度大的問(wèn)題，降低仿真門檻，可以引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員快速掌握常規(guī)項(xiàng)目的仿真業(yè)務(wù)，減少項(xiàng)目管理工作流程的流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：列車；抗側(cè)滾扭桿裝置；仿真模板；流程化分析；有限元

中圖分類號(hào)：U270.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元軟件的應(yīng)用也日趨普及。在設(shè)計(jì)初期用有限元軟件對(duì)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核與分析，可以大大提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性。對(duì)于減振降噪產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，前期強(qiáng)度校核分析已經(jīng)成為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的工作環(huán)節(jié)。以抗側(cè)滾扭桿裝置為例（見(jiàn)圖1），其在列車中與空氣彈簧聯(lián)合使用，用于解決車輛柔性系數(shù)和側(cè)滾角大的問(wèn)題，對(duì)車輛的垂向、橫擺、點(diǎn)頭、搖頭及浮沉等振動(dòng)不產(chǎn)生影響，只抑制車輛的側(cè)滾振動(dòng)；在承受高頻率振動(dòng)載荷時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生顫振。其主要工作原理為：當(dāng)車體側(cè)滾時(shí)，扭桿軸因承受扭矩而發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，同時(shí)提供扭轉(zhuǎn)反力矩來(lái)抵抗車體的側(cè)滾。

抗側(cè)滾扭桿裝置的有限元建模過(guò)程需要借助HyperMesh和Abaqus這些仿真軟件將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)離散成實(shí)體單元的有限元模型，但這些軟件的使用對(duì)工程師要求較高，除專職仿真人員外僅有少數(shù)開(kāi)發(fā)人員能熟練掌握，當(dāng)有大量產(chǎn)品需要仿真分析的時(shí)候常常需要排隊(duì)，軟件利用率不高，其價(jià)值沒(méi)有得到充分發(fā)揮。對(duì)于新用戶來(lái)說(shuō)，CAE軟件手動(dòng)操作的重復(fù)利用率不高，操作不當(dāng)會(huì)存在模型收斂問(wèn)題或報(bào)錯(cuò)，建模工作無(wú)法完成，查錯(cuò)過(guò)程所花費(fèi)時(shí)間更多。因此，利用精益生產(chǎn)的思想與方法，將各類型扭桿的分析方法和分析經(jīng)驗(yàn)流程化，將操作步驟固化，使有限元建模一次性成功是一項(xiàng)必要工作。這樣不僅可以大大降低仿真分析工作的門檻，普及有限元軟件的使用，而且可以提高常規(guī)項(xiàng)目的仿真分析效率。

為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，本文采用Python語(yǔ)言對(duì)Abaqus進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，對(duì)軌道車輛用抗側(cè)滾扭桿裝置進(jìn)行模板定制開(kāi)發(fā)。按照CAE建模操作流程設(shè)計(jì)友好交互界面，后臺(tái)依次調(diào)用所需模塊，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員只需按照固定的分析流程操作即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)仿真模型的建立。仿真模板免去部分重復(fù)性手動(dòng)操作，采用標(biāo)準(zhǔn)化步驟完成仿真模型，不僅節(jié)約單個(gè)模型的建模時(shí)間，而且易于收斂，可以迅速得到計(jì)算結(jié)果。仿真模板可實(shí)現(xiàn)企業(yè)仿真經(jīng)驗(yàn)的積累與沉淀，規(guī)范仿真流程，減少分析結(jié)果離散度。除此之外，仿真模板還可大大降低仿真分析工作的門檻，普及有限元軟件的使用，提高常規(guī)項(xiàng)目的仿真分析效率?？傊抡婺０宓膬?yōu)點(diǎn)是縮短設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期、提高研發(fā)效率、實(shí)現(xiàn)仿真工作的精益研發(fā)。

1模板開(kāi)發(fā)

抗側(cè)滾扭桿裝置仿真經(jīng)驗(yàn)包括常規(guī)結(jié)構(gòu)仿真流程、網(wǎng)格處理流程、系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品過(guò)盈、接觸高級(jí)應(yīng)用技巧、疲勞分析流程、計(jì)算結(jié)果檢查及仿真報(bào)告的編制，涉及HyperMesh，Abaqus和Fe-Safe等3個(gè)軟件。將以上知識(shí)點(diǎn)全部進(jìn)行模板化很難現(xiàn)實(shí)，比較合適的方案是針對(duì)大部分Abaqus操作進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，最大程度地降低模板的使用難度、固化CAE操作流程，提高模板的使用效率。Abaqus內(nèi)核具有考慮材料、結(jié)構(gòu)及幾何非線性的強(qiáng)大功能，這已經(jīng)在多個(gè)行業(yè)得到驗(yàn)證，且抗側(cè)滾扭桿裝置的強(qiáng)度分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比，計(jì)算精度可控，具有較好的擴(kuò)展性能。

本文利用Isight調(diào)用Abaqus，將扭桿軸內(nèi)孔尺寸參數(shù)化，對(duì)扭桿軸內(nèi)孔尺寸與其強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行定量研究來(lái)解決這一問(wèn)題。

1.1建立分析流程

根據(jù)抗側(cè)滾扭桿裝置結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)3種模板，分別為直扭桿、彎扭桿、花鍵扭桿?？紤]其安裝方式，每種模板又分為球鉸連接和錐銷連接接口。針對(duì)前處理模型的處理方式，每種接口又分為快速分析流程和精細(xì)分析流程?？焖俜治隽鞒踢m用于項(xiàng)目初期技術(shù)溝通階段，可快速響應(yīng)客戶需求，有助于獲得訂單優(yōu)先權(quán)；精細(xì)分析流程首先用HyperMesh完成網(wǎng)格模型，然后進(jìn)入模板進(jìn)行模型設(shè)置，適用于成熟產(chǎn)品或需要對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析的作業(yè)。最終總計(jì)形成12種前處理接口、1種后處理接口，涵蓋大部分產(chǎn)品需求。仿真模板界面見(jiàn)圖2。

模板實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件和幾何模型的選擇以及材料參數(shù)的自動(dòng)賦予，通過(guò)勾選實(shí)體建立連接關(guān)系，自動(dòng)建立分析步以及設(shè)置載荷，見(jiàn)圖3。

1.2模板主要特征和特色功能

（1）中文向?qū)椒抡媪鞒潭ㄖ?。通過(guò)封裝材料屬性模塊、網(wǎng)格劃分模塊、工況定義、參數(shù)定義、載荷定義、約束定義、結(jié)果提取、報(bào)告生成等分析流程，指導(dǎo)開(kāi)發(fā)人員按照標(biāo)準(zhǔn)化步驟完成仿真模型的建立。

（2）實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)傳遞與幾何清理。利用Abaqus由CAD到CAE及各軟件的數(shù)據(jù)接口，定制數(shù)據(jù)無(wú)縫輸入輸出接口，直接從設(shè)計(jì)部門的CAD模型中導(dǎo)入幾何模型數(shù)據(jù)。模板可以自動(dòng)清理幾何模型自帶部件的干涉、細(xì)小碎面、小邊等影響建模的部分。

（3）實(shí)現(xiàn)常用工裝的參數(shù)化建模與定位裝配。利用Abaqus的草繪模塊，參數(shù)化建立簡(jiǎn)易工裝模型，并留有裝配定位輸入接口，簡(jiǎn)便易用。

（4）自動(dòng)賦予各零部件材料參數(shù)。對(duì)各零部件進(jìn)行默認(rèn)命名后，模板自動(dòng)完成材料參數(shù)的賦予。

（5）關(guān)鍵結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)六面體網(wǎng)格劃分。對(duì)于關(guān)鍵受力部件扭桿軸，自動(dòng)劃分高質(zhì)量六面體單元；對(duì)于幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，自動(dòng)劃分四面體單元；對(duì)所有單元進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查。

（6）建立標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，可以持續(xù)積累和調(diào)用復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型。模板針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)支撐座及扭轉(zhuǎn)臂進(jìn)行網(wǎng)格模型積累，形成標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。當(dāng)借用成熟結(jié)構(gòu)時(shí)，可以直接調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)網(wǎng)格。

（7）邊界條件設(shè)置和自查功能。模板自動(dòng)生成耦合加載面的加載點(diǎn)，可以直接輸入不同工況下的載荷值；在默認(rèn)固支區(qū)域施加固定約束；生成inp文件后自動(dòng)檢查作業(yè)。

（8）模板生成的作業(yè)通過(guò)檢查后，可以遠(yuǎn)程提交到小型機(jī)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果下載至本地后，打開(kāi)后處理模塊可以自動(dòng)完成仿真結(jié)果云圖的提取和部分報(bào)告的自動(dòng)生成。endprint

2模板應(yīng)用

2.1快速分析流程應(yīng)用

快速分析流程的全部分析周期只需要半個(gè)工作日，可以高效準(zhǔn)確地完成模型建立和計(jì)算，有助于迅速驗(yàn)證技術(shù)參數(shù)的合理性，提高商務(wù)溝通效率。以某彎扭桿（見(jiàn)圖4）項(xiàng)目初期技術(shù)方案交流為例進(jìn)行分析，以系統(tǒng)剛度為2.4 MN·m/rad為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)該彎扭桿結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，并對(duì)比扭轉(zhuǎn)臂有效長(zhǎng)度225 mm和275 mm（以下分別簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2）的區(qū)別。

模板自動(dòng)為彎扭桿賦予52CrMOV4材料參數(shù)，自動(dòng)生成的網(wǎng)格模型見(jiàn)圖5，彎扭桿六面體區(qū)域單元屬性為C3D8R單元，四面體部分區(qū)域采用C3D4單元。

邊界條件設(shè)置見(jiàn)圖6。簡(jiǎn)化支撐球鉸外表面施加固定約束；考慮關(guān)節(jié)軸承偏心距離，在彎扭桿錐銷連接孔參考點(diǎn)施加垂向載荷以計(jì)算扭桿在設(shè)定載荷下對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。

模板生成inp文件后通過(guò)pbs文件遠(yuǎn)程提交至高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行排隊(duì)計(jì)算，2 h后下載odb結(jié)果至本地計(jì)算機(jī)，得到2種結(jié)構(gòu)在相同載荷下的計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)圖7。提取加載點(diǎn)的載荷和位移量，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得出2種結(jié)構(gòu)的側(cè)滾剛度，見(jiàn)表1。由表1可知，在同等載荷下，結(jié)構(gòu)1的最大應(yīng)力相對(duì)較小，側(cè)滾剛度較大，且接近設(shè)計(jì)目標(biāo)。將該情況反饋至客戶后，公司迅速確定技術(shù)方案及訂單。

2.2精細(xì)分析流程應(yīng)用

精細(xì)分析流程首先在專用前處理軟件中完成網(wǎng)格模型，然后進(jìn)入模板進(jìn)行有限元模型設(shè)置，適用于成熟產(chǎn)品或者需要對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析的作業(yè)。以某系統(tǒng)裝置2種結(jié)構(gòu)（1.5 MN·m/rad與2.0 MN·m/rad，以下分別簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)a和結(jié)構(gòu)b）的強(qiáng)度和疲勞分析為例，首先運(yùn)用HyperMesh得到相對(duì)精細(xì)的網(wǎng)格模型，見(jiàn)圖8。建立精細(xì)的網(wǎng)格模型需要較長(zhǎng)時(shí)間，因此總分析周期較長(zhǎng)。在HyperMesh網(wǎng)格模型中對(duì)各部件按模板規(guī)定命名，將模型導(dǎo)入到Abaqus后，模板自動(dòng)完成各組件材料屬性賦予和單元類型設(shè)置。扭桿軸、銅套、吊銷、扭轉(zhuǎn)臂的花鍵部分和連桿金屬部分采用C3DSR單元模擬；連桿橡膠部分采用C3DSH單元模擬；軸承座、連桿座和扭轉(zhuǎn)臂花鍵外部分用C3D4單元模擬。邊界條件見(jiàn)圖9。

對(duì)軸承座施加固定約束條件，在連桿座上端面約束除施加載荷方向外的其他自由度，在耦合點(diǎn)RP1和RP2施加對(duì)應(yīng)的載荷，計(jì)算扭桿在不同載荷下對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。扭桿軸與銅套之間采用接觸設(shè)置關(guān)系模擬。2種結(jié)構(gòu)在相同極限工況下得到的應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖10和11。將應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入Fe-Safe對(duì)扭桿裝置進(jìn)行疲勞壽命分析。

Fe-Safe中用強(qiáng)度因子（Factor of Strength，F(xiàn)OS）S表征施加載荷的強(qiáng)度，當(dāng)S≥1時(shí)，在此設(shè)計(jì)壽命條件下，此加載載荷數(shù)值是安全的。對(duì)結(jié)構(gòu)a和結(jié)構(gòu)b進(jìn)行疲勞分析的結(jié)果見(jiàn)表2及圖12和13。由表2可知，在相同極限載荷下，結(jié)構(gòu)b的應(yīng)力大幅下降，強(qiáng)度因子有所提高，安全因數(shù)提高，更加適合設(shè)計(jì)疲勞載荷譜。

2.3模板精度驗(yàn)證

以某系統(tǒng)產(chǎn)品在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力測(cè)試對(duì)比進(jìn)行精度說(shuō)明。在時(shí)代新材產(chǎn)品檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的12通道試驗(yàn)機(jī)上采用DASP測(cè)試分析系統(tǒng)及SA-8動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，扭桿軸上3點(diǎn)采用45°應(yīng)變花法進(jìn)行貼片應(yīng)力測(cè)試（見(jiàn)圖14），將所測(cè)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。采用模板精細(xì)分析流程的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的誤差率在4%以內(nèi)，說(shuō)明模板精度可靠。

2.4工作效率的提升分析

使用模板前與使用模板后工作時(shí)間對(duì)比見(jiàn)圖15。對(duì)于專職仿真分析人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)用常規(guī)組件產(chǎn)品采用快速分析流程模板（即step流程）工作效率可以提升15倍（見(jiàn)圖15a）所示）；應(yīng)用復(fù)雜系統(tǒng)裝置采用精細(xì)分析流程模板（即hm流程）工作效率可以提升2倍（見(jiàn)圖15b）所示）。對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)用常規(guī)組件產(chǎn)品采用快速分析流程（即step流程）在保證計(jì)算結(jié)果精度和收斂性基礎(chǔ)上工作效率可以提升3倍（見(jiàn)圖15c）所示）。仿真模板可最大程度地提高所有使用人群的CAE建模效率，實(shí)現(xiàn)仿真工作的精益研發(fā)。常規(guī)項(xiàng)目分析工作轉(zhuǎn)移到開(kāi)發(fā)人員手中后，項(xiàng)目管理的工作流程得到縮減，同時(shí)也縮短項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)周期，提高項(xiàng)目開(kāi)發(fā)效率。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)Abaqus進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將各類型抗側(cè)滾扭桿裝置的分析方法流程化、分析經(jīng)驗(yàn)固化，形成一款抗側(cè)滾扭桿裝置的專用仿真分析模板軟件。此模板操作簡(jiǎn)單，留有標(biāo)準(zhǔn)件擴(kuò)展接口，可以自動(dòng)完成報(bào)告及其他后處理工作，能夠進(jìn)行加密處理，精度可靠，可以滿足快速分析和精細(xì)分析2種不同情況的需求，實(shí)現(xiàn)仿真經(jīng)驗(yàn)的積累和沉淀，降低仿真門檻，規(guī)范仿真流程，減少分析結(jié)果離散度，達(dá)到仿真工作精益研發(fā)的效果。利用該仿真模板，可將常規(guī)項(xiàng)目分析技術(shù)和工作轉(zhuǎn)移到開(kāi)發(fā)人員手中，縮短項(xiàng)目管理的工作流程和開(kāi)發(fā)周期，提升項(xiàng)目開(kāi)發(fā)效率。endprint