基于ABAQUS-Python二次開發(fā)的滾筒柜框架參數(shù)化建模與諧響應(yīng)分析

宋 濤，馬成功，王 賀，洪 誠(chéng)

(中建材輕工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，杭州 310015)

隨著現(xiàn)在倉(cāng)庫(kù)對(duì)物品管理與存取要求的不斷提高，開發(fā)了一種能滿足倉(cāng)儲(chǔ)物流較高效管理與存取的滾筒柜設(shè)備[1]。目前，滾筒柜已應(yīng)用在醫(yī)院藥房的藥品倉(cāng)儲(chǔ)管理，如圖1所示，在一定程度上提高了醫(yī)藥人員的工作效率，減輕了工作負(fù)擔(dān)[2]。作為一個(gè)新開發(fā)的產(chǎn)品，該設(shè)備在樣機(jī)研制時(shí)存在一些需要完善優(yōu)化的問(wèn)題[3,4]。滾筒柜框架在運(yùn)行時(shí)存在輕微的擺振現(xiàn)象，可能存在滾筒柜工作頻率與固有頻率相近而產(chǎn)生共振的因素，為了保證其使用壽命，提高滾筒柜的工作性能，有必要對(duì)其框架進(jìn)行諧響應(yīng)分析，并通過(guò)改變框架結(jié)構(gòu)的布局從而改變產(chǎn)生共振的某階模態(tài)，避免共振給設(shè)備帶來(lái)的損害[5,6]。

對(duì)于ABAQUS的二次開發(fā)主要是基于Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，對(duì)于復(fù)雜模型需要重復(fù)建模分析、多零件設(shè)備重復(fù)多次操作和參數(shù)化分析問(wèn)題可以大大提高分析處理的效率。秦宇[7]等在研究機(jī)床切削問(wèn)題時(shí)，對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行研究完成了整套的前后處理流程；王家林[8]等建立變截面箱型橋梁參數(shù)化模型，使用Python語(yǔ)言以及AFX GUI Toolkit工具包開發(fā)了建模仿真平臺(tái)，有效的提高了模型前處理的效率；張建[9]等對(duì)格萊圈的密封性進(jìn)行研究，開發(fā)了一個(gè)集參數(shù)化建模、分析計(jì)算、結(jié)果提取的專用模塊，得到理想的分析結(jié)果。該文使用Python對(duì)ABAQUS二次開發(fā)，完成滾筒柜框架件的參數(shù)化建模、模態(tài)提取、諧響應(yīng)分析以及結(jié)果數(shù)據(jù)提取等工作，查找出樣機(jī)在工作中輕微擺振的原因，有效降低了多次重復(fù)建模的時(shí)間浪費(fèi)，為后續(xù)進(jìn)一步分析提供研究平臺(tái)。

1 模型簡(jiǎn)化與參數(shù)化

滾筒柜框架主要由矩管型材焊接而成，假設(shè)框架各零件間焊接良好，焊縫高度分布均勻，并光滑打磨；假設(shè)各螺栓緊固件連接良好，無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象。滾筒柜由兩個(gè)雙獨(dú)立單元組成，故只需研究其中一個(gè)單元。

滾筒柜框架通過(guò)內(nèi)部矩管的位置分布，支撐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的正常工作。根據(jù)框架件的設(shè)計(jì)要求，外框的長(zhǎng)、寬為固定尺寸，并且一個(gè)單元的框架設(shè)計(jì)為中心對(duì)稱，因此只需將一側(cè)的內(nèi)部矩管位置關(guān)系參數(shù)化即可。以框架一側(cè)上部拐角點(diǎn)為原點(diǎn)o，水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸建立平面坐標(biāo)系。定義y向矩管長(zhǎng)度參數(shù)分別為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Z1；x方向矩管位置參數(shù)分別為X11、X12、X21、X22、X23、X24、X31、X32；彈性模量E、泊松比μ、密度ρ、模態(tài)提取階數(shù)N、激勵(lì)F、掃頻上下界f1和f2、節(jié)點(diǎn)數(shù)n、網(wǎng)格密度m。

2 二次開發(fā)與用戶界面

2.1 參數(shù)化用戶界面設(shè)計(jì)

用戶通過(guò)腳本接口對(duì)ABAQUS/CAE上所有功能操作，完成二次開發(fā)。包括模型、材料、邊界條件等前處理的創(chuàng)建修改，計(jì)算任務(wù)的提交以及結(jié)果文件后處理。在實(shí)現(xiàn)交互的過(guò)程中，可以通過(guò)圖形用戶界面(GUI)、命令行接口(CLI)和腳本(Script)執(zhí)行。該文使用GUI創(chuàng)建用戶界面，運(yùn)用ABAQUS自帶的RSG對(duì)話框構(gòu)造器，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)框架模型結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性、分析參數(shù)的輸入以及與內(nèi)核程序的對(duì)接。

2.2 二次開發(fā)程序設(shè)計(jì)

使用Python對(duì)ABAQUS二次開發(fā)，編寫內(nèi)核程序，根據(jù)用戶界面?zhèn)鬟f來(lái)的參數(shù)，在ABAQUS中建立模型、賦予材料屬性、完成裝配、劃分網(wǎng)格、諧響應(yīng)分析步、定義邊界條件、提交計(jì)算以及結(jié)果文件的處理等整套的框架件有限元諧響應(yīng)分析過(guò)程。通過(guò)修改框架模型的參數(shù)改變框架結(jié)構(gòu)的分布，得到需要的模型；調(diào)節(jié)材料的參數(shù)為模型賦予不同性質(zhì)的屬性；通過(guò)點(diǎn)選選擇按鈕確定是否進(jìn)行計(jì)算分析和結(jié)果提取，如圖2所示。調(diào)用參數(shù)輸入函數(shù)完成建模等前處理：

from abaqus import *

from abaqusConstants import *

from caeModules import *

from driverUtils import executeOnCaeStartup

executeOnCaeStartup()

def creationfunctionparam

(y1,y2,y3,y4,y5,x11,x12,x21,x22,x23,x24,x31,x32,z1,E,posong,rou,N,F,f1,f2,m,n,exch,):

……

添加分析步切換選擇按鈕，用于選擇模態(tài)分析或諧響應(yīng)分析：

if str(exch)=='True':

mdb.models['Model-1'].FrequencyStep(name='Step-1',previous='Initial',

numEigen=ss)

else:

mdb.models['Model-1'].SteadyStateDirectStep(name='Step-1',

previous='Initial',frequencyRange=((f1,f2,n,1.0),))

添加提交計(jì)算切換按鈕，當(dāng)所建立模型合適時(shí)，提交任務(wù)并等待計(jì)算完成：

if str(cc)=='True':

mdb.Job(name='kuang_1',model='Model-1',description='',type=ANALYSIS,atTime=None,waitMinutes=0,waitHours=0,queue=None,memory=90,memoryUnits=PERCENTAGE,getMemoryFromAnalysis=True,explicitPrecision=SINGLE,nodalOutputPrecision=SINGLE,echoPrint=OFF,

modelPrint=OFF,contactPrint=OFF,historyPrint=OFF,userSubroutine='',scratch='',multiprocessingMode=DEFAULT,numCpus=1)

mdb.jobs['kuang_1'].submit()

mdb.jobs['kuang_1'].waitForCompletion()

整個(gè)分析流程直接輸入所需參數(shù)完成整個(gè)前處理，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)人員重復(fù)建模、驗(yàn)證模型、提取結(jié)果所需要的時(shí)間，縮短研發(fā)周期，提高了工作效率。

3 模態(tài)與諧響應(yīng)分析

3.1 原樣機(jī)模型諧響應(yīng)分析

框架內(nèi)部柜體由鏈條帶動(dòng)回轉(zhuǎn)，框架鏈輪軸受周期性沖擊載荷?？蚣芗谠O(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生共振取決于自身的模態(tài)和激振的頻率。使用二次開發(fā)程序，首先以原樣機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)建模，未知框架頻率分布范圍，因此將模態(tài)分析的階數(shù)范圍增大，提取框架前20階模態(tài)(N=36)。

表1 滾筒柜框架模態(tài)

為確定框架的持續(xù)動(dòng)力性能，確定是否因強(qiáng)迫振動(dòng)引起框架的共振產(chǎn)生擺振現(xiàn)象。對(duì)于多自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為[10,11]

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，設(shè)置定義掃頻上、下限f1=0，f2=200 Hz，采樣點(diǎn)n=100，激勵(lì)F0=1 500 N，進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

如圖3所示，原樣機(jī)的第一個(gè)峰值在32.32 Hz處達(dá)到最大響應(yīng)位移5.1×10-3mm，第二個(gè)峰值是在123.23 Hz處，響應(yīng)位移為4.3×10-3mm，對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)第6、17階模態(tài)。實(shí)際電機(jī)減速機(jī)輸出到設(shè)備的頻率為32.59 Hz，與第5、6階模態(tài)相近，故機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生輕微擺振現(xiàn)象的原因是減速機(jī)的輸出頻率與機(jī)構(gòu)的第5、6階模態(tài)共振；第17階與機(jī)構(gòu)工作頻率相差較大，對(duì)機(jī)構(gòu)影響不大不做分析。

3.2 基于二次開發(fā)的諧響應(yīng)分析實(shí)例

根據(jù)原樣機(jī)諧響應(yīng)分析結(jié)果，為降低減速機(jī)輸出端的頻率與框架件共振的影響，改變框架的參數(shù)值獲得合適的模態(tài)，使諧響應(yīng)頻率避開減速機(jī)的輸出頻率。為提高計(jì)算效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性，縮小掃頻范圍，增大相對(duì)節(jié)點(diǎn)密度，定義f1=20 Hz，f2=60 Hz，n=40，提取2～7階模態(tài)，選取六組不同參數(shù)模型比較結(jié)果，如表2所示。

表2 六組模型2～7階模態(tài)

序號(hào)2階3階4階5階6階7階122．4324．2025．1433．4033．4749．35222．4924．3325．4532．8933．3849．07322．3224．2025．7132．1033．2748．04422．3424．3225．9331．6933．2947．65521．9423．8426．6430．6732．9046．94621．9323．8226．6730．7732．9746．95

從圖4可以看出，修改框架內(nèi)部結(jié)構(gòu)位置能較有效的改變其模態(tài)，并且不同參數(shù)的諧響應(yīng)幅值不同。通過(guò)合理的選取參數(shù)值可以找到理想的框架模態(tài)值避免發(fā)生共振。由于框架參數(shù)較多，且參數(shù)取值范圍較大，是一個(gè)很龐大的計(jì)算量。對(duì)于理想?yún)?shù)的獲取，需要在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的頻率優(yōu)化研究，該文為后續(xù)的研究提供了一個(gè)開發(fā)平臺(tái)。

4 結(jié) 語(yǔ)

該文使用ABAQUS-Python二次開發(fā)對(duì)滾筒柜框架件進(jìn)行研究，參數(shù)化框架零件模型，在ABAQUS中使用Python語(yǔ)言對(duì)框架模型完成建模、定義材料屬性、裝配、邊界條件、網(wǎng)格、計(jì)算和結(jié)果提取等前后處理工作，開發(fā)了GUI界面與設(shè)計(jì)人員友好交互，提取框架件的模態(tài)并進(jìn)行諧響應(yīng)分析。確定了滾筒柜原樣機(jī)在工作過(guò)程中的輕微擺振現(xiàn)象為減速機(jī)輸出端與框架的第5、6階固有頻率共振造成。通過(guò)多組的對(duì)比計(jì)算實(shí)例，說(shuō)明此分析方法能有效的減少設(shè)計(jì)人員的建模分析的時(shí)間，提高工作效率。此分析方法提供了一個(gè)開發(fā)平臺(tái)，為后續(xù)深入研究提供了分析的工具和參考。

[1] 宋 濤,張文清,洪 誠(chéng),等.基于Lab VIEW軟件的滾筒藥柜傳動(dòng)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)程序[J].建材世界,2017,38(1):76-79

[2] 王 磊,張志強(qiáng),張懷存.滾筒藥柜傳動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)不干涉分析與仿真[J].機(jī)械傳動(dòng),2013,37(3):97-100.

[3] 宋 濤,程 云,王宇軒,等.滾筒藥柜傳動(dòng)系統(tǒng)存取機(jī)導(dǎo)槽優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].建材世界,2017,38(2):113-116.

[4] 趙 賢,張志強(qiáng),黃 民.基于RecurDyn與Simulink的控制仿真平臺(tái)在滾筒藥柜上的應(yīng)用[J].機(jī)電信息,2013(3):143-145.

[5] 劉文光,顏 龍,郭隆清,等.基于諧響應(yīng)的彈性懸臂梁裂紋識(shí)別分析[J].失效分析與預(yù)防,2016,11(3):143-147,202.

[6] 駱洪亮.軸向柱塞泵表面振動(dòng)分布特性諧響應(yīng)及瞬態(tài)響應(yīng)分析[D].秦皇島：燕山大學(xué),2014.

[7] 秦 宇,陳良玉.ABAQUS前處理二次開發(fā)在切削過(guò)程參數(shù)化建模中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓,2017,45(13):139-142.

[8] 王家林,李 平.ABAQUS箱型橋梁的GUI二次開發(fā)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,28(6):1000-1004,1024.

[9] 張 建,熊慶輝,冀 宏,等.基于Abaqus/CAE的格萊圈參數(shù)化建模及密封性能分析[J].液壓氣動(dòng)與密封,2017,37(1):35-38.

[10] Sybert A F,Hamilton D A.Prediction of Radiated Noise from Engine Components Using the BEM and the Rayleigh Integral[J].Sound Vibration，2004,1(4):345-364.

[11] Shen M H,Grady J E.Free Vibrations of Delaminated Beams[J].AIAA Journa1,2012,30(5):1361-1370.