基于Web的拉絲模仿真系統(tǒng)開發(fā)與研究

孫鵬劼， 翟?shī)^樓， 劉東旭， 閆佳麗， 寧 靜

（北京市計(jì)算中心，北京 100094）

拉絲模主要用于鋼簾線、切割線、金線等的拉拔。

拉拔過程是一個(gè)復(fù)雜的彈塑性大變形過程。拉絲模的結(jié)構(gòu)參數(shù)、拉拔工藝直接影響成品絲的質(zhì)量、模具的壽命、拉絲過程的能耗和生產(chǎn)效率[1]。

由于拉絲模結(jié)構(gòu)材料不合理、拉拔工藝不合理，絲在拉拔過程中應(yīng)力過大，可能導(dǎo)致斷絲；模具（模芯）的應(yīng)力過大可能模具導(dǎo)致局部剝落，加速模具損耗。因此有必要對(duì)拉拔過程進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)拉拔過程進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的反復(fù)試驗(yàn)和修改設(shè)計(jì)，可以大大節(jié)省設(shè)計(jì)成本和縮短實(shí)驗(yàn)周期[2]。

Abaqus軟件具有非常強(qiáng)的非線性計(jì)算能力。但是對(duì)于普通的工程技術(shù)人員來說，沒有一定的力學(xué)知識(shí)很難掌握這個(gè)軟件。因此，設(shè)計(jì)人員把拉絲模設(shè)計(jì)完后必須交給專業(yè) CAE分析人員做力學(xué)計(jì)算分析，然后 CAE分析員把分析結(jié)果和修改意見交給設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)人員再改進(jìn)設(shè)計(jì)，如此反復(fù)多次才能使設(shè)計(jì)達(dá)到一個(gè)合理的要求。

本文針對(duì)此種情況，對(duì)Abaqus進(jìn)行二次開發(fā)，為設(shè)計(jì)人員開發(fā)了一個(gè)針對(duì)拉絲模的程序。設(shè)計(jì)人員只要輸入?yún)?shù)，軟件會(huì)自動(dòng)完成建模并計(jì)算求解，讓工程設(shè)計(jì)人員自己檢驗(yàn)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，縮短拉絲模的設(shè)計(jì)周期。

但即使使用這種模式，使用者仍然需要購(gòu)買、安裝Abaqus軟件。本文開發(fā)了基于Web使用模式的應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員只要通過Web輸入?yún)?shù)，由云后臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，并自動(dòng)生成仿真報(bào)告；用戶可在線下載仿真報(bào)告、動(dòng)畫等。通過這種模式使用者不需要購(gòu)買昂貴的 CAE軟件、不需要熟悉CAE軟件的情況下，一樣可以進(jìn)行CAE分析，降低了CAE技術(shù)使用門檻。

1 拉絲模CAE仿真

1.1 數(shù)值仿真模型

1.1.1 有限元模型

拉絲模具結(jié)構(gòu)如圖1所示，模具由模套與模芯兩部分組成。模套的作用有兩個(gè)，一是補(bǔ)充脆模芯的抗彎強(qiáng)度，以抵抗拉拔應(yīng)力，防止模芯破裂。二是為了便于操作，適合各種型號(hào)拉絲機(jī)使用。

模芯孔型設(shè)計(jì)的正確與否是決定拉絲質(zhì)量的重要因素。模芯孔型結(jié)構(gòu)由潤(rùn)滑錐、工作錐、定徑帶、出口錐四部分組成。而其中潤(rùn)滑錐角度、工作錐角度、定徑帶直徑、定徑帶長(zhǎng)度對(duì)拉絲質(zhì)量影響最大。

根據(jù)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特點(diǎn)，采用二維模型；根據(jù)結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱特點(diǎn)，選擇軸對(duì)稱模型進(jìn)行分析，有限元模型如圖2所示。

圖1 模具結(jié)構(gòu)圖

圖2 有限元模型

1.1.2 模擬條件及參數(shù)

（1） 接觸設(shè)置

模芯模套之間的接觸，采用共點(diǎn)方式來模擬。

絲和模芯之間采用面面接觸，設(shè)定一定摩擦系數(shù)以模擬潤(rùn)滑條件。摩擦系數(shù)與拉拔模具孔型、潤(rùn)滑條件、拉拔工藝有關(guān)。

（2） 約束與加載

模套的上下表面施加全約束，如圖3所示。

對(duì)絲底面節(jié)點(diǎn)施加豎直方向速度，速度對(duì)拉拔質(zhì)量有重要影響。

圖3 模套上下表面施加全約束

1.2 應(yīng)力分析

拉拔過程中主要關(guān)心絲和模芯的受力情況，而絲可能的破壞形式是其所受軸向應(yīng)力過大導(dǎo)致絲表面產(chǎn)生裂紋，模芯則會(huì)由于應(yīng)力集中過大導(dǎo)致局部剝落，因此，以拉拔過程中絲表面的軸向拉應(yīng)力及模芯所受最大等效應(yīng)力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。

1.2.1 拉拔過程中絲所受應(yīng)力分析

圖 4為拉拔過程中某時(shí)刻絲的軸向應(yīng)力分布。由圖4可知，在絲與模具的非接觸區(qū)，由于拉拔力的作用，絲外表面已產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力，內(nèi)部產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力；處于減徑區(qū)的絲，由于模具工作錐的擠壓作用，其外表面產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力，內(nèi)部產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力；絲進(jìn)人定徑區(qū)后，軸向應(yīng)力沿絲厚度方向呈不均勻分布狀態(tài)，從外表面到內(nèi)部軸向拉應(yīng)力呈遞減趨勢(shì)，內(nèi)部產(chǎn)生較大的軸向壓應(yīng)力。當(dāng)定徑區(qū)絲外表面的軸向拉應(yīng)力過大時(shí)，絲外表面將產(chǎn)生橫向裂紋，嚴(yán)重影響拉拔后的線材質(zhì)量。

圖5為拉拔過程中，絲的最大軸向拉應(yīng)力曲線，因絲進(jìn)入模具后會(huì)產(chǎn)生微振動(dòng)，因此，絲上的軸向應(yīng)力曲線也是振動(dòng)的。

圖4 拉拔過程中軸向應(yīng)力分布云圖

圖5 拉拔過程中絲所受軸向拉應(yīng)力曲線

1.2.2 拉拔過程中模芯所受應(yīng)力分析

圖6為拉拔過程中某時(shí)刻模芯的等效應(yīng)力分布，從該圖可知最大等效應(yīng)力發(fā)生在工作錐與定徑帶的過渡圓弧位置，若該處的應(yīng)力集中過大，將使逐漸剝落，最終導(dǎo)致拉拔模具失效。

圖6 拉拔過程中模芯等效應(yīng)力分布圖

2 基于Python語言的Abaqus二次開發(fā)

Abaqus為二次開發(fā)用戶提供了Python語言接口。Python是一種面向?qū)ο蟮哪_本語言，它有高級(jí)的數(shù)據(jù)類型和簡(jiǎn)單有效的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法，功能強(qiáng)大、擴(kuò)展性強(qiáng)，而被廣泛應(yīng)用[4]。Abaqus有限元程序通過集成Python腳本向二次開發(fā)用戶提供了豐富的庫(kù)函數(shù)，可直接操縱Abaqus內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)建模、劃分網(wǎng)格、指定材料屬性、提交作業(yè)、后處理分析等功能[5]。

本文將拉絲模仿真進(jìn)行基于 Python語言的Abaqus二次開發(fā)，使用者只需修改相應(yīng)的參數(shù)，腳本自動(dòng)實(shí)現(xiàn)有限元建模。

2.1 參數(shù)化模型

影響拉絲模和絲受力狀態(tài)情況和拉絲質(zhì)量的主要參數(shù)有孔型參數(shù)（定徑帶直徑、定徑帶高度、工作錐角度、出口錐角度）、材料參數(shù)（模具材料、絲材料）、工藝參數(shù)（拉拔速度、摩察系數(shù)）、網(wǎng)格參數(shù)（網(wǎng)格類型、）等。使用Python語言編寫 py腳本文件，經(jīng)上述參數(shù)參數(shù)化。使用者通過簡(jiǎn)單修改參數(shù)，通過運(yùn)行 py文件，即可實(shí)現(xiàn)有限元模型的快速建模自動(dòng)生成計(jì)算文件(.inp)。通過運(yùn)行inp文件，生成計(jì)算結(jié)果。

2.2 提取分析結(jié)果

在完成分析作業(yè)后，在Visualization模塊的視圖區(qū)能夠顯示某個(gè)分析步某一幀的計(jì)算結(jié)果，通過這種方法可以尋找顯示應(yīng)力最大值；但這種方法的缺點(diǎn)是，只能顯示某個(gè)分析步某一幀的最大值。但在具體應(yīng)用中，我們更希望得到整個(gè)模型的應(yīng)力最大值，即：得到所有分析步所有幀的應(yīng)力最大值。因此，必須編寫腳本對(duì)所有幀進(jìn)行循環(huán)[6]。

得出分析結(jié)果后，通過訪問odb，通過腳本文件自動(dòng)生成圖片（包括絲的軸向應(yīng)力分布云圖、絲所受軸向拉應(yīng)力曲線、模芯等效應(yīng)力分布云圖、模芯所受等效應(yīng)力曲線）、文本文件（絲所受最大軸向拉應(yīng)力、模芯所受最大等效應(yīng)力、壓縮率）。

3 基于Web的拉絲模仿真二次開發(fā)

基于上述Python腳本，使用Java開發(fā)技術(shù)，開發(fā)了一套基于Web的拉絲模仿真計(jì)算系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要包括：Web用戶界面模塊、RPC中間件模塊、Web服務(wù)模塊、以及Python腳本、PDF報(bào)告生成模塊；其中 Web用戶界面模塊設(shè)于 Web頁(yè)面上，Web服務(wù)模塊設(shè)于服務(wù)器上，Web用戶界面模塊接收用戶輸入的工程計(jì)算任務(wù)的參數(shù)信息，并將參數(shù)信息發(fā)送至 RPC中間件模塊，RPC中間件模塊將按照第一預(yù)設(shè)格式進(jìn)行封裝后的參數(shù)信息轉(zhuǎn)發(fā)至Web服務(wù)模塊，Web服務(wù)模塊將參數(shù)信息提交給腳本，腳本對(duì)參數(shù)信息進(jìn)行解析，并執(zhí)行拉絲模仿真計(jì)算任務(wù)。

如圖7所示，用戶可通過web提交參數(shù)，如模具參數(shù)、材料參數(shù)、工藝參數(shù)等，由北京工業(yè)云云后臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，并自動(dòng)生成仿真報(bào)告；用戶可在線下載仿真報(bào)告、動(dòng)畫等。

圖7 基于Web的拉絲模在線仿真使用界面

4 結(jié) 論

通過這種模式使用者不需要購(gòu)買昂貴的CAE軟件、不需要熟悉CAE軟件的情況下，一樣可以進(jìn)行CAE分析，降低了CAE技術(shù)使用門檻。

[1]王天沖. 鋼簾線生產(chǎn)[M]. 南京: 江蘇興達(dá)鋼簾線集團(tuán)公司, 1996: 55.

[2]董述峰. 中高碳鋼絲組織性能及工藝的研究[D]. 武漢: 武漢科技大學(xué), 2011.

[3]楊學(xué)鋒, 鄧建新. 陶瓷拉絲模在穩(wěn)態(tài)拉拔狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變分析[J]. 工具技術(shù), 2005, 39: 26-29.

[4]周 維, 宗 杰. Python開發(fā)技術(shù)詳解[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2009. 532.

[5]曹金鳳, 王旭春, 孔 亮. Python語言在 Abaqus中的應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011: 177-196.

[6]Abaqus6.10. Abaqus Scripiing User’s Manual [S].