基于ABAQUS-Python低碳鋼實驗可視化分析及二次開發(fā)

鄭燁 王鐸 張林怡 謝雅芳 黃珠瓊

摘要：低碳鋼拉伸力學(xué)性能實驗對于研究低碳鋼一維軸向受力特性具有重要意義，但采用ABAQUS軟件模擬分析實現(xiàn)低碳鋼整體實驗過程鮮有報道。本文采用將ABAQUS分析和Python二次開發(fā)應(yīng)用在該力學(xué)實驗中，模擬分析低碳鋼構(gòu)件拉伸及斷裂的完整過程，并通過在運(yùn)行腳本中重新編寫代碼，實現(xiàn)ABAQUS軟件模擬低碳鋼拉伸斷裂的過程，同時為相關(guān)研究提供一定借鑒。

Abstract： Tensile mechanical properties of low carbon steel are of great significance to the study of one-dimensional axial stress characteristics of low carbon steel， but the whole experimental process of low carbon steel using ABAQUS software is rarely reported. In this paper， ABAQUS analysis and Python secondary development are applied in the mechanical experiment to simulate and analyze the whole process of tensile and fracture of low-carbon steel components. By re-writing the code in the running script， ABAQUS software is realized to simulate the process of tensile and fracture of low-carbon steel. At the same time， some references are provided for relevant research.

關(guān)鍵詞：低碳鋼;ABAQUS;Python

Key words： low carbon steel;ABAQUS;Python

中圖分類號：O346.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）13-0143-04

0 ?引言

低碳鋼拉伸實驗是研究低碳鋼力學(xué)性的有效手段，通過該實驗可以深入了解低碳鋼的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長率和收縮率。在該實驗中，構(gòu)件在一維情況下承受大小相等、方向相反、共同作用在構(gòu)件軸線上的兩個外力，分析構(gòu)件的力學(xué)性能和相應(yīng)指標(biāo)[1]。在該實驗分析研究過程中，采用軟件模擬分析同樣具有非常重要的現(xiàn)實意義。通過軟件分析研究可以了解構(gòu)件在實驗過程中低碳鋼構(gòu)件各個部位的受力情況及應(yīng)力分布狀態(tài)，實時了解其相關(guān)內(nèi)容。但采用ABAQUS軟件模擬分析低碳鋼拉伸整體實驗過程的文獻(xiàn)鮮有報道。本文采用ABAQUS有限元軟件模擬低碳鋼拉伸實驗，運(yùn)用Python程序語言在運(yùn)行腳本中重新編寫代碼進(jìn)行二次修正，實現(xiàn)ABAQUS軟件模擬分析低碳鋼構(gòu)件拉伸及斷裂的完整過程。

1 ?ABAQUS、Python簡介

ABAQUS是全球最優(yōu)秀的大型通用有限元軟件，具有卓越的非線性分析功能。ABAQUS/CAE基于現(xiàn)代CAD理念和Feature建模概念，采用Part生成Assembly，可以高效實現(xiàn)幾何模型構(gòu)建并生成有限元網(wǎng)絡(luò)。ABAQUS/CAE可將生成的模型在后臺生成input file，并提交給ABAQUS/Standard 或ABAQUS/Explicit 求解器。進(jìn)入Job功能模塊后，將主要用于分析作業(yè)和網(wǎng)格自適應(yīng)過程的管理和創(chuàng)建，完成所提交的計算任務(wù)。計算完成后，進(jìn)入Visualization模塊進(jìn)行結(jié)果分析和處理[2]。

Python是一個獨(dú)立的程序語言，其語法簡潔清晰。ABAQUS/CAE采用Python作為腳本語言，當(dāng)用戶打開ABAQUS/CAE時，會自動實時產(chǎn)生一個replay文件（擴(kuò)展名為.rpy），里面記錄每一步的操作。當(dāng)用戶保存ABAQUS/CAE模型時，會產(chǎn)生一個journal file（擴(kuò)展名為.jnl）文件，里面是生成CAE模型所需要的Python腳本代碼。Journal file文件清晰明了，可以作為藍(lán)本進(jìn)行Python腳本程序開發(fā)。ABAQUS/Python有著巨大的潛力，使用Python腳本不但可以減少很多ABAQUS/CAE前后處理的重復(fù)工作，大大提高效益，更重要的是還可以程序化實現(xiàn)原本手動不可能做的工作[3]。

2 ?應(yīng)用實例

拉伸試驗采用國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T228-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，試驗采用低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試件，試驗設(shè)備為電子萬能試驗機(jī)（型號WDW-100M）。材料參數(shù)為：彈性模量E=2.55MPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7800kg/m3，構(gòu)件端面位移8mm。

2.1 建模

啟動ABAQUS后，在環(huán)境欄中點(diǎn)選Part模塊，再工具箱區(qū)中點(diǎn)選Create Part工具，創(chuàng)建模型。（圖1）

2.2 受外載荷設(shè)置

單擊鼠標(biāo)左鍵，點(diǎn)擊“邊界條件管理器”，在彈出的“創(chuàng)建邊界條件”對話框中點(diǎn)擊“力學(xué)”，在可選分析步中，選擇“位移/轉(zhuǎn)角”，左鍵單擊“繼續(xù)”按鈕;在試圖區(qū)選擇要加載的邊，點(diǎn)擊“完成”。在彈出的對話框“編輯邊載荷”中選擇“分布”。在畫布窗口選擇構(gòu)件左右兩個端面進(jìn)行設(shè)置。在“U2”中輸入位移大小8mm，完成載荷設(shè)定。

2.3 布置網(wǎng)格劃分

在構(gòu)件各個邊上布置相應(yīng)的“種子數(shù)”，編輯“指派單元類型”和“指派網(wǎng)格控制屬性”兩個模塊中的相關(guān)內(nèi)容，布置完畢點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵創(chuàng)建網(wǎng)格。網(wǎng)格的疏密程度影響其后續(xù)的Job分析時間，對電腦主機(jī)的處理能力要求十分高，選擇適當(dāng)?shù)膭澐置芏扔葹橹匾?。本實驗采用CAX4R。

2.4 網(wǎng)格布置質(zhì)量檢查

對布置好的網(wǎng)格進(jìn)行相應(yīng)的質(zhì)量檢查，可以確保在求解分析過程中不發(fā)生中斷現(xiàn)象，并且結(jié)果會更加精確可靠。其檢查內(nèi)容包括三個方面，形狀檢查、尺寸檢查和分析檢查。如在形狀檢查中包括形狀因子、三面轉(zhuǎn)角等;在尺寸檢查中包括幾何偏心因子、邊短于、邊長于、增量步小于等;在分析檢查中包括警告與錯誤。設(shè)定檢查范圍完成后單擊“高亮”按鈕開始檢查。檢查結(jié)果顯式單元格數(shù)761，分析錯誤：0（0%），分析警告：0（0%）。若檢查結(jié)果出現(xiàn)非零值時，應(yīng)對網(wǎng)格重新劃分或細(xì)化調(diào)整，直至檢查結(jié)果顯示為零時，方可點(diǎn)選下一模塊進(jìn)入作業(yè)分析。

2.5 Job分析設(shè)置

點(diǎn)選“環(huán)境欄”中的“作業(yè)”進(jìn)入作業(yè)分析模塊。點(diǎn)選“作業(yè)管理器”對話框，并單擊“創(chuàng)建作業(yè)”按鈕，在彈出的作業(yè)創(chuàng)建對話框中輸入設(shè)置參數(shù)，點(diǎn)擊“提交”按鈕完成作業(yè)設(shè)置并進(jìn)入分析狀態(tài)。在“作業(yè)管理器”中點(diǎn)選“監(jiān)控”按鈕，可以實時觀測分析進(jìn)程，待“分析步”結(jié)果顯示“1”時，完成分析。點(diǎn)擊“結(jié)果”按鈕，進(jìn)入后處理模塊。

2.6 后處理模塊顯示

在有限元分析的后處理模塊中提供了大量可視化分析結(jié)果?？梢栽谳敵鰯?shù)據(jù)中獲得想要的各種結(jié)果信息[4]?？梢暬治鲋邪ǜ鞣N云圖的觀測，X-Y數(shù)據(jù)圖表顯示等，可以獲取到的信息結(jié)果包括變形、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、矢量/張量、材料方向、動畫等。從應(yīng)力云圖（如圖3所示）中顯示結(jié)果看出，低碳鋼試件在等比例階段，中間部位應(yīng)力最大，應(yīng)力在變截面處向左右兩側(cè)逐漸減小。變形向量圖中（如圖4所示），線的箭頭方向表示矢量實際方向，紅色線區(qū)域表示應(yīng)力較大的位置。低碳鋼進(jìn)入局部變形階段（如圖5所示），云圖中顯示當(dāng)出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象時，頸縮部位受到應(yīng)力集中的作用，應(yīng)力出現(xiàn)極值。但由于塑性設(shè)置，沒有出現(xiàn)斷裂損傷現(xiàn)象。

2.7 利用Python進(jìn)行二次修正

對日志文件rpy進(jìn)行修改，得到需要輸出的相關(guān)設(shè)置（行數(shù)為后加上）。

1 # -*- coding： mbcs -*-

2 # ABAQUS/CAE Release 6.14-2 replay file

3 # Internal Version： 2014_08_22-22.00.46 134497

4 # Run by Administrator on Sat Jan 26 06：03：19 2019

……

65mdb.models['Model-1'].materials['Material-1'].DuctileDamageInitiation（table=（（

1.0， 0.0， 1.0）， （0.5， 0.4， 1.0）））

66mdb.models['Model-1'].materials['Material-1'].ductileDamageInitiation.DamageEvolution（ ? ?type=DISPLACEMENT， table=（（0.2， ）， ））

……

103mdb.models['Model-1'].DisplacementBC（……

u1=0.0， u2=30.0， ur3=0.0， UNIFORM， fieldName=''， localCsys=None）

將上述65、66和103行的內(nèi)容改寫為如下：

65mdb.models['Model-1'].materials['Material-1'].DuctileDamageInitiation（table=（（

1.0， 0.0， 50.0）， （0.5， 0.4， 50.0）））

66mdb.models['Model-1'].materials['Material-1'].ductileDamageInitiation.DamageEvolution（ ? ?type=DISPLACEMENT， table=（（0.02， ）， ））

103mdb.models['Model-1'].DisplacementBC（……

u1=0.0， u2=10.0， ur3=0.0， UNIFORM， fieldName=''， localCsys=None）

并且手動加入拉斷材料去除設(shè)置，如下：

118 elemType1 = mesh.ElemType（elemCode=CAX4R， elemLibrary=EXPLICIT， ? ? secondOrderAccuracy=OFF，hourglassControl=DEFAULT， ? ?distortionControl=DEFAULT， elemDeletion=ON）

為了使得腳本文件可以運(yùn)行，需要將文件擴(kuò)展名rpy改為py即可，再通過菜單欄中的文件“導(dǎo)入”功能，將上述腳本文件進(jìn)行重新運(yùn)行。

將分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)置，便于后續(xù)觀察。打開軟件視圖菜單，點(diǎn)擊ODB顯示選項，點(diǎn)擊其中的“掃掠/拉伸”選項卡，將掃掠單元分別設(shè)置為（0-180）和（0-360），點(diǎn)擊確定，結(jié)果如圖6和圖7所示。點(diǎn)擊菜單欄中的“方盒縮略”按鈕，將圖7中的右側(cè)部件進(jìn)行放大觀察，調(diào)整觀察位置，如圖8所示。從圖8運(yùn)行結(jié)果分析：構(gòu)件拉斷后，斷裂處有明顯的頸縮現(xiàn)象，并且斷口為韌性杯狀斷口，與低碳鋼拉伸實驗斷裂后的形態(tài)一致。圖6顯示，在斷口處有應(yīng)力極值，應(yīng)力值與實驗結(jié)果一致。

3 ?結(jié)束語

采用ABAQUS有限元模型仿真分析低碳鋼拉伸實驗，由前、后處理及求解分析計算模型損傷斷裂情況，以動畫形式展現(xiàn)全過程[5]。采用Python編程語言重新編寫腳本代碼，通過ABAQUS中的命令調(diào)用該腳本文件，在ABAQUS模擬軟件中實現(xiàn)低碳鋼拉伸斷裂效果，可視性、直觀性明顯，對構(gòu)件在拉伸過程中各個部位的受力情況可以得到詳細(xì)的描述。

參考文獻(xiàn)：

[1]祝瑛，蔣永莉，等.工程力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社;北京交通大學(xué)出版社，2010，8.

[2]齊威，等.ABAQUS 6.14超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2016，6.

[3]蘇景鶴，江丙云.ABAQUS Python二次開發(fā)攻略[M].人民郵電出版社，2016，4.

[4]王玉鐲，傅傳國，等.ABAQUS結(jié)構(gòu)工程分析及實例詳解[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010，3.

[5]王鐸，蔣國平，楊拴強(qiáng).基于ABAQUS 驅(qū)動工程力學(xué)課程多樣性探索[J].價值工程，2018，7（37）：286-288.