基于ABAQUS二次開發的參數化型材拉彎前處理模塊研究

張夢夢，陳澤中，朱歡歡，王水苗

（1.上海工程技術大學，上海 200437；2.上海理工大學，上海 200093；3.上汽大眾有限公司，上海 201805）

0 引言

拉彎成形工藝以其制品精度高、表面質量好而在汽車和航空工業中得到越來越廣泛的應用[1]。作為一種幾何、材料、邊界非線性的金屬塑性成形工藝，在成形過程中容易出現諸如截面畸變、壁厚減薄、和回彈超差等缺陷。隨著計算機技術的進步，在拉彎工藝開發過程中，有限元分析方法得到了廣泛的應用，通過仿真研究不同截面特征、工藝參數、柆彎加載方式與加載軌跡設計等因素對拉彎成形質量的影響[2，3]等。

ABAQUS以善于求解復雜問題和非線性分析而被廣泛使用。ABAQUS同時也提供了二次開發接口，供用戶進行高層次的定制化建模分析。陳飛[4]等基于ABAQUS二次開發研究了噴丸工藝的前后處理過程，楊合[5]等基于ABAQUS開發了數控彎管前后處理模塊。

運用ABAQUS模擬柆彎工藝成形過程時，但其前后處理的設定較為復雜，涉及定義截面特征、邊界條件處理、夾鉗加載軌跡設計定義及實現等，非熟練人員較難掌握。同時在進行拉彎工藝設計及模具開發時需要經常調整模型，尋找合適的模具結構和工藝參數組合，花費較多人力物力。本文基于ABAQUS軟件平臺，開發參數化變曲率型材拉彎前處理模塊，完成基于截面特征、曲率特征和工藝參數組合的自動化前處理建模工作。用戶可以通過專用模塊GUI界面，輸入零件幾何參數和關鍵工藝參數，自動完成其有限元模擬前處理建模并提交分析，從而規避復雜設置、避免失誤、提高效率。

1 拉彎工藝與有限元分析模型

1.1 拉彎工藝

根據柆彎設備不同，可以分為轉臺式柆彎與張臂式柆彎。本文選用常用的張臂式柆彎工藝[6]。根據加載的不方式不同，也可以分為多種形式，現選擇最為常用的先預拉伸后彎曲再補拉伸（PMP法），并采用位移加載控制方式，如圖1所示。

圖1 PMP法示意圖

同時，柆彎工藝模擬采用準靜態分析方法，運用質量放大技術與能量平衡，通過ABAQUS/Explicit顯示動力學分析模塊對慢速運動進行顯示動態分析來模擬靜態問題。

1.2 基于不同截面特征建立型材柆彎有限元模型

基于如圖2所示四種確定的特征截面，通過參數化建模原理，實現不同截面尺寸和變曲率的型材部件、模具以及夾鉗部件的參數化建模，并自動完成裝配、賦值材料屬性、設定分析步與接觸、劃分網格、設置加載曲線與邊界條件等前處理操作，完成有限元分析模型搭建。

圖2 參數化建模模型

2 ABAQUS二次開發與GUI設計

2.1 ABAQUS二次開發

ABAQUS軟件為用戶提供了二次開發接口（Abaqus Scripting Interface）及眾多庫函數，用戶可以通過API接口編寫內核及GUI插件程序，開發出適用于某一專門領域的函數、模塊和界面[7]等。ABAQUS/CAE與內核腳本以及GUI界面的關系如圖3所示。用戶可以通過GUI窗口、命令行及腳本接口進行輸入，送至ABAQUS/CAE內核中執行并轉換為inp文件后，送到求解器中進行分析，最后輸出ODB文件，進行各種后處理工作。

圖3 ABAQUS/CAE與內核及GUI關系圖

2.2 參數化型材柆彎前處理模塊GUI設計

通過ABAQUS的RSG（Really Simple GUI）對話框構造器完成界面設計。考慮柆彎工藝的實際開發過程，根據型材柆彎前處理模塊功能需求，設計建立如圖4所示的參數化型材柆彎前處理模塊GUI。

圖4 參數化型材柆彎前處理模塊GUI界面

使用該GUI完成有限元分析前處理建模的步驟如圖5所示。選擇截面的類型并輸依次入截面參數、引導線參數、柆彎工藝參數（預拉量、補拉量以及摩擦系數）、材料屬性以及各分析步時間參數。

圖5 參數化型材柆彎前處理模塊GUI流程圖

所有參數輸入完畢后，通過ABAQUS腳本接口，提交給ABAQUS內核自動進行前處理建模操作，并提交進行分析計算。

2.3 內核腳本及與GUI連接

ABAQUS的RSG對話框構造器需要開發者定義GUI連接函數，實現GUI與內核腳本函數的聯系。在進行RSG構造器操作后生成的moduleNameDB.py文件中，連接對話框與內核腳本函數的連接函數定義如下：

moduleName.functionName(key1=val1，val2，……)

其中，key為GUI界面中定義的關鍵字，val為自定義內核腳本函數形參數。

2.4 內核開發

完成參數化型材柆彎前處理模塊GUI設計后，需要繼續基于ABAQUS/Python開發環境編寫內核腳本程序，作為GUI后臺程序運行。

內核腳本在形式上以基于Python語言格式的函數形式出現，函數中的形參取自GUI界面各個控件中所定義的關鍵字。內核腳本函數名為Create_Cross_Section，定義如下：

其中各個形參的含義可參照型材拉彎專用前處理模塊GUI界面圖片顯示。如圖6所示，所編寫內核腳本分別對應ABAQUS/CAE環境8種模塊，執行對應建模命令，生成相應參數化有限元模型。

圖6 參數化型材柆彎前處理模塊內核腳本程序結構圖

3 關鍵技術說明

3.1 參數化建模

根據拉彎有限元建模要求，參數化建立3個部件實例，分別為：型材坯料、模具和夾鉗。提取不同部件各自幾何特征，根據內核腳步函數定義的形參，進行特征參數賦值，生成3D部件。以T形截面型材柆彎模3D造型為例。

如圖7所示為T形截面型材拉彎模示意圖和尺寸計算簡圖。型材為變曲率彎曲件，彎曲段1曲率半徑為R1，水平方向長度為L1，彎曲段2曲率半徑為R2，彎曲段總長度為L，數值來自于GUI的形參賦值。由幾何知識可得P1、Point Die-T1、Point Die-T2等點坐標。進而得出參數化截面與引導線。

圖7 T形截面型材拉彎模具尺寸計算簡圖

在內核腳本中通過下列程序實現：

通過上述程序，通過調用數學計算模塊，參數化計算并建立了截面草圖為s，路徑為s1，采用內核掃略命令構建了名為Part_Die的T型柆彎模具。

其他截面的柆彎部件參數化建立方法同上述類似。

3.2 提取裝配體關鍵幾何特征

建立ABAQUS有限元分析模型的邊界條件、相互作用及網格劃分等操作時，需要指定各個部件不同的幾何特征，并將他們定義為這些模塊的region參數。

本文在前處理參數化建模程序中，通過調用內核腳本中的findAt方法來查找裝配體各部件的關鍵幾何特征來構建region，findAt方法的參數為相應幾何特征上的點的坐標。因此準確識別關鍵幾何特征的前提是確定各個關鍵點的坐標。因此通過計算各個點的坐標值從而實現參數化選擇region。如圖8所示，為建立T形截面型材拉彎裝配體中三個部件region時所需的關鍵點示意圖。

圖8 T形截面裝配體部件關鍵幾何特征示意圖

按照給定的函數形參值計算來得到以上各點的坐標。部分參數化程序如下所示。

需要建立的區域（region），包括如下部分：

1）建立坯料實例上的頂點（Vertex）的SET集合，用于輔助測量后處理過程中回彈值。

2）建立裝配體中三個部件實例的各個邊（Edge）的SET集合，用于建立邊界條件和劃分網格時使用。

3）建立裝配體中三個部件實例所有面的集合（SET）用于劃分這些部件實例的網格。

4）建立型材坯料部件實例和夾鉗部件實例的用于綁定約束的面的集合。其部分參數化程序如下所示。

4 變曲率拉彎工藝夾鉗加載軌跡的確定

4.1 夾鉗加載軌跡設計及計算

型材拉彎過程中，能否給夾鉗參考點設計準確的加載軌跡直接關系到拉彎成形工藝設計是否成功[8]。不同于常規仿真通常僅進行簡單的等曲率柆彎模擬，該參數化前處理模塊可以進行變曲率拉伸彎曲工藝模擬。采用位移加載方式并考慮夾鉗加載軌跡計算結果能夠直接用于參數化計算ABAQUS幅值曲線數據對，以實現對夾鉗加載軌跡的參數化控制。因此以柆彎動作前，夾鉗參考點的起點作為坐標零點，對夾鉗的加載軌跡進行重新計算。變曲率拉彎彎曲夾鉗參考點運動軌跡設計及計算簡圖如圖9所示。

圖9 變曲率拉彎夾鉗加載軌跡計算簡圖

圖9中共建立三個坐標系，分別為坐標系X0K0Y0、XK1Y、X1K2Y1，坐標原點分別選擇為K0、K1、K2，其中K0為柆彎動作前夾鉗參考點所在位置。基于坐標系X0K0Y0，夾鉗參考點的加載軌跡計算如式(1)～式(3)所示。

1）當型材在彎曲模第一部分進行曲率半徑為R1的等曲率彎曲時，夾鉗參考點K的實時坐標為：

2）當型材在彎曲模第二部分進行曲率半徑為R2的等曲率彎曲時，夾鉗參考點K的實時坐標為：

3）當型材在補拉伸操作時，夾鉗參考點K的實時標為：

4.2 幅值曲線

在ABAQUS建模過程中，通過在邊界條件設置中為夾鉗參考點自由度設定幅值曲線來實現控制夾鉗的加載軌跡，在不同的分析步中所需加載的幅值曲線也不相同。

在本參數化前處理模塊中需要建立7條幅值曲線，命名為Amp-0X、Amp-1X、Amp-2X、Amp-1Y、Amp-2Y、Amp-1UR和Amp-2UR，分別控制夾鉗參考點U1方向自由度（Step_1分析步）、U1方向自由度（Step_2分析步）、U1方向自由度（Step_3分析步）、U2方向自由度（Step_2分析步）、U2方向自由度（Step_3分析步）、UR3轉動自由度（Step_2分析步）、UR3轉動自由度（Step_3分析步）。

ABAQUS中幅值曲線是由一系列時間-位移元組數據組成，每一個元組元素都是一個點對。式(1)～式(3)建立起了符合ABAQUS邊界條件中對夾鉗參考點進行位移加載時的理論公式，為在ABAQUS內核腳本中通過編程構建幅值曲線奠定了理論基礎。將上述公式按照ABAQUS/Python軟件編程規范進行調整即可構成幅值曲線程序的主體。

5 使用驗證

通過通過GUI界面，設定相關參數并輸入，構建一個符合分析要求的有限元模型，以驗證參數化型材柆彎前處理模塊的可用性。參數設定如下：選擇矩形截面類型，型材坯料及所要成形零件的各尺寸：L0=220mm、L=200mm、L1=150mm、R1=1000mm、R2=100mm、Width=16mm、Height=8mm、Thickness=1mm。摩擦系數設定為0.1；預拉量與補拉量分別為0.8、1.0；材料選擇Aluminum；分析步時間設定為0.1、0.3和0.1。打開模塊GUI并輸入參數。

如圖10(a)所示，輸入參數并點擊GUI界面OK按鈕，自動提交求腳本后臺定義求解器進行建模并分析。如圖10(b)為該模塊構建的矩形截面柆彎3D裝配模型。如圖10(c)所示，為所提交任務分析完成后，后處理顯示的矩形截面型材拉彎過程中的等效屈服應力云圖。

圖10 矩形截面柆彎參數化模型

驗證表明該模塊功能定義及程序設計良好，能夠實現設計的意圖，證明了該模塊各功能的可用性。

6 結語

1）基于ABAQUS平臺二次開發了參數化型材拉彎前處理模塊，設計了該模塊專用GUI界面，并對若干關鍵技術進行了研究。實現針對若干種截面變曲率型材拉彎工藝的參數化有限元前處理建模操作。

2）基于建立ABAQUS幅值曲線實際要求，理論推導了變曲率拉彎夾鉗加載軌跡公式，通過對程序化公式所得的數據，可直接用于幅值曲線時間位移數據對。

3）運用ABAQUS/Python語言開發了型材拉彎專用模塊內核腳本程序，并對參數化設計，關鍵幾何特征提取等方法在ABAQUS各模塊的應用進行了分析與探討。

4）給定參數進行建模驗證，運用模塊GUI界面完成參數化前處理建模。測試結果表明模塊功能定義及程序設計良好。