溫馨+劉俊+肖龍飛+鄒雙桂+唐文勇

摘要： 為提高彎管成形的數(shù)值優(yōu)化效率，解決小半徑彎管生產(chǎn)困難的問題，采用基于Python的Abaqus腳本接口和用戶圖形界面工具包進(jìn)行腳本功能及用戶界面二次開發(fā)，形成專用插件.插件包含彎管成形定義、分析任務(wù)提交及成形結(jié)果查看等3個(gè)模塊，為彎管的系列數(shù)值實(shí)驗(yàn)提供完整、高效且易操作的解決方案.使用此插件進(jìn)行的數(shù)值模擬用時(shí)大幅縮短，且所得結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)吻合良好.

關(guān)鍵詞： 彎管成形優(yōu)化； 數(shù)值實(shí)驗(yàn)； 二次開發(fā)； 插件； 用戶圖形界面； Python

中圖分類號(hào)： TG386；TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

為節(jié)省空間，工程中傾向于采用彎曲半徑與管徑之比小于1.5的彎管.小半徑彎管在彎制時(shí)易產(chǎn)生外側(cè)減薄、內(nèi)側(cè)起皺和截面扁平化等缺陷.在實(shí)際生產(chǎn)中，為獲得符合成形標(biāo)準(zhǔn)的彎管，針對(duì)每個(gè)管徑規(guī)格，需進(jìn)行多次生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)調(diào)試.目前，針對(duì)此成形過程，可采用Abaqus軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬[1]，以減少材料消耗并降低人工成本.

彎管成形的數(shù)值實(shí)驗(yàn)具有以下特點(diǎn)：第一，彎管成形是包含幾何、邊界和材料的三重非線性過程，要得到收斂且可靠的結(jié)果，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，數(shù)值結(jié)果的可靠性依賴于分析人員的經(jīng)驗(yàn)水平；第二，彎制工藝由管件與6個(gè)模具的接觸作用實(shí)現(xiàn)，成形過程變量繁多，取得較優(yōu)的模具設(shè)置常需要進(jìn)行系列數(shù)值實(shí)驗(yàn)[24]，而每一次數(shù)值實(shí)驗(yàn)都包括前后處理及分析過程，耗時(shí)很長；第三，Abaqus軟件無法直接提供成形指標(biāo)結(jié)果，需用戶提取變形后的節(jié)點(diǎn)位置自行計(jì)算，僅根據(jù)軟件給出的變形圖很難直觀地判斷缺陷位置.考慮以上特點(diǎn)，本文采用Python及GUI Toolkit語言對(duì)Abaqus進(jìn)行二次開發(fā)，形成針對(duì)彎管成形數(shù)值實(shí)驗(yàn)的專用插件.

目前，針對(duì)彎管模擬已有一些二次開發(fā)工作.[56]這些工作側(cè)重于對(duì)軟件已有功能的整合，而且只是針對(duì)某一部分進(jìn)行單獨(dú)開發(fā).本文開發(fā)的插件覆蓋前處理、工作提交和后處理整個(gè)過程，并且基于優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)添加實(shí)用功能，如系列工作連續(xù)提交及指標(biāo)結(jié)果寫入云圖，為彎管成形數(shù)值實(shí)驗(yàn)提供一整套高效的解決方案，尤其適合系列優(yōu)化.插件還定制符合工程習(xí)慣的界面以簡化分析過程，即使沒有Abaqus軟件基礎(chǔ)的用戶也可以快速掌握使用.

1Abaqus自定義插件

以Abaqus腳本接口二次開發(fā)為主，結(jié)合圖形界面的定制，形成彎管成形模擬的專用插件.插件程序包括腳本接口文件、圖形界面文件和插件注冊(cè)文件3類.腳本接口文件基于Python語言，直接向內(nèi)核發(fā)送命令，針對(duì)建模、分析和后處理全過程實(shí)現(xiàn)功能定義.圖形界面文件和插件注冊(cè)文件基于Abaqus GUI Toolkit語言，前者負(fù)責(zé)對(duì)話框（Dialog）的建立，后者負(fù)責(zé)機(jī)制（Mode）的定義和GUI插件注冊(cè).機(jī)制是連接圖形界面與腳本程序的紐帶，其對(duì)用戶輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集檢驗(yàn)，形成命令字符串提交至內(nèi)核.注冊(cè)命令引用定義的機(jī)制，當(dāng)插件被選中時(shí)，相應(yīng)的GUI機(jī)制被激活，同時(shí)導(dǎo)入腳本接口程序，為GUI命令的調(diào)用做準(zhǔn)備.①為描述插件形成思路及各類文件間配合，以前處理模塊為例，文件的關(guān)鍵語句見圖1.

①Dassault Systèmes Simulia Co. Abaqus GUI Toolkit Users Manual， 2012

圖 1程序文件關(guān)鍵語句及插件形成思路

Fig.1Key statements of program file and plugin development idea

2彎管成形優(yōu)化專用插件

本文開發(fā)的彎管成形優(yōu)化專用插件包含3個(gè)模塊：彎管成形定義模塊、分析任務(wù)提交模塊和成形結(jié)果查看模塊，分別實(shí)現(xiàn)前處理、工作分析及后處理功能.插件分析流程見圖2.

圖 2插件分析流程

Fig.2Analysis flow using plugin2.1彎管成形定義模塊

在采用Abaqus對(duì)彎管成形過程進(jìn)行模擬時(shí)，通常設(shè)置接觸、彎曲和卸載3個(gè)分析步.除管件本身與模具的結(jié)構(gòu)建模外，還需定義管件與6個(gè)模具間的多個(gè)接觸、芯棒與芯球的連接以及各模具在不同分析步中的力和位移邊界.此外，還需合理定義分析類型、接觸屬性、邊界條件、網(wǎng)格大小和加速手段并設(shè)置輸出.在滿足功能完整性的前提下，本插件的彎管成形定義模塊采用與軟件自身不同的思路，對(duì)建模流程進(jìn)行極大簡化，同時(shí)將具有一定技術(shù)難度的分析設(shè)置和重復(fù)性操作內(nèi)置在腳本中，無須用戶進(jìn)行定義.手動(dòng)建模流程見圖3，插件建模流程見圖4.圖 3手動(dòng)建模流程

Fig.3Flow of manual modeling process

圖 4插件建模流程

Fig.4Flow of modeling process using plugin

由圖中數(shù)字代表的基本操作步數(shù)可見，使用插件的操作步數(shù)減少近2/3.此外，插件建?；静僮鞑骄鶠閱蝹€(gè)數(shù)據(jù)的輸入，較手動(dòng)建模時(shí)需要進(jìn)行點(diǎn)選、繪圖等操作更加簡便.一般情況，使用插件建立1個(gè)分析文件的用時(shí)不超過5 min，尤其是在進(jìn)行系列優(yōu)化時(shí)，僅需改變個(gè)別參數(shù)取值即可快速生成一系列優(yōu)化工作文件，極大地提高數(shù)值優(yōu)化前處理的效率.

界面的定制符合實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)的思路，分為基本參數(shù)、過程參數(shù)和分析設(shè)置3個(gè)選項(xiàng)卡，見圖5.基本參數(shù)包含實(shí)驗(yàn)時(shí)無法或不經(jīng)常調(diào)整的參數(shù)，主要是管件與模具自身的尺寸和材料參數(shù)；過程參數(shù)選擇工程中為提高成形質(zhì)量經(jīng)常調(diào)整的參數(shù).基于優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，本插件在模具設(shè)置中選擇彎曲半徑、彎曲角速度、芯棒與管件間隙、芯棒伸出量、壓模側(cè)推力及其相對(duì)側(cè)推速度作為調(diào)整參數(shù).分析設(shè)置中對(duì)網(wǎng)格、分析步、工作名和儲(chǔ)存路徑進(jìn)行定義.用戶只需填寫以上參數(shù)即可自動(dòng)生成用于提交分析的inp文件.因此，即使沒有Abaqus軟件操作基礎(chǔ)的用戶，也可以使用此插件進(jìn)行高效的模擬工作.endprint

2.2分析任務(wù)提交和成形結(jié)果查看

單個(gè)彎管成形工作耗時(shí)很長，而且還常進(jìn)行系列計(jì)算.為有效利用時(shí)間，插件在分析任務(wù)提交模塊添加無人值守時(shí)的連續(xù)提交功能.用戶可以依次選擇多個(gè)inp文件一并提交，由軟件自動(dòng)在前一個(gè)分析任務(wù)完成之后提交下一個(gè)任務(wù).同時(shí)，由于過程文件較大，可以選擇計(jì)算完畢后自動(dòng)將其刪除.a）基本參數(shù)b）過程參數(shù)c）分析設(shè)置

圖 5彎管成形定義用戶界面

Fig.5User graphics interface of bended tube forming definition

彎管成形質(zhì)量由3個(gè)指標(biāo)考察：外側(cè)減薄率It，內(nèi)側(cè)起皺率Iw和截面扁平度If.指標(biāo)計(jì)算參數(shù)見圖6，計(jì)算方程為If=D1D0

It=t0min（t′）t0

Iw=max（Iws，Iwb）

Iwb=RmaxRminD0

Iws=DmaxDminD0 （1）式中：Iws和Iwb分別為直線段和曲線段起皺率.

圖 6成形指標(biāo)計(jì)算示意

Fig.6Schematic of forming indexes calculation

在插件提供的成形結(jié)果查看模塊中，用戶只需選擇結(jié)果文件，提取數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)和需要顯示的云圖項(xiàng)，腳本程序會(huì)自動(dòng)提取節(jié)點(diǎn)位置信息，按定義計(jì)算出指標(biāo)值，顯示在CAE窗口的信息欄，并寫入文件.為方便用戶觀察起皺位置，指導(dǎo)下一步設(shè)置調(diào)整，插件將起皺高度計(jì)算值與節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)寫入結(jié)果云圖，用戶可以隨時(shí)看到起皺高度的分布云圖.模擬工作提交和成形結(jié)果查看的用戶界面見圖7.

圖 7工作提交及后處理用戶界面

Fig.7User interfaces of job submission and postprocessing

3腳本程序要點(diǎn)

腳本接口程序是插件功能實(shí)現(xiàn)的核心.Abaqus腳本接口命令配合Python靈活的數(shù)據(jù)操作功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)模型的自動(dòng)化處理.對(duì)應(yīng)插件的3個(gè)模塊，分別編寫腳本接口程序.腳本程序關(guān)鍵語句及其說明如下.#前處理腳本關(guān)鍵語句

p= mdb.models[′Model1′].Part（name=′PIPE′， dimensionality， type）

…

a=mdb. models[′Model1′]. rootAssembly

# 創(chuàng)建部件截面

# 截面、參考點(diǎn)、特性、網(wǎng)格

# 部件裝配a.Instance（name=′PIPE1′， part=p， dependent=ON）…

…

edge1 = e1. findAt（（bendradiusdiameter/2， （lclampdie+10）， 0），）

a.Set（nodes=nodes1， name=′node_pipe_innerline′）

mdb.models[′Model1′].FieldOutputRequest（name=′FOutput1′， …，variables， …）

regionDef=mdb.models[′Model1′].rootAssembly.sets[′node_pipe_innerline′]

mdb.Job（name=job_name， model=′Model1′，…）

mdb.jobs[jobname].writeInput（…）# 建立數(shù)組、調(diào)整位置

# 分析步、接觸、連接單元、邊界

# findAt方法選邊

# 節(jié)點(diǎn)建立數(shù)組

# 場輸出定義

# 選擇節(jié)點(diǎn)組為場輸出區(qū)域

# 定義工作

# 生成用于提交計(jì)算的inp文件#工作提交分析腳本關(guān)鍵語句

def scan（dirname， filename， names）：

for file in names：

if …：

os.remove（file）

for i in range（）：

mdb.JobFromInputFile（name = jobqueue [i]，…）

mdb. jobs[jobqueue [i]].submit（…）

mdb. jobs[jobqueue [i]]. waitForCompletion（）

scan（pathName， jobqueue_real[i]， fileall）

os.path.walk（pathName， scan， 0）

# 定義函數(shù)進(jìn)行文件判斷刪除

# 定義文件判斷條件

# 刪除文件命令

# 對(duì)工作隊(duì)列循環(huán)操作

# inp文件創(chuàng)建工作

# 提交工作

# 前個(gè)分析結(jié)束前截?cái)啻a

# 調(diào)用函數(shù)

# 路徑下文件依次調(diào)用函數(shù)#后處理腳本關(guān)鍵語句

coord=odb.steps[′bend′].frames[1].fieldOutputs[′COORD′]

for…in…：

if…：

straight.extend（[icoord0Values.nodeLabel，ocoord0Values. nodeLabel]）

for istraightLabel in straight：

nodein += （istraightLabel， ）endprint

for…in…：

if （icoordValues. nodeLabel == istraightLabel）：

…

Hw_in.append（Hw_t）

Hwfield = lastFrame.FieldOutput（name=′Hw′， description=′起皺高度′，…）

Hwfield.addData（position=NODAL， …， labels = nodein， data = Hw_in）

odb.update（）

# 提取某時(shí)間點(diǎn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)場輸出

# 管件內(nèi)外側(cè)節(jié)點(diǎn)列表循環(huán)

# 判斷條件

# 寫入直線段節(jié)點(diǎn)序列

# 直線段/曲線段節(jié)點(diǎn)序列循環(huán)

# 寫入內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)元數(shù)組

# 內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)位移場輸出循環(huán)

# 位移與節(jié)點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)

# 計(jì)算皺高

# 寫入皺高列表

# 新建場輸出變量

# 添加數(shù)據(jù)

# 更新結(jié)果文件

①Dassault Systèmes Simulia Co. Abaqus Scripting Users Manual， 2012

②Python Software Foundation， Python 2.7.8 documentation3.1前處理

前處理腳本完成自動(dòng)建模工作，依次進(jìn)行部件、組裝、網(wǎng)格、邊界條件、接觸和分析步等對(duì)象的定義，另將管件內(nèi)外側(cè)節(jié)點(diǎn)分別建立數(shù)組并設(shè)置輸出，供后處理提取數(shù)據(jù).腳本接口文件編寫可以參考Abaqus軟件在GUI建模時(shí)生成的rpy文件.[7]需要注意的是，為保證腳本在重復(fù)運(yùn)行時(shí)的正確性，需對(duì)此參考文件進(jìn)行修正.例如，在屏幕上進(jìn)行點(diǎn)選時(shí)，Abaqus默認(rèn)采用內(nèi)部的編號(hào)系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記①，但是模型編輯會(huì)改變特征ID，故編寫腳本時(shí)需使用findAt命令對(duì)其進(jìn)行替換，改用坐標(biāo)值標(biāo)記對(duì)象.

3.2分析任務(wù)提交

分析任務(wù)提交腳本接口實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能：任務(wù)的連續(xù)分析和過程文件的自動(dòng)刪除.其中，連續(xù)分析通過循環(huán)完成，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是waitForCompletion方法的使用.②為實(shí)現(xiàn)過程文件的自動(dòng)清理，定義進(jìn)行文件判斷和刪除的專用函數(shù)，利用系統(tǒng)路徑的訪問方法對(duì)目錄中的每個(gè)文件依次調(diào)用此函數(shù)進(jìn)行判斷和刪除.

3.3后處理

以起皺率為例說明后處理腳本中進(jìn)行指標(biāo)自動(dòng)計(jì)算并將結(jié)果寫入文件和云圖的過程.

使用Abaqus命令訪問結(jié)果數(shù)據(jù)庫中特定時(shí)間步的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)輸出項(xiàng).由于變形后直線段與曲線段的起皺率計(jì)算方法不同，使用循環(huán)語句將直線段和彎曲段的節(jié)點(diǎn)分開配對(duì).采用循環(huán)判斷分別生成內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)元數(shù)組和皺高列表.為實(shí)現(xiàn)起皺高度的云圖顯示，新建場輸出對(duì)象，添加對(duì)象節(jié)點(diǎn)元數(shù)組和相應(yīng)皺高列表，保存在odb文件中.

4實(shí)例

為驗(yàn)證插件的有效性，使用插件對(duì)某次現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬分析.目標(biāo)管件外徑為114 mm，厚度為4.5 mm.進(jìn)行2次現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)以對(duì)比不同的壓模側(cè)推力對(duì)成形結(jié)果的影響：第1次側(cè)推螺栓緊，第2次側(cè)推螺栓松.對(duì)應(yīng)2次模擬時(shí)壓模側(cè)推力的設(shè)置為100和50 kN，其余參數(shù)一致.使用插件的“彎管成形定義”模塊，生成第1次實(shí)驗(yàn)的待提交inp文件，耗時(shí)3 min，模型見圖8.

圖 8插件生成模型

Fig.8Model for plugin generation

以第1次實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，改變過程參數(shù)中側(cè)推力的取值，即可生成第2次實(shí)驗(yàn)的分析任務(wù)文件.之后在“工作連續(xù)提交定義”模塊選擇這2個(gè)inp文件，勾選完成后刪除過程文件選項(xiàng)后提交.分析完畢后，信息欄中列出被刪除的過程文件和工作的接連提交情況，見圖9.最后，使用“成形結(jié)果查看”模塊，選擇結(jié)果文件、時(shí)間點(diǎn)和云圖項(xiàng)，插件自動(dòng)計(jì)算指標(biāo)并寫入相應(yīng)文件，結(jié)果同樣顯示在CAE信息欄，見圖9.同時(shí)，插件將起皺高度寫入結(jié)果云圖，界面自動(dòng)轉(zhuǎn)到所選的云圖項(xiàng)顯示.計(jì)算得到的第1次成形后彎管厚度云圖見圖10，最小厚度的位置和減薄率與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)吻合良好，見表1.同時(shí)，由起皺高度云圖可見，當(dāng)螺栓緊時(shí)，管件后部出現(xiàn)皺高3.7 mm的褶皺，與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，見圖11.無論是現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)還是采用插件數(shù)值模擬得到的結(jié)果均顯示，側(cè)推螺栓過緊對(duì)彎管成形有負(fù)面影響.圖 9信息欄

Fig.9Message area

圖 10厚度云圖

Fig.10Thickness contour

圖 11起皺云圖和實(shí)驗(yàn)對(duì)比

Fig.10Comparison of wrinkling contour and experiment

5結(jié)論

利用Abaqus腳本接口程序及圖形界面工具包，形成針對(duì)彎管成形數(shù)值優(yōu)化的專用插件.利用插件可實(shí)現(xiàn)以下功能.

1）輸入必要的參數(shù)值即可自動(dòng)生成模型，建模時(shí)間為5 min以內(nèi).在過程參數(shù)一欄修改個(gè)別參數(shù)即可快速生成系列任務(wù)文件.

2）支持無人值守時(shí)多個(gè)分析任務(wù)連續(xù)提交及過程文件自動(dòng)刪除，可有效利用時(shí)間.表 1插件模擬與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Tab.1Comparison of results of simulation using plugin and field experiment描述原厚度/mm成形后最小厚度/mm減薄率/%現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)值插件模擬值現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)值插件模擬值現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)值插件模擬值螺栓緊4.400～4.5004.5003.3003.35025.00～26.6725.56螺栓松4.400～4.5004.5003.4003.40922.73～24.4423.44endprint

3）自動(dòng)計(jì)算成形指標(biāo)，顯示在信息欄，寫入文件并實(shí)現(xiàn)指標(biāo)云圖顯示，方便用戶觀察缺陷產(chǎn)生位置，指導(dǎo)下一步調(diào)整.

通過前后處理的自動(dòng)化和系列工作分析時(shí)間利用率的提高，彎管成形數(shù)值優(yōu)化效率得以大幅度提升.采用開發(fā)的插件對(duì)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，所得結(jié)果與實(shí)際吻合良好.本文給出的插件形成思路和功能開發(fā)要點(diǎn)可供其他系列優(yōu)化數(shù)值實(shí)驗(yàn)的二次開發(fā)參考.參考文獻(xiàn)：

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