鋼框架地震損傷ABAQUS分析的Python應(yīng)用研究

白潤山 馬子彥 郝 勇 段君勝

（河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

0 引言

目前，ABAQUS軟件是國際上運(yùn)用最廣泛、功能最先進(jìn)的有限元分析軟件之一，其廣泛應(yīng)用在建筑、機(jī)械、信息、生物等領(lǐng)域。ABAQUS軟件有著強(qiáng)大的建模和計(jì)算功能，種類豐富的材料庫和單元庫，可以模擬絕大部分復(fù)雜的不規(guī)則模型的非線性有限元分析。此外，該軟件擁有專門為進(jìn)行二次開發(fā)而設(shè)定的功能窗口，可以實(shí)現(xiàn)軟件中未開發(fā)的、能提高前后處理效率的接口。

Python語言起源于荷蘭，是在ABC語言的基礎(chǔ)上，作為腳本開發(fā)程序的編寫。如今，伴隨著越來越多的功能加入，Python語言逐漸成為一門高效率、易操作的編程語言。它作為開源軟件，可以根據(jù)持有者的意向植入到多個(gè)平臺(tái)中，加快運(yùn)行速度。ABAQUS中向Python語言提供了許多數(shù)據(jù)庫，為繞過CAE處理器直接操控ABAQUS的內(nèi)核提供了有效便利的途徑。本文就利用Python語言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)模型地震作用下的前處理自動(dòng)化建模和后處理參數(shù)的提取。

1 Python語言在ABAQUS中的二次開發(fā)

ABAQUS有限元軟件善于將實(shí)際工程問題，尤其是非線性問題，簡化為有限元模型進(jìn)行仿真分析。例如，板、梁、桿、塊狀等，都能轉(zhuǎn)化為仿真模型進(jìn)行問題。但其龐大的單元、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并不利于對(duì)結(jié)構(gòu)建模及參數(shù)的提取整合。Python語言作為一門功能強(qiáng)大、面向?qū)ο笮缘木幊陶Z言，既能獨(dú)立運(yùn)行又可以作為腳本語言使用，往往只需要一小段的編碼就能實(shí)現(xiàn)在建模、分析、后處理多個(gè)過程的復(fù)雜流程簡化。因此，在應(yīng)用程序開發(fā)得到了廣泛應(yīng)用，Python語言運(yùn)用環(huán)境通信形式如圖1所示。

圖1 ABAQUS與Python語言腳本環(huán)境通信關(guān)系

因此，采用Python腳本語言與有限元軟件ABAQUS相結(jié)合的方式，開發(fā)出一種能便捷、迅速建模及提取模型后處理參數(shù)的途徑是重大的突破。

2 ABAQUS有限軟件二次開發(fā)接口

ABAQUS是世界公認(rèn)的擁有強(qiáng)大建模、分析等功能的有限元軟件之一，但是其在前后處理方面與其他分析軟件類似，均需要經(jīng)歷繁瑣的定義、裝配、數(shù)據(jù)分析過程。Python語言作為ABAQUS腳本的擴(kuò)展，可通過編程修改ABAQUS的內(nèi)核程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化重復(fù)操作、創(chuàng)建模型、篩選數(shù)據(jù)庫等，這都是通過操控對(duì)象模塊實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)象類型一般分為三種。其中，前處理有mdb對(duì)象模型，主要針對(duì)模型及作業(yè)對(duì)象；后處理為odb對(duì)象模型，主要針對(duì)模型和數(shù)據(jù)對(duì)象；session對(duì)象模型則主要控制視圖，它包括對(duì)用戶自定義、遠(yuǎn)程隊(duì)列等。本文運(yùn)用的以及常用的ABAQUS對(duì)象模塊如圖2所示。

圖2 ABAQUS對(duì)象模型

將寫好的Python語言編碼導(dǎo)入ABAQUS軟件中的途徑有：（1）在ABAQUS/CAE 最下端的CLI 中直接將編碼復(fù)制進(jìn)去按回車；或者直接編寫讀取外部腳本的命令：execfile（‘文件名’）。（2）利用Run Script功能鍵導(dǎo)入外部腳本，在ABAQUS 剛啟動(dòng)時(shí)界面或者菜單欄中都可找到。（3）在啟動(dòng)ABAQUS/CAE時(shí)在命令窗口輸命令啟動(dòng)腳本：abaqus cae script=文件名。

3 基于ABAQUS鋼框架地震損傷分析

鋼框架建模中需要多次操作相同或類似的流程，其中對(duì)多個(gè)相同操作的構(gòu)件的截面、屬性可通過Python 語言編程腳本實(shí)現(xiàn)，但大部分操作仍需通過ABAQUS/CAE 中建立模型。以九層鋼框架為例，梁、柱都為工字形鋼截面，樓板為混凝土板。各層梁截面尺寸皆相同，同層柱尺寸相同，具體尺寸見表1。柱之間的距離為6米，層高為4米，柱底部為鉸接并受到X軸方向的地震波作用，俯視圖如圖3所示。

表1 鋼框架結(jié)構(gòu)梁柱截面尺寸

圖3 鋼框架平面圖

3.1 前處理

由于本文都采用將編碼直接輸入CLI命令窗口的方法，故可直接導(dǎo)入應(yīng)用模塊即可。鋼框架不同層高下存在不同的梁柱截面，故將part模塊導(dǎo)入快速建立多種梁柱截面。

完成多梁、柱、板的建模后，需要對(duì)梁柱的界面進(jìn)行定義，根據(jù)表1編程不同樓層狀況下工字型梁柱截面。

1到5層柱：frameModel.IProfile(b1=0.55, b2=0.55, h=0.55, l=0.275, name='Z-1-5', t1=0.03, t2=0.03,t3=0.015)

6到7層柱：frameModel.IProfile(b1=0.45, b2=0.45, h=0.45, l=0.225, name='Z-6-7', t1=0.02, t2=0.02,t3=0.02)

8到9層柱：frameModel.IProfile(b1=0.3, b2=0.3,h=0.3, l=0.15, name='Z-8-9', t1=0.02, t2=0.02, t3=0.015)

梁截面尺寸：frameModel.IProfile(b1=0.35, b2=0.3, h=0.3, l=0.175, name='L', t1=0.03, t2=0.03, t3=0.03)

導(dǎo)入到Abaqus中得到截面分配如圖4所示。

圖4 層樓與梁柱剖面對(duì)應(yīng)圖

再經(jīng)過對(duì)材料定義、裝配、合并、畫網(wǎng)絡(luò)等一系列操作之后，得到的鋼框架模型如圖5所示。

圖5 9層鋼框架模型圖

3.2 后處理

模型提交作業(yè)后，進(jìn)入ODB界面就可查詢模型的位移分布如圖6所示。

圖6 9層鋼框架位移圖

但是我們僅能通過顏色來綜合辨別的位移大小，具體某個(gè)分析步中的位移最大值我們無法得知，為此可通過編輯腳本實(shí)現(xiàn)：

上述程序跳出如圖7結(jié)果所示可知，模型在受力過程中magnitude位移最大值位于DZB分析步391針?biāo)矔r(shí)的時(shí)候，位移處于最大值為1.141145E+00米。

下述程序可實(shí)現(xiàn)地震完成瞬時(shí)節(jié)點(diǎn)的位移值，通過修改可提取出節(jié)點(diǎn)集中位移最大值，通過選擇較小區(qū)域使結(jié)果更直觀，且減少了刪選的繁瑣工作。

圖7 magnitude位移最大值位置

表2 鋼框架地震作用下最大節(jié)點(diǎn)位移

根據(jù)表2不難發(fā)現(xiàn)，樓板最大位移量隨著層數(shù)越往上而增加，這與梁柱變形規(guī)律相契合，故可用樓板變形規(guī)律分析樓層的位移變化規(guī)律。由圖8樓板增長率折線圖可知，在1層與2層和7層與8層樓板間位移的增長率明顯較大，但1層和2層的變形較小，故框架僅在7層與8層間有明顯的變形，如圖6所示框架位移圖可知與結(jié)論相吻合。

圖8 不同樓層板位移增長率分布

4.結(jié)論

本文闡述了Python語言在ABAQUS有限元軟件中二次開發(fā)方法，并以9層鋼框架為實(shí)例，對(duì)模型前后處理功能進(jìn)行了開發(fā)，體現(xiàn)了Python語言編程的靈活和高效率。最后指出分析步中位移最大值所在的時(shí)程并提取結(jié)構(gòu)地震完成后瞬時(shí)的樓層位移損傷參數(shù)。