基于Abaqus的軌道車輛壓型件成形模擬系統(tǒng)開發(fā)

魯萬彪，李樹棟,，童娟，王雯，樊勝寶 ，鮑益東

(1. 中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2. 南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

0 引言

軌道車輛的結構件大多為壓型件，因其尺寸大、板料厚等特點，易發(fā)生起皺、回彈等成形缺陷，且零件的成形較為困難[1]，需采用合理的成形工藝保證成形質量。魯萬彪等人[2]通過研究不同下料尺寸對小彎梁成形結果的影響，以保證小彎梁成形質量。

傳統(tǒng)的工藝過程制定依賴于工藝人員的經(jīng)驗，若采用試模法優(yōu)化工藝過程，需耗費大量的時間和成本。隨著有限元方法逐漸成熟，學者們開始采用有限元方法對成形過程進行分析、優(yōu)化，節(jié)省了試模成本。謝秉順等人[3]模擬了小彎梁的成形過程，預測小彎梁的成形特性。欒小東等人[4]利用Abaqus軟件對小彎梁進行數(shù)值模擬優(yōu)化。

在進行壓型件成形過程的數(shù)值模擬時，軟件操作比較繁瑣且步驟單一，而且需要操作人員對所操作軟件有一定的使用基礎。Abaqus軟件不僅擁有很強的通用性，還有很好的擴展性。Abaqus提供了多種開發(fā)方式，用戶可以通過二次開發(fā)接口開發(fā)Abaqus前后處理功能，簡化操作，節(jié)省建模時間。吳向東[5]、連昌偉等人[6]分別對板料成形模擬的前后處理進行了開發(fā)。

本文擬基于Python語言，以Abaqus為平臺，開發(fā)壓型件成形模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過輸入工藝參數(shù)自動建立壓型件成形過程有限元模型，且GUI界面簡潔易懂，方便用戶快速地建立有限元模型，節(jié)省建模時間。本文將詳細介紹該壓型件成形模擬系統(tǒng)，并以小彎梁成形有限元建模過程為例，驗證本系統(tǒng)的有效性與實用性。

1 基于Python的Abaqus GUI二次開發(fā)

Abaqus提供了Python語言接口供用戶進行軟件前后處理的開發(fā)[7-8]。本系統(tǒng)所采用的界面開發(fā)方式為先用RSG模塊創(chuàng)建簡單的基本界面，再使用Abaqus GUI工具包在基本界面上進行修改、調整，增加RSG模塊缺少的控件。采用這種方式創(chuàng)建界面，可以在滿足開發(fā)需求的基礎上，充分利用已有資源，節(jié)省開發(fā)時間。

2 壓型件成形過程模擬系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)總體框架設計

本系統(tǒng)模擬的壓型件成形過程如圖1所示，凸模1和凸模2存在相互移動，凹模亦然。如果凹模1固定，則凸模1施加-y向的力壓住板料，凸模2施加-y向位移，板料進行拉延過程，凹模2施加+y向力，對板料施加壓邊力。

圖1 成形過程模型圖

本文在總結壓型件成形的基礎上，將成形過程的參數(shù)分為3個部分：板料定義模塊、模具定義模塊、分析參數(shù)設置模塊。板料定義模塊包含了板料模型的導入、網(wǎng)格參數(shù)的設置及材料的設置。模具定義模塊包含了模具模型的導入及網(wǎng)格參數(shù)的設置，因為在分析中，需將模具設置成為剛體部件，故不需設置模具的材料參數(shù)。但是模具定義模塊增加了模具邊界條件設置，包含了模具運動方向、運動位移的設置。分析參數(shù)設置模塊可以設置摩擦系數(shù)的大小以及分析步長，系統(tǒng)整體框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)界面開發(fā)框架設計

在Abaqus軟件中，系統(tǒng)入口加載到Plug-ins菜單欄下的Forming子菜單，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)及子菜單入口

2.2 前處理界面開發(fā)

基于Python語言設計了壓型件成形過程的有限元建模界面，前處理界面如圖4所示。將每個模塊內容放在同一個標簽頁里，便于使用者理解，操作方便。圖4(a)為板料定義模塊，可以在該界面上導入板料模型，設置板料網(wǎng)格參數(shù)、板料材料參數(shù)、完成板料的定義操作；圖4(b)為模具定義模塊，可以在該模塊下導入模具模型，設置模具的移動方向以及移動距離等邊界條件參數(shù)，設置模具的網(wǎng)格參數(shù)。圖4(c)為分析參數(shù)設置模塊，可以在標簽下輸入分析步參數(shù)、摩擦系數(shù)、作業(yè)名稱等有關分析的參數(shù)。

圖4 前處理界面

用戶可以在界面中輸入相應的參數(shù)值，并確定界面中的參數(shù)，執(zhí)行該界面下的內核程序，完成導入模型、裝配模型、劃分網(wǎng)格、定義相互作用、創(chuàng)建作業(yè)并提交等操作，簡化了在Abaqus主界面中建立該模型的操作過程，簡單快捷，節(jié)省了大量建模時間。

2.3 后處理界面開發(fā)

基于Python語言設計了壓型件成形過程的有限元建模界面，后處理界面如圖5所示。可以在界面中打開odb文件，選擇需要的云圖類型，點擊Apply顯示云圖，點擊Print Picture輸出云圖的圖片。

圖5 后處理界面

3 小彎梁成形實例

小彎梁為軌道車輛壓型件中的典型結構件，其厚度為2mm，截面為帽形，高為70mm，寬為94mm。小彎梁成形大致可分為兩個過程，先壓彎，再壓延成形。在實際成形過程中，在兩端側壁處易發(fā)生破裂現(xiàn)象，小彎梁的零件模型如圖6所示。本文選取小彎梁模型為例，驗證本文所開發(fā)界面的實用性。

圖6 小彎梁零件模型

3.1 小彎梁有限元模型參數(shù)

小彎梁板料模型為采用一步逆法進行展開計算的板料模型，采用一步逆法可以得到較為精確的下料尺寸，從而得到較好的成形零件尺寸。板料材料模型選用Q345鋼，彈性模量為206GPa，泊松比為0.28，密度為7850kg/m3。

Q345材料的塑性曲線以及FLD曲線如圖7所示。

圖7 Q345鋼的塑性曲線和FLD曲線

板料和模具模型的網(wǎng)格設置為四邊形網(wǎng)格(QUAD)，板料全局種子尺寸為3mm，模具全局種子尺寸為4mm。模型裝配如圖8所示。在本例中，固定部件為凹模1，成形方向為z向；移動部件為凸模2，第一階段為-45mm，第二階段為-62mm(即-z向45mm和-z向62mm)。加載部件1為凸模1，在分析步1加載，加載力約為-180000N，加載部件2為凹模2，在分析步2加載，加載力約為7000N。

圖8 小彎梁裝配模型

分析步設置為2步，第1步時長為0.006s，第2步時長為0.008s，摩擦系數(shù)設為0.1。設置作業(yè)名稱，完成有限元模型建立的參數(shù)輸入過程，確定所輸參數(shù)無誤后，將參數(shù)提交到內核程序，完成有限元模型的建立過程。

3.2 小彎梁成形結果

將建立好的模型提交到Abaqus/Explicit求解器進行計算，所得結果基本符合設計要求。圖9為小彎梁成形結果的厚度云圖和FLD云圖，最小厚度為1.679mm，減薄率為16.05%，成形極限最大為0.7162，未超過1，所以本例屬安全成形，且減薄區(qū)域與實際相符。

圖9 小彎梁成形結果

3.3 討論

在本算例中，因模具大體有6部分，需分別定義每部分模具與板料的接觸對，共需定義6對接觸對，并且材料設置、邊界設置等也較為復雜。在Abaqus傳統(tǒng)界面中定義這些內容需耗費30～60min，且人為定義，接觸對易出錯。本算例采用本文開發(fā)的系統(tǒng)界面定義了前處理過程，僅需10min輸入前處理所需參數(shù)，即可完成本算例的前處理過程，不僅節(jié)省了建立有限元模型的時間，而且避免了人為操作的失誤。

4 結語

本文利用Python語言對Abaqus進行GUI二次開發(fā)，開發(fā)自動成形有限元模型建立過程功能的GUI界面，簡化通用軟件建立小彎梁成形有限元模型的過程，方便用戶快速地建立有限元模型，節(jié)省了建模時間，并以小彎梁成形有限元建模過程為例，將小彎梁的仿真參數(shù)輸入到界面中，自動完成小彎梁成形有限元模型的建立。經(jīng)實例驗證后，求解器計算的結果與實際相符，故本文所開發(fā)的系統(tǒng)具有一定的實用性。