基于Python語言和Abaqus軟件的輪胎參數化高效建模技術

曹金鳳，王志文，王慎平，高 明，曾雨培，賈舒安

[1.青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東 青島 266520；2.浦林成山（青島）工業研究設計有限公司，山東 青島 266000；3.賽輪集團股份有限公司，山東 青島 264200；4.青島理工大學 理學院，山東 青島 266520]

隨著汽車工業的迅速發展，我國已成為全球最大的輪胎生產國[1-4]，各大輪胎企業紛紛建立各自的輪胎生命周期管理系統，以保持其在輪胎設計和制造領域的優勢[5]。由于輪胎結構部件多、形狀復雜，設計及建模費時費力，因此，開發實用、高效、準確和可靠的輪胎自動化建模軟件或插件，對于新型輪胎的設計、研制和生產都至關重要[6-8]。

目前，為了提高輪胎建模的效率，國內外眾多學者、企業工程師開展了大量的研究工作。劉信奎等[9]利用AutoCAD軟件繪制了輪胎二維模型，并將其導入UG軟件，完成輪胎三維實體建模，但該方法需要對AutoCAD軟件繪制的模型進行大量重復的幾何清理工作。劉野等[10]基于三維建模軟件CATIA對輪胎進行建模，首先在草圖模塊中繪制輪胎外輪廓，然后通過旋轉體命令建立輪胎三維模型，但如果修改模型則需要大量鼠標選擇操作。楊進殿[11]基于AutoCAD軟件提供的二次開發接口，采用內嵌的Visual LISP語言開發了輪胎有限元建模幾何清理模塊，編寫了樣條曲線和多線段篩選及清理程序，對建模過程中不支持的線條進行了修改和替換，解決了CAD與CAE軟件之間的接口問題，但仍需要一定的人工操作，且僅能生成仿真工況的充氣輪胎有限元模型。梅飛[12]基于由節點生成三維網格模型技術與AutoCAD軟件二次開發技術，設計了輪胎花紋自動建模程序，實現了由花紋二維設計圖直接生成三維網格圖，減少了三維花紋幾何建模的工作量，提高了建模效率，但該法對工程師的有限元分析水平要求較高，且如果單元網格質量不符合要求，修改和替換工作量很大。洪圣康[13]提出了基于IGES文件的最小獨立區域識別算法，實現了對輪胎二維CAD圖的區域識別，將CAD圖中的節點坐標、線元素信息、區域信息單獨保存，但由于輪胎設計多在AutoCAD軟件中進行，設計過程中經常出現區域不閉合、存在多余的點和線等問題，為了保證最小獨立區域識別算法的正確運行，也需要對輪胎CAD圖進行幾何清理。

綜上所述，已有眾多學者對輪胎自動化高效建模工作進行了大量的研究，在一定程度上提高了復雜結構輪胎建模效率，但依然存在幾何清理、人工參與多等問題。鑒于此，本工作提出一種基于Abaqus軟件內置的Python二次開發接口的輪胎參數化高效建模方法，僅需輸入輪胎各部件的關鍵參數，數秒鐘即可完成復雜結構輪胎建模工作，并且無需手動修補模型，具有操作簡單、效率高、可重復執行能力強等優勢。本研究成果為輪胎開發的數字化、參數化、自動化和智能化發展奠定了基礎。

1 在Abaqus軟件中實現復雜結構輪胎建模

本工作主要研究輪胎高效建模方法及相應的參數化實現過程，故對輪胎結構進行適當簡化，僅選取8個參數（見表1）來表達關鍵特征。在真實輪胎建模過程中，應該按照實際需求進行參數化設置。由于輪胎結構復雜、不同部件參數和材料種類多，輪胎建模工作復雜繁瑣，因此，為了避免不同軟件之間相互導入時出現線條重復、區域無法閉合等問題，本工作以某型號子午線輪胎為例，直接使用Abaqus軟件提供的錄制宏文件功能來建模，詳細操作過程如下。

表1 輪胎結構參數Tab.1 Parameters of tire structure

（1）啟 動Abaqus/CAE，選 擇[File]菜 單→[Macro Manager]→[Create]命令，彈出對話框（見圖1），將其命名為Tire_Profile，點擊Continue按鈕。

圖1 錄制名為Tire_Profile的宏文件Fig.1 Recording a macro file named Tire_Profile

（2）在Part功能模塊，創建名為OutProfile的二維可變形殼體部件，在草圖中使用Spot，Line，ArcByStartEndTangent等命令依次繪制輪胎外輪廓線、輪胎骨架（帶束層簾線、胎體簾線和胎圈鋼絲等）結構（見圖2）。通過平移功能將輪胎外輪廓線、骨架結構組合在一起（見圖3）。

圖2 輪胎骨架結構示意Fig.2 Diagram of tire framework structure

圖3 輪胎材料分布示意Fig.3 Diagram of tire material distribution

（3）單擊宏錄制窗口中的Stop按鈕結束宏錄制，無須保存模型直接退出Abaqus/CAE。此時，宏文件AbaqusMacros.py中已經記錄所有的Abaqus操作[14]。

2 復雜結構輪胎參數化高效建模技術

2.1 Abaqus軟件的Python二次開發接口

Abaqus是一款功能強大的非線性有限元分析軟件，其自帶的Python二次開發接口具有簡單易學、功能強大、模塊化、可擴展性、開源、免費和面向對象等優點，可以方便地開發自動前處理、分析結果后處理、材料庫定制、圖形用戶界面（GUI）等插件[15-16]，已廣泛應用于汽車、機械、航空、航天、軍事等領域。

Abaqus中的Python腳本接口可以實現Abauqs/CAE的所有功能，二者之間的通信關系如圖4所示[17]。操作者可以通過GUI窗口、命令行接口（Command Line Interface，CLI）和腳本發布命令，所有的命令都必須經過Python解釋器后才能進入到Abaqus/CAE中執行，同時生成擴展名為.rpy的文件；進入到Abaqus/CAE中的命令將轉換為INP文件，再經過Abaqus/Standard或Abaqus/Explicit求解器進行分析，得到輸出數據庫（ODB）文件，進而繪制變形圖、等值線圖等。

圖4 Python腳本接口與Abaqus/CAE的通信關系Fig.4 Communication relationship between Python script interface and Abaqus/CAE

2.2 復雜結構輪胎參數化設計方法

2.2.1 自動化建模過程

為了更好地實現復雜結構輪胎的快速建模，本工作基于Abaqus的GUI腳本和內核腳本開發了Tire_Profile插件，操作過程如下。

（1）將輪胎的建模操作宏錄制完畢，所有的Python命令都已寫入安裝根目錄的AbaqusMacros.py宏文件，操作者可以根據需求對文件進行編輯，生成內核腳本工作件。

（2）使用Abaqus/CAE的Plug-ins子菜單中的RSG對話框構造器，設計制作自動建模插件。

（3）使用RSG對話框構造器創建自定義圖形用戶界面，并將內核腳本工作件與GUI標簽頁中的內核函數綁定，實現參數傳遞，完成參數化程序設計[18]。

2.2.2 編輯和修改錄制的宏文件

使用編輯器打開AbaqusMacros.py宏文件，按照下列步驟編輯和修改代碼。

（1）導入相關模塊。基于Abaqus的Python二次開發接口編寫代碼時，首先需要導入開發過程中所需的所有相關模塊，本工作導入Abaqus和AbaqusConstants兩個模塊，代碼如下：

（2）刪除import section，import regionToolset等宏文件自動導入的相關模塊代碼行。

（3）建議刪除Abaqus自動生成的視窗代碼。例如，session.Viewports[′viewport；1′].makeCurrent。

（4）通過def（）函數定義表1中的8個關鍵參數，代碼如下：

其中，Outerdiameter，Sectionwidth，SetionHeight，SidewallH1，SidewallH2，Beadwidth，Shoulderply，Capply分別對應建模所需的8個參數，其值全為浮點型數據。

（5）創建約束草圖ConstrainedSketch，大致尺寸為2 000，代碼如下：

（6）創建二維變形體的輪胎部件模型，代碼如下：

（7）其他代碼保持不變即可。

2.2.3 定制輪胎建模插件的參數輸入界面

Python核心代碼開發完成后，為了使各參數的輸入更加便捷、高效，還需要定義參數輸入界面。使用Abaqus自帶的RSG快速創建插件（Ping-in）來定義參數輸入界面。實現方法如下：在Abaqus/CAE 中選擇[Plug-ins]菜單→[Abaqus]→[RSG Dialog Builder]，將彈出RSG對話框構造器界面，如圖5所示。

圖5 RSG對話框構造器界面Fig.5 Interface of RSG dialog box constructor

修改標題為Tire_Profile，增加Parameters組框的同時增加文本框、標簽、關鍵字、默認值等，按照同樣的方法設置8個參數值，完成后的對話框如圖6所示。

圖6 RSG對話框設置效果示意Fig.6 Diagram of setting effect of RSG dialog box

2.2.4 將內核腳本變量與GUI標簽頁中的內核函數綁定

切換到Kernel標簽頁，選擇修改后宏文件CreateTire.py來加載內核模塊，在下拉列表中選擇OutProfile函數，如圖7所示。重新切換到GUI標簽頁，保存對話框，設計完成后的界面如圖8所示（D，B，H，H1，H2，M，I和T分別為輪胎外直徑、半斷面寬、斷面高、下斷面高、上斷面高、胎圈寬度、胎肩厚度和冠部總厚）。此時，所有的插件文件都保存于根目錄的Abauqs_plugins文件夾。

圖7 內核模塊綁定效果示意Fig.7 Diagram of kernel module binding effect

圖8 輪胎關鍵參數的輸入界面Fig.8 Input interface of tire key parameters

重新啟動Abaqus/CAE，Plug_ins菜單下將出現本工作開發的插件[Tire_Profile]，單擊OK按鈕，僅需幾秒鐘即可完成復雜結構輪胎二維建模，如圖9所示。

圖9 本開發插件生成的輪胎模型Fig.9 Tire model generated by plug-in developed from this work

2.3 運行效果和效率

本工作開發了基于參數驅動的復雜結構輪胎建模插件，輸入關鍵參數后僅需數秒鐘即可完成復雜結構輪胎建模工作，方便、快捷、高效，可以大幅縮減輪胎開發周期，而且可以極大減小仿真分析人員的勞動強度，可以避免因設計者水平不同造成的設計差異。

3 結論

本工作基于Abaqus軟件內置的Python二次開發接口，通過修改錄制宏文件的方法，研發了復雜結構輪胎建模插件Tire_Profile，得到如下主要結論。

（1）與傳統的輪胎建模相比，使用本開發插件的輪胎建模僅需數秒鐘即可完成，極大提高了輪胎設計效率。

（2）本開發插件可以與Abaqus軟件無縫連接，避免幾何模型的修補和清理工作。

（3）使用Plug-ins菜單插件進行復雜結構輪胎參數化建模，當需要對輪胎某些尺寸進行修改時，只需修改對應參數值即可，避免手動修改模型時的重復性操作，修改過程簡單、高效。