戎江 馬世博 閆華軍 張雙杰 邵海濤 張超

摘 要：針對在采用有限元軟件分析多參數(shù)變化對研究對象的影響時(shí)往往需要反復(fù)建模、重復(fù)定義、修改參數(shù)等問題，提出了改進(jìn)的編程方法和圖形用戶界面建立方法。以中間坯動態(tài)剪切擠壓連接為例，基于Python語言對ABAQUS前處理進(jìn)行了二次開發(fā)，編寫了動態(tài)剪切擠壓連接仿真模擬的內(nèi)核腳本程序，借助RSG插件建立了動態(tài)剪切擠壓連接的圖形用戶界面，最后進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，用戶可根據(jù)實(shí)際情況輸入不同工藝參數(shù)、剪具參數(shù)、坯料參數(shù)，自動完成前處理操作，在有效解決了模型裝配時(shí)繁瑣、易錯等問題的同時(shí)還提高了模型裝配和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證了所提出的二次開發(fā)程序及圖形用戶界面的可行性。研究結(jié)果為后續(xù)研究不同壓下量、搭接量、刃口寬等參數(shù)對中間坯動態(tài)剪切連接質(zhì)量的影響提供了有力工具，同時(shí)為ABAQUS二次開發(fā)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：特種加工工藝;運(yùn)動仿真;Python語言;ABAQUS二次開發(fā);剪切連接

中圖分類號：TG335.19 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.7535/hbkd.2021yx03014

Applied research of secondary development of ABAQUS in the simulation of dynamic shear extrusion connection

RONG Jiang1， MA Shibo1，2， YAN Huajun1，2， ZHANG Shuangjie1，2， SHAO Haitao1， ZHANG Chao1

（1.School of Material Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;2.Hebei Key Laboratory of Material Near-net Forming Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Abstract：Aiming at the problem that when the finite element software is used to analyze the influence of multi parameter changes on the research object，it is necessary to repeatedly model，define and modify parameters，an improved programming method and graphical user interface establishment method were provided.Taking the dynamic shear extrusion connection of intermediate billet as an example，the python language was used for secondary development of ABAQUS pretreatment，and the kernel script of dynamic shear extrusion connection simulation was programmed.Then the graphic user interface of dynamic shear extrusion connection was established by using RSG plug-in.Finally，simulation analysis was conducted.The results show that users can input different process parameters，die parameters and blank parameters according to the actual situation to complete the pre-processing operation automatically，which not only effectively solves the problems of complicated and error prone model assembly，but also improves the accuracy of model assembly and simulation results，so the feasibility of the secondary development program and graphical user interface is verified.The study provides a powerful tool for the follow-up study of the influence of different reduction，overlap，edge width and other parameters on the dynamic shear connection quality of intermediate billet，and provides a reference for the secondary development of ABAQUS in other fields.

Keywords：

special processing technology;motion simulation;Python language;ABAQUS secondary development;shear connection

ABAQUS作為一款大型通用有限元仿真分析軟件，在工程模擬中應(yīng)用廣泛，可以分析大多數(shù)工程材料的線性、非線性行為[1-4]。為了滿足不同用戶的特定需求，ABAQUS軟件提供了基于Python語言的腳本接口[5-6]，以方便用戶開發(fā)自定義的前后處理工具，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、數(shù)據(jù)處理等功能。HUANG等[7]基于ABAQUS二次開發(fā)和統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS，利用Python腳本實(shí)現(xiàn)了空心樓板的自動建模、分析和數(shù)據(jù)處理。TANG[8]以Python作為編程語言對ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā)，并以彎輥為例，對其進(jìn)行了參數(shù)分析。YI等[9]在研究分析齒輪箱減振降噪時(shí)，運(yùn)用Python語言對ABAQUS的前后處理進(jìn)行二次開發(fā)，提高了前后處理的分析和計(jì)算效率。

中間坯動態(tài)剪切擠壓連接技術(shù)是將兩塊搭接在一起的坯料，通過傳送帶輸送至動態(tài)剪切擠壓連接裝置的上、下剪具處，在上、下剪具擺動瞬間完成剪切擠壓連接[10-11]。在研究工藝及參數(shù)對中間坯連接質(zhì)量的影響和對工藝進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，往往需要反復(fù)建模、重復(fù)定義、修改參數(shù)等許多繁瑣工作[12-13]?；跀?shù)值模擬[14-17]及ABAQUS二次開發(fā)參數(shù)化建模思路，可以減小前處理過程中建模、裝配、定義載荷等工作量，提高有限元分析效率。因此，本文擬采用Python語言對ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā)，編寫動態(tài)剪切擠壓連接仿真模擬的內(nèi)核腳本程序，借助RSG插件建立剪切擠壓連接的圖形用戶界面，實(shí)現(xiàn)前處理參數(shù)化，用戶可根據(jù)具體輸入的工藝參數(shù)、模具參數(shù)、坯料參數(shù)進(jìn)行動態(tài)剪切擠壓連接仿真模擬。此外，通過與非參數(shù)化模擬進(jìn)行對比，驗(yàn)證該二次開發(fā)程序的可行性。

1 動態(tài)剪切擠壓連接仿真模型的建立

1.1 剪切擠壓連接簡介

如圖1所示動態(tài)剪切擠壓連接初末狀態(tài)，實(shí)際生產(chǎn)中上、下剪具在剪切連接裝置的作用下，以近橢圓軌跡在豎直面上運(yùn)動，止料刃與中間坯接觸后限制金屬沿坯料方向的塑性流動，刃口咬入坯料，在上、下剪具刃口作用下搭接坯料發(fā)生剪切-擠壓劇烈變形，使中間坯瞬間完成連接[18]，去除坯料接頭后進(jìn)入精軋機(jī)。

1.2 剪切擠壓連接模型的建立與網(wǎng)格劃分

動態(tài)剪切擠壓連接作為一種新工藝，研究其工藝參數(shù)、剪具參數(shù)、坯料參數(shù)等對連接質(zhì)量的影響尤為重要。仿真模擬時(shí)一旦有參數(shù)發(fā)生變化必將重新建模并裝配，這將花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，故提出前處理參數(shù)化。針對上、下剪具外形輪廓規(guī)則，為提高模擬效率將其設(shè)置為解析剛體并創(chuàng)建參考點(diǎn)和集合，坯料設(shè)置為三維可變形體。上、下剪具為解析剛體無需劃分網(wǎng)格，坯料網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)，坯料在剪切連接過程中連接區(qū)的網(wǎng)格會發(fā)生較大的扭曲，故單元類型選擇線性減數(shù)積分（C3D8RT）?？紤]到連接過程中只是連接區(qū)內(nèi)的網(wǎng)格會發(fā)生扭曲，因此將坯料分區(qū)為普通區(qū)和細(xì)分區(qū)，

并對細(xì)分區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，這樣可在保證仿真精度的同時(shí)提高模擬效率。坯料網(wǎng)格劃分后如圖2所示，細(xì)分區(qū)網(wǎng)格數(shù)量為24 000，是普通區(qū)的5倍。

1.3 材料屬性

材料屬性涉及熱傳導(dǎo)、比熱、彈塑性、膨脹、密度等，其中熱傳導(dǎo)和比熱通過大量試驗(yàn)測得，

且任一參數(shù)的設(shè)置有誤都會導(dǎo)致中間坯連接失敗，經(jīng)過反復(fù)模擬及實(shí)驗(yàn)得到可實(shí)現(xiàn)連接的材料參數(shù)，部分材料屬性見表1。另外，坯料材料定義中合理的損傷準(zhǔn)則可以得到準(zhǔn)確的仿真模擬結(jié)果，動態(tài)剪切擠壓連接具有連接速度快、連接區(qū)應(yīng)力應(yīng)變大、坯料溫度高的特點(diǎn)，故采用Johnson-Cook[19] 損傷模型，見式（1）。

εf=[D1+D2exp（D3η） ]（1+D4ln ε*eq）（1+D5T* ），（1）

式中：D1，D2，D3是受應(yīng)力三軸度影響的材料參數(shù); D4是應(yīng)變率敏感參數(shù);D5是溫度影響參數(shù);η是應(yīng)力三軸度，η=Sm /Seq，其中Sm是平均應(yīng)力（ 3個主應(yīng)力的平均值） ，Seq是等效應(yīng)力;ε*eq是無量綱化應(yīng)變率，ε*eq=εeq/ε0，其中εeq和ε0分別為等效塑性應(yīng)變率和參考應(yīng)變率; T*為無量綱溫度，T* = （ T - Tr） /（ Tm - Tr） ，其中T，Tr和 Tm分別為材料的當(dāng)前溫度、參考溫度和熔點(diǎn)。

1.4 載荷施加

動態(tài)剪切擠壓連接過程中無法通過簡單的加載力和速度實(shí)現(xiàn)上、下剪具的復(fù)雜運(yùn)動，因此本文采用幅值加載軌跡，可更準(zhǔn)確地模擬剪具真實(shí)運(yùn)動狀態(tài)。為此，根據(jù)圖3 a）所示動態(tài)剪切擠壓連接的機(jī)構(gòu)原理圖[20]設(shè)計(jì)出如圖3 b）所示的曲柄搖桿和曲柄擺桿機(jī)構(gòu)，通過UG軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真分析得到如圖4所示上、下剪具的運(yùn)動軌跡。上、下剪具的運(yùn)動軌跡可分為擠壓連接行程、退刀行程、空行程，為了節(jié)約模擬時(shí)間，在ABAQUS中取軌跡的擠壓連接行程進(jìn)行加載。

為了更真實(shí)地模擬實(shí)際生產(chǎn)線中的中間坯動態(tài)剪切擠壓連接過程，在有限元仿真軟件ABAQUS中將坯料設(shè)置為隨動，即坯料與上、下剪具在水平方向上的速度相同，豎直方向上可隨剪具壓力發(fā)生移動。上、下剪具除了設(shè)置水平、豎直方向的運(yùn)動，還有繞Z軸的公轉(zhuǎn)和繞止料刃的自轉(zhuǎn)。圖5所示為剪切擠壓連接過程部分重要片段。初始時(shí)上下剪具前斷面與水平方向呈14°夾角，上、下剪具在水平、豎直方向運(yùn)動的同時(shí)繞止料刃逆時(shí)針自轉(zhuǎn)。止料刃與坯料接觸后限制變形區(qū)金屬在水平運(yùn)動方向上的塑性流動，剪具在豎直方向繼續(xù)剪切，刃口開始切除料頭，完成連接后剪具與坯料分離，剪具前斷面與水平方向夾角變?yōu)?°。

2 動態(tài)剪切擠壓連接仿真模型的參數(shù)化

由于動態(tài)剪切擠壓連接仿真的前處理建模及其他模塊的參數(shù)設(shè)置比較復(fù)雜，無論是錄制宏文件還是修改“.rpy” [21]文件，得到的程序繁瑣陳雜，不易修改。因此本文采用手動編程，圖6為動態(tài)剪切擠壓連接仿真界面的創(chuàng)建流程。通過定義RSG（really simple GUI）對話框構(gòu)造器開發(fā)所需要的function函數(shù)，借助RSG中的GUI創(chuàng)建圖形用戶界面。在Kernel頁面加載該腳本程序，并使腳本中的參數(shù)與GUI窗體控件中的keywords保持一致，從而產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，注冊生成動態(tài)剪切擠壓連接仿真插件程序。

2.1 模型參數(shù)化

實(shí)際生產(chǎn)中中間坯的厚度、寬度等尺寸往往是變化的，這就要求設(shè)計(jì)不同的剪具來適應(yīng)生產(chǎn)，其中對連接質(zhì)量起主要作用的模具參數(shù)是止料刃的高度和刃口寬。需要將中間坯的厚度（thickness—t）、寬度（width—w1）以及剪具止料刃的高度（height—h）和刃口寬（width—w2）設(shè)置為變量以供用戶選擇。表2為本文參數(shù)化模擬的相關(guān)物理量及含義。

2.2 工藝參數(shù)的參數(shù)化

在動態(tài)剪切擠壓連接過程中搭接量（lap amount—L）、壓下量（reduction—R）是影響連接質(zhì)量的2個關(guān)鍵工藝參數(shù)，如圖7所示。本文研究搭接量和壓下量對中間坯連接質(zhì)量的影響時(shí)，二者無法直接用參數(shù)替換。根據(jù)裝配關(guān)系分析得出二者由上、下剪具的初始位置所控制，因此將搭接量、壓下量與上、下剪具的初始位置關(guān)聯(lián)。根據(jù)裝配關(guān)系進(jìn)行方程求解，將其轉(zhuǎn)化為可參數(shù)化的變量。

壓下量[10]（R）計(jì)算式為

R=st×100%=2t-yt×100%，（2）

式中：s為坯料下壓量，mm;t為中間坯厚度，mm;y為剪切完成后坯料連接區(qū)的垂直距離，mm。

Y上=52+52102y，（3）

Y下=50-50102y，（4）

式中：Y上為上剪具的初始縱坐標(biāo);Y下為下剪具的初始縱坐標(biāo);上剪具在剪切連接過程中豎直方向的行程是52 mm;下剪具在剪切連接過程中豎直方向的行程是50 mm。

搭接量（L）為刃口之間的重疊區(qū)域，搭接量越大參與變形的坯料越多。剪切連接過程中認(rèn)為整體在水平方向上具有相同的速度，故上、下剪具在水平方向上的相對位移是0。如此便可通過裝配經(jīng)驗(yàn)先確定下剪具的初始橫坐標(biāo)，再根據(jù)式（5）確定上剪具的初始橫坐標(biāo)。

X上= X下-28×2+2L，（5）

式中：X上為上剪具的初始橫坐標(biāo);X下為下剪具的初始橫坐標(biāo);L為搭接量，mm;28是刃口到止料刃的距離，mm。

確定模型初始位置的部分腳本代碼如下：

#下剪具初始位置

a1.translate（instanceList=（′xiamo-1′，），vector=（-25.0，-50-0.98*t+0.0049*t*R，0.0））

#上剪具初始位置

a1.translate（instanceList=（′shangmo-1′，），vector=（-25-56+L，52+1.02*t-0.0051*t*R，0.0））

2.3 其他前處理參數(shù)化

軌跡加載的部分程序代碼如下：

#上剪具運(yùn)動軌跡

DisplacementBC（name=′S-X′，createStepName=′Step-1′，region=region，u1=1.0，u2=UNSET，u3=UNSET，ur1=UNSET，ur2=UNSET，ur3=UNSET，amplitude=′X′，fixed=OFF，distributionType=UNIFORM，fieldName=′′，localCsys=None）

DisplacementBC（name=′S-Y′，createStepName=′Step-1′，

region=region，u1=UNSET，u2=1.0，u3=UNSET，ur1=UNSET，ur2=UNSET，ur3=UNSET，amplitude=′S-Y′，fixed=OFF，distributionType=UNIFORM，fieldName=′′，localCsys=None）

DisplacementBC（name=′S-jiaodu′，createStepName =′Step-1′，region=region，u1=UNSET，u2=UNSET，u3=UNSET，ur1=UNSET，ur2=UNSET，ur3=-0.017，amplitude=′jiaodu′，fixed=OFF，distributionType =UNIFORM，fieldName=′′，localCsys=None）

#材料屬性定義的部分程序代碼如下：

JohnsonCookDamageInitiation （ table=（（0.101，1.68，-2.353，-0.634，-0.255，1425.0，717.0，100.0），））

2.4 圖形用戶界面

通過RSG對話框構(gòu)造器構(gòu)建圖形用戶界面。在Kernel標(biāo)簽頁中選擇剛剛保存的程序文件，function函數(shù)選擇程序文件中定義的函數(shù)。在GUI標(biāo)簽頁中對關(guān)鍵字進(jìn)行定義，并與腳本文件中的關(guān)鍵字相對應(yīng)。為了便于用戶理解，還在對話框中添加了動態(tài)剪切擠壓連接模型的圖形文件，使整個對話框顯得直觀形象，生成如圖8所示的圖形用戶界面。

3 仿真結(jié)果對比

用上述開發(fā)的圖形用戶界面，輸入與非參數(shù)化模擬相同的參數(shù)，圖9、圖10所示分別為參數(shù)化模擬和非參數(shù)化模擬的應(yīng)力、應(yīng)變曲線，從中可以看出二者變形基本一致，測量應(yīng)變云圖中二者連接后的坯料厚度，代入式（3）得出參數(shù)化模擬的結(jié)果更接近理論壓下量的值。經(jīng)多組參數(shù)模擬對比得出表3所示結(jié)果。從表3可以看出參數(shù)化模擬有效降低了模擬時(shí)間，提高了仿真效率，同時(shí)提高了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 語

1）基于ABAQUS有限元軟件前處理模塊進(jìn)行二次開發(fā)，編寫了動態(tài)剪切擠壓連接仿真模擬的內(nèi)核腳本程序，借助RSG插件建立了動態(tài)剪切擠壓連接的圖形用戶界面，使用戶可以根據(jù)實(shí)際參數(shù)快速建立仿真模型進(jìn)行模擬，有效解決了模型裝配時(shí)繁瑣、易錯等問題，提高了模擬分析效率。

2）運(yùn)用UG軟件建立了動態(tài)剪切機(jī)構(gòu)的三維模型，并裝配進(jìn)行了運(yùn)動仿真。通過調(diào)整刀塊的裝配位置得到了剪切連接所需的合理軌跡，將其運(yùn)用到ABAQUS中完成了中間坯動態(tài)剪切擠壓連接的模擬分析。

3）針對工藝參數(shù)中搭接量、壓下量無法直接用參數(shù)替換的問題，根據(jù)裝配關(guān)系將二者與上、下剪具的初始位置關(guān)聯(lián)，進(jìn)行方程求解，轉(zhuǎn)化為可參數(shù)化的變量。通過與非參數(shù)化模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了該方法的正確性，且模擬結(jié)果與靜態(tài)試驗(yàn)中的變形規(guī)律具有一致性。

4）本文主要對ABAQUS的前處理進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了中間坯動態(tài)剪切擠壓連接仿真模擬的參數(shù)化，后續(xù)將對坯料的組織模擬及后處理進(jìn)行相應(yīng)開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)整個過程及結(jié)果的參數(shù)化。

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