ABAQUS二次開發(fā)及在曲面薄壁件加工變形模擬中的應(yīng)用*

于 金，王胤棋

(沈陽航空航天大學(xué) 機電工程學(xué)院，沈陽 110136)

ABAQUS二次開發(fā)及在曲面薄壁件加工變形模擬中的應(yīng)用*

于 金，王胤棋

(沈陽航空航天大學(xué) 機電工程學(xué)院，沈陽 110136)

針對目前有限元軟件無法對大型曲面薄壁件銑削過程進(jìn)行連續(xù)模擬的問題，采用Python腳本語言對ABAQUS前處理模塊進(jìn)行了二次開發(fā)，通過Python腳本程序?qū)⑶邢髁討B(tài)加載到工件的加工區(qū)域，近似模擬了四坐標(biāo)銑削過程，解決了大尺寸曲面薄壁件加工變形的模擬問題。實例模擬計算表明，所開發(fā)的程序界面友好，實用性強，仿真結(jié)果符合實際規(guī)律，證明利用有限元二次開發(fā)技術(shù)可以較好地預(yù)測大型曲面薄壁件的加工變形，為其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的借鑒和指導(dǎo)。

Python；ABAQUS；二次開發(fā)；曲面薄壁件

0 引言

大型航空薄壁件的加工制造技術(shù)作為飛機機體制造的六大關(guān)鍵技術(shù)之一，一直困擾著航空工業(yè)[1]。圖1為波音747密封門結(jié)構(gòu)件，其主要結(jié)構(gòu)特點為：大尺寸曲面表面、厚度薄，這就導(dǎo)致在切削力、重力和裝夾力作用下極易產(chǎn)生變形。為控制加工變形，實際加工中常采用柔性工裝系統(tǒng)對工件進(jìn)行裝夾，由于柔性工裝支撐單元的布局(數(shù)量和位置)對加工后的變形量有顯著影響，因此對柔性工裝系統(tǒng)夾持下，大尺寸曲面薄壁件銑削加工過程的仿真就變的極為重要。

在柔性夾具研究領(lǐng)域，陸俊百等[2]提出了自適應(yīng)優(yōu)化和遺傳算法兩種方法優(yōu)化裝夾布局，經(jīng)過優(yōu)化分析得到了提高加工精度的最優(yōu)布局，但其通過在加工區(qū)域施加壓強模擬銑削加工，與實際加工中存在差異。在銑削加工仿真方面，劉建寧等[3]采用解析法得到銑削力模型，并對銑刀和工件相對耦合作用下的銑削加工變形展開研究。于金等[4]通過ABAQUS/Explicit(顯式分析求解器)模擬工件表層網(wǎng)格在刀具切削部分的擠壓作用下發(fā)生塑性形變直至斷裂的方法來模擬銑削加工，并針對航空接頭薄壁件存在的加工變形問題，提出了輔助支撐提高工件剛度的方法，實現(xiàn)對航空接頭類薄壁件加工變形的控制。這種模擬銑削加工的方法存在以下兩點不足：①由于顯式分析求解器采用中心差分法解決動力學(xué)問題，此方法的實質(zhì)是使用差分代替微分，并且對位移和加速度采用線性外插。為保證結(jié)果不失真，顯示分析中所采用的時間增量步長必須小于中心差分算子的穩(wěn)定極限，否則求解的響應(yīng)會出現(xiàn)振蕩。因此與隱式求解相比，由于時間增量步要小于穩(wěn)定極限，顯示求解的計算時間較長，這很大程度上限制了模擬工件的尺寸大小。②由于ABAQUS軟件自身的限制，不能直接模擬復(fù)雜刀具軌跡。因此，目前無法實現(xiàn)對曲面薄壁件的四坐標(biāo)連續(xù)模擬加工。

本文基于Python語言對ABAQUS前處理過程進(jìn)行二次開發(fā)，將銑削力逐一加到工件加工區(qū)域的節(jié)點上，以連續(xù)多個靜態(tài)隱式分析步仿真計算代替動態(tài)顯式仿真，來近似模擬銑削過程，實現(xiàn)了大型曲面薄壁件加工變形的有限元快速仿真預(yù)測。

1 ABAQUS二次開發(fā)與Python腳本

ABAQUS軟件具有很強的通用性和模擬性能，擁有豐富的單元類型及材料模型，可以解決從相對簡單的線性分析到高度非線性系統(tǒng)的模擬等各種問題[5]。ABAQUS的前、后處理器為用戶提供了廣泛的功能，但有些功能需要通過二次開發(fā)或使用其它軟件才能實現(xiàn)，如自動、重復(fù)化建模[6]，執(zhí)行參數(shù)化研究[7],訪問結(jié)果數(shù)據(jù)庫[8-9]等。

Python是針對ABAQUS平臺的二次開發(fā)語言，ABAQUS二次開發(fā)接口可以實現(xiàn) ABAQUS/CAE的全部功能[10]。ABAQUS腳本接口能夠?qū)崿F(xiàn)在 ABAQUS /CAE中的所有操作，二者關(guān)系如圖2所示。用戶可以通過腳本(Scprit)、圖形用戶界面(GUI)和命令行接口(CLI)來執(zhí)行命令[11]。

圖2 ABAQUS腳本接口和ABAQUS/CAE

所有命令首先要通過 Python 解釋器，然后才能進(jìn)入ABAQUS /CAE內(nèi)核執(zhí)行，同時生成后綴為.rpy的程序。進(jìn)入ABAQUS /CAE 內(nèi)核中的這些命令將被轉(zhuǎn)換為.inp 文件，再經(jīng)過ABAQUS /Explicit 顯示求解器或者ABAQUS /Standard隱式求解器進(jìn)行分析計算，在得到輸出數(shù)據(jù)庫ODB文件后就可以進(jìn)行后處理，如顯示位移、溫度等彩色云圖，查看變形圖，繪制X-Y圖表以及觀看動畫等。

本文主要通過內(nèi)核腳本實現(xiàn)前處理建模和后處理分析計算結(jié)果,通過編寫Python腳本，控制ABAQUS內(nèi)核實現(xiàn)自動前處理，并開發(fā)了切削加工信息人機交互界面。

2 ABAQUS的二次開發(fā)技術(shù)在曲面薄壁件切削模擬中的應(yīng)用

大尺寸曲面薄壁零件三維模型如圖3所示，外形尺寸為：弧長1600mm、寬度800mm、厚度5mm，工件中央銑削加工一個深度為0.5mm，弧長1200mm、寬度600mm的槽，鋁合金材料屬性及本構(gòu)參數(shù)如表1所示[12]。

圖3 零件三維模型

表1 鋁合金7075本構(gòu)參數(shù)

2.1 工件受力分析

銑削加工所使用的多點柔性工裝采用3×6的布局，吸盤直徑為80mm，真空度為-0.7bar，其內(nèi)部支撐體采用φ30mm的中碳鋼，彈性模量E=209GPa，泊松比λ=0.3，密度ρ=7800kg/m3。

采用柔性工裝對工件進(jìn)行裝夾時，其受力情況如圖4所示。其中G為工件重力，F(xiàn)x為真空吸盤吸力，F(xiàn)N為支承反力，作用于接觸點，δ為薄壁件加工時的變形量，Δ為工件厚度，d為兩支承單元間的距離。

圖4 工件受力情況

2.2 有限元模型的建立

使用三維CAD軟件UG8.0建立試驗件的三維數(shù)模，并保存為.stp格式。在ABAQUS中導(dǎo)入該三維模型，并為其賦予表1所示的材料屬性和JC本構(gòu)參數(shù)。

為得到較好的模擬計算效果，本文有限元模型采用對位移結(jié)果求解較為精確的C3D20R單元(20節(jié)點六面體二次縮減積分單元)[13]。

采用四坐標(biāo)數(shù)控機床加工該曲面，應(yīng)始終保持刀具軸向(即主軸方向)與工件徑向一致，因此為有限元模型建立了柱面坐標(biāo)系，原點在工件圓弧中心處，Z軸為工件軸向，R軸為工件徑向。在吸盤所在區(qū)域的節(jié)點施加徑向夾緊力，其區(qū)域中心節(jié)點處施加完全約束，以此來模擬工件的實際夾持狀態(tài)，有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型

2.3 切削力動態(tài)加載程序設(shè)計

使用Python腳本語言編寫切削力動態(tài)加載程序，并將ABAQUS內(nèi)核腳本與ABAQUS GUI圖形工具包相結(jié)合，程序主要實現(xiàn)參數(shù)輸入、節(jié)點和分析步的建立，切削力的循環(huán)加載等。其程序流程如圖6所示，表2給出了程序核心代碼和程序解釋。

圖6 流程圖

表2 循環(huán)加載程序核心代碼

為增加程序的可操作性，利用Really Simple GUI(RSG)Dialog Builder可視化設(shè)計模塊制作了參數(shù)輸入界面，如圖7所示。

圖7 切削參數(shù)輸入對話框

2.4 加工變形預(yù)測與結(jié)果分析

采用行切銑削方式，利用ABAQUS提供的Python Development Environment(PDE)運行事先編輯好的腳本文件，輸入相關(guān)加工信息，完成切削力的循環(huán)加載，然后在ABAQUS操作界面中，將所建立好的有限元模型提交ABAQUS/Standard(隱式求解器)進(jìn)行分析求解。工件加工變形的模擬計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 加工前后變形對比圖

有限元模擬計算云圖顯示，銑削加工后工件大部分向下變形，中間支撐處變形較小，兩端變形稍大，邊緣直角局部發(fā)生空間翹曲，變形較大的位置主要是由于加工中懸空、剛度較小造成的。在工件沿圓弧方向均勻選取5個圓弧截面，分別測量截面上五條曲線的加工變形值，利用最小二乘法擬合理想曲面，并計算得到加工后的曲面薄壁件輪廓度誤差為0.248。從預(yù)測結(jié)果來看，加工變形符合實際規(guī)律，數(shù)值比較吻合。

3 結(jié)論

通過二次開發(fā)技術(shù)以連續(xù)多個靜態(tài)隱式分析步仿真計算代替動態(tài)顯式仿真，近似模擬四坐標(biāo)連續(xù)銑削過程，提出了開發(fā)思路和具體方法，擴展了軟件的應(yīng)用范圍，獲得有一定指導(dǎo)意義的研究結(jié)論：

(1)使用Python語言編寫腳本程序，對ABAQUS前處理進(jìn)行二次開發(fā)，解決了大型曲面零件真實尺寸下的加工變形仿真問題。此方法分析效率大大提高，仿真計算時間可以縮短到幾十分鐘。

(2)多點柔性夾具的支撐方式為局部支撐，加工時切削力、殘余應(yīng)力分布的不均勻以及松開夾具后應(yīng)力的釋放作用都會使工件發(fā)生不規(guī)則的空間變形。因此，在使用柔性夾具時應(yīng)合理布局，減小應(yīng)力釋放后的加工變形。

(3)仿真結(jié)果符合實際規(guī)律，說明利用有限元二次開發(fā)技術(shù)可以較好的預(yù)測大型曲面薄壁件的加工變形，為其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的借鑒和指導(dǎo)。

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(編輯李秀敏)

SecondaryDevelopmentofABAQUSandItsApplicationinCurvedThin-walledPartMachiningDeformationSimulation

YU Jin，WANG Yin-qi

(School of Mechatronic Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

In view of the problem of finite element software for large size curved thin-walled parts continuous simulation,Python scripting language was used for pre-processing module of ABAQUS for secondary development,Through the Python script for the cutting force dynamic loading, the four-axis milling process was simulated and the machining deformation simulation problem for large size curved thin-walled parts was solved. the sample simulation showed that the procedure was friendly and practicable. the results accord with the actual rule, which proved the machining deformation of large size curved thin-walled parts can be better predicted by using finite element secondary development technique,it provided important reference and guidance for its application in other fields.

Python；ABAQUS；secondary development；curved thin-walled part

TH164；TG506

：A

1001-2265(2017)09-0129-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.033

2016-11-01；

：2016-12-15

遼寧省自然科學(xué)基金(2014024006)

于金(1961—)，男，遼寧大連人，沈陽航空航天大學(xué)教授，碩士，研究方向為數(shù)控加工、機電一體化技術(shù)，(E-mail)yujin@sau.edu.cn。