基于Python的ABAQUS二次開發方法與應用*

張 強 馬 永 李四超

(海軍駐鄭州地區軍事代表室1) 鄭州 450015)

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所2) 鄭州 450015)

基于Python的ABAQUS二次開發方法與應用*

張 強1)馬 永2)李四超1)

(海軍駐鄭州地區軍事代表室1)鄭州 450015)

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所2)鄭州 450015)

ABAQUS為二次開發用戶提供了Python腳本接口。在ABAQUS環境下執行Python腳本,可方便地實現自動化創建、重復、修改模型及分析任務,實現參數化研究,訪問結果數據庫等功能。以某支架為例,介紹了基于Python的ABAQUS二次開發原理與方法。

ABAQUS;Python腳本;二次開發;結果數據庫;參數化研究

Class NumberTP311

1 引言

ABAQUS軟件具有很強的通用性和模擬性能,擁有豐富的單元類型及材料模型,有ABAQUS/CAE(前處理器)、ABAQUS/Standard(隱式求解器)和ABAQUS/Explicit(顯式分析求解器)、ABAQUS/Viewer(后處理器)等模塊,可以解決從相對簡單的線性分析到高度非線性系統的模擬等各種問題。ABAQUS的前、后處理器為用戶提供了廣泛的功能,但有些功能需要通過二次開發或使用其它軟件才能實現,如自動、重復化建模[1],執行參數化研究[2],訪問結果數據庫[3～4]等。對ABAQUS進行二次開發,可以實現許多軟件未提供的功能,提高模擬分析效率,擴展ABAQUS應用等。

ABAQUS為二次開發用戶提供了Python語言接口。Python是一種面向對象的腳本語言,它有高級的數據類型和簡單有效的面向對象程序設計方法,功能強大、擴展性強,而被廣泛應用。ABAQUS有限元程序通過集成Python腳本向二次開發用戶提供了豐富的庫函數,可直接操縱ABAQUS內核,實現建模、劃分網格、指定材料屬性、提交作業、后處理分析等功能。

本文以某支架的參數化分析為例,詳細介紹了在ABAQUS中用Python腳本進行二次開發的原理與方法。

2 方法

2.1 ABAQUS與Python

Python是一種非常流行的面向對象的編程語言,ABAQUS腳本接口(ABAQUS Script Interface)就是基于Python語言的擴展,它允許用戶繞過ABAQUS/CAE的GUI(graphical user interface)直接與內核交互。使用Python編寫的包含腳本接口命令的程序可實現如下功能:

1)用Python腳本定制、修改ABAQUS環境文件(abaqus_v6.env)。

2)在ABAQUS輸入文件(Input file)中,用Python腳本定義關鍵詞*PARAMETER項下的數據行。

3)ABAQUS的參數化研究(Parameter Study)需要編寫和執行ABAQUS腳本(.psf)文件。

4)ABAQUS/CAE在rpy文件中用Python腳本方式記錄操作命令。

5)用Python腳本自動化創建、重復、修改模型及運行分析任務等。從ABAQUS/CAE中執行腳本文件,有以下幾種方式:

·從主菜單中執行File→Run Script;

·從宏管理器(Macro Manager)中執行;

·從命令行接口(command line interface)中執行。

6)用Python腳本訪問結果數據庫(Output database)等功能。

2.2 ABAQUS結果數據庫對象模型

結果數據庫由ABAQUS分析得到,其中包含了模型數據(Model Data)和結果數據(Result Data)。模型數據描述了分析中使用的模型,包括零件、裝配等。結果數據描述了分析得到的結果,包括分析步(Step)、幀(frame)、場變量輸出(field output)和歷史變量輸出(history output)等。其中ABAQUS結果對象數據庫對象模型,如圖1所示[5～6]。

圖1 ABAQUS結果數據庫對象模型

因此,用Python腳本訪問ABAQUS結果數據庫,可以完成以下功能:

1)讀取零件及裝配的幾何模型數據,如節點坐標、單元連接及單元類型等;

2)讀取零件及裝配的截面及材料模型數據;

3)從選定的分析步(Step)、幀(frame)或區域中讀取場變量輸出數據;

4)讀取歷史變量輸出數據;

5)對場變量輸出數據及歷史變量輸出數據進行訪問及適當的操作;

6)對已存在或新的結果數據文件寫入模型數據、場變量輸出數據或歷史變量輸出數據。

對后處理的二次開發,就是讀取odb對象中的數據,進行計算等相應的處理,然后輸出相應形式供用戶查看。

2.3 ABAQUS二次開發原理與方法

對ABAQUS二次開發,可先使用ABAQUS進行數值模擬:根據所要模擬的問題類型進行建模,如建立幾何模型、分配材料屬性、施加載荷及邊界條件、設定分析步和劃分網格等;然后形成輸入文件等。ABAQUS/CAE在rpy文件中用Python腳本方式記錄所有操作命令,用記事本打開rpy文件,然后根據需要進行簡單的修改,即可形成二次開發的程序代碼。

計算結束后形成結果文件,使用Python腳本訪問結果數據庫,實現結果文件的控制與讀寫;然后根據實際問題和數據的存儲路徑,直徑引用對象變量或使用數據對象得到要處理的數據;對數據進行適當運算等相應的處理,在ABAQUS/View中將結果用云圖或曲線表的形式輸出,方便分析和查看。ABAQUS對象類型有3種。其中,session對象用來定義窗口、遠程隊列及用戶定義的窗口等;Mdb對象用來定義模型空間中的數據,包括Model對象和Job對象;Odb對象用來定義結構數據,包括模型對象和結果數據。如圖2所示[5～6]。

圖2 ABAQUS對象模型

3 應用舉例

某支架的結構及尺寸,如圖3所示。

圖3 某支架結構及尺寸(單位:mm)

支架上下寬邊沿固支,在A、B兩個銷釘孔沿x、y兩個方向作用有如下載荷:Ax=6667.5N;Ay=333.75N;Bx=6667.5N;By=333.75N。

且支架尺寸滿足以下關系式要求:

已知支架彎角ang變化范圍在45°～90°,要求出彎角處最大Von Mises應力值隨角度變化的敏感度曲線。

3.1 參數化模型

ABAQUS采用的是基于特征的建模方式。在ABAQUS的Sketch模塊草繪如圖3所示平面圖時,為了保證角度變化時,各邊尺寸及相對關系不發生改變,除了標注適當的尺寸外,還必須施加一定的約束,如四條豎直邊施加Vertical約束等。

在A、B兩個銷釘孔圓心處添加參考點,參考點與相應圓邊沿施加分布耦合約束;在參考點上施加x、y兩個方向的集中力載荷;支架上下寬邊沿施加固支約束。

在ABAQUS/CAE建立起基本模型后,通過簡單修改rpy文件可實現對支架彎角的參數化建模,如下所示:

上述程序對支架彎角ang從 45°變化至90°范圍,產生相應的模型文件、提交分析并得出分析結果。以ang等于65°為例,支架的Von Mises應力、變形云圖如圖4所示。

圖4 某支架的分析結果

3.2 提取分析結果

得出分析結果后,通過訪問odb下面的steps對象,遍歷各個分析步和幀的Von Mises應力值,查找最大值,并將最大值添加至結果變量。程序代碼如下所示:

3.3 形成結果曲線

根據分析結果,訪問session對象,生成支架彎角與支架Von Mises應力最大值之間的敏感度曲線,程序代碼如下所示:

圖5 支架彎角與Von Mises應力最大值之間的敏感度曲線

由圖5中可以看出,支架彎角從 45°增大至 90°時,支架彎角處的Von Mises應力最大值從305.8MPa減小至112.4MPa。

4 結語

本文敘述了用Python腳本對ABAQUS進行二次開發,實現自動化創建、重復和修改作業,以及訪問ABAQUS結果數據庫的原理與方法。以某支架為例,當支架彎角在45°～90°范圍變化時,得出支架彎角與Von Mises應力最大值之間的敏感度曲線。

[1]鐘同圣,等.Python語言和ABAQ US前處理二次開發[J].鄭州大學學報(理學版),2006,38(1):61～64

[2]ABAQUS,Inc.ABAQUS Example Problems Manual.Version 6.9[M/CD].Pawtucket,USA:ABAQUS,Inc,2009:11.2-1～11.2-4

[3]連昌偉,等.ABAQUS后處理二次開發在塑性成形模擬中的應用[J].鍛壓技術,2006(4):111～114

[4]劉玉振,徐承強.多晶體材料三維微結構有限元分析的后處理[J].山東大學學報(工學版),2008,38(2):14～17

[5]ABAQUS,Inc.ABAQUS Scripting User's Manual.Version 6.9[M/CD].Pawtucket,USA:ABAQUS,Inc,2009:6-2,9-3

[6]ABAQUS,Inc.ABAQUS Scripting User's Reference Manual.Version 6.9[M/CD].Pawtucket,USA:ABAQUS,Inc,2009:31-1

Method and Application of Second-developed ABAQUS Based on Python

Zhang Qiang1)Ma Yong2)LiSichao1)
(Military Representatives Office of Navy in Zhengzhou1),Zhengzhou 450015)
(No.713 Research Institute of CSIC2),Zhengzhou 450015)

The Python Script Interface is provided by ABAUQS for programmers aimed at second-developed ABAQUS.Executing Python script at the ABAQUS environment,may automatically-setting-up、repeat and modify models and analysis tasks expediently,may perform parameter study,may access output database,etc.In this paper,some bracket is illustrated as an example to explain the principle and method of second-developed ABAUQS based on Python.

ABAQUS,Python-Script,second-developed,output-database,parameter-study

TP311

2010年9月19日,

2010年10月20日

張強,男,工程師,研究方向:導彈發射技術。馬永,男,高級工程師,研究方向:水下發射技術。李四超,男,工程師,研究方向:導彈發射技術。