ABAQUS二次开发在发射场坪参数化建模与分析中的应用

黄韬，马大为，张震东

（南京理工大学机械工程学院，南京210094）

ABAQUS二次开发在发射场坪参数化建模与分析中的应用

黄韬，马大为，张震东

（南京理工大学机械工程学院，南京210094）

发射场坪是发射系统的重要组成部分，为了能够快速准确地建立含场坪效应的发射装备非线性有限元动力学模型，实现仿真分析的自动化，引入ABAQUS二次开发技术，利用ABAQUS自带的RSG编制发射场坪参数化建模分析的插件界面，并编写对应的内核脚本程序与之级联，级联成功之后即可实现场坪建模、分析的参数化操作。该方法避免了重复建模，有效提高了仿真分析过程的自动化程度，为场坪的响应特性研究提供了有力的支撑。

发射场坪，ABAQUS二次开发，参数化

0 引言

为提高导弹武器系统的生存能力和快速反应能力，无依托随机发射已经成为国内外陆基机动导弹的重要发展方向［1］。所谓无依托发射，就是导弹发射不再依托预准备的发射场地，而是随机选择场地发射，这就要求发射阵地应具有一定的承载力。公路可作为导弹无依托随机发射的场坪，在导弹发射过程中，路面承受液压支腿的压力和弹射载荷的冲击力，容易造成公路的损伤甚至破坏，进一步影响导弹发射的稳定性。我国地域广阔，交通事业发展迅猛，公路等级繁多，实现公路场坪适应性的快速评估对导弹无依托随机发射有很大的价值。

ABAQUS作为一款功能强大的有限元分析软件，在非线性仿真分析领域有非常广泛的应用［2］。通常在场坪建模与分析的过程中涉及场坪的铺层层数、材料、厚度、场坪的尺寸等大量参数，对于不同的场坪类型需要重复建模，才能实现仿真分析，大大降低了工作效率。基于Python语言的ABAQUS二次开发技术可实现场坪建模与分析的自动化操作，只需要在插件级联的参数化输入界面上选择或输入相应的参数，即可实现建模、提交和仿真，不必进行重复建模等不必要操作，有效减少了工作量和分析时间。

1 ABAQUS二次开发概述

在处理特定工程问题时，需要不断地对模型进行修改和重建，这些操作工程量很大，且大多是重复类似的操作，而ABAQUS又没有单独模块可以简化这些操作，这使得ABAQUS在处理特定问题时存在不足。ABAQUS二次开发技术有效地解决了此类问题，尤其是对某些产品，需要对某些比较关注的参数作反复的验证并修改，才能确定合理的参数值。ABAQUS为用户提供了很多种二次开发的方法［3］，ABAQUS脚本接口（ABAQUS Scripting Interface）是对ABAQUS二次开发操作的基础［4］。二次开发环境提供的脚本接口基于Python语言进行定制开发。通过Python语言调用库函数来增强ABA QUS的交互式操作功能，绕过ABAQUS／CAE界面，直接操纵内核，实现建模、划分网格、指定材料属性、提交作业、后处理分析结果等等功能，完成对复杂模型的前处理操作过程，实现自动建模、划分网格功能等过程，减少前处理过程中的手工操作，简化工作流程，节省时间和精力，最终提高工作效率。

2 发射场坪参数化实现

场坪参数化建模与分析的实现，需要以基准几何模型为前提，以实现参数化网格生成为先导，通过改变设计参数来更新与重新生成有限元模型，实现几何模型、网格模型和设计参数之间的高效率参数联动，达到分析对象的有限元网格模型随着几何模型参数的变化而协同变化。

通过参数化实现对主要设计参数变化或分析属性的控制和选择，例如场坪尺寸、铺层层数、材料、铺层厚度、网格密度等，从而快速、准确地建立场坪有限元模型。

2.1 发射场坪模型的建立

图1 发射场坪有限元模型

发射场坪的有限元模型的建立主要包括确定模型尺寸、材料参数、边界条件、载荷模式和网格划分等，发射场坪的有限元模型如图1所示。

模型尺寸：根据某型导弹发射车前后支腿的跨度选以及路面铺层状况，选取层状长方体来模拟公路结构，发射场坪有限元模型分为6层，外廓尺寸为25 m×10 m×5 m。

材料参数：依据《公路沥青路面设计规范》、《公路水泥路面设计规范》和《公路工程技术标准》，通过全面总结分析，对典型路面结构进行了归纳整理，典型公路结构一般包括面层、基层、底基层、垫层和土基，材料主要包括沥青混凝土、水稳碎石、水稳砂砾、级配碎石、石灰土、土等。

边界条件：考虑路面的实际铺层结构，在发射场坪底部施加固端约束，左侧和右侧施加沿x轴对称的边界条件，前后两侧为自由边界条件。

载荷模式：本文重点考察发射场坪在导弹待发射阶段时的准静态响应。待发射阶段时，发射场坪所受的载荷主要是场坪自身的重力和来自液压支腿的压力。场坪自身的重力以重力场的形式施加与整个模型；液压支腿的压力以压强分段函数的形式施加与液压支腿处的场坪，假设待发射阶段时间为1 800 s，对前液压支腿处的场坪，压强在1 s内从0线性增加至0.03 MPa后维持压强集度至1 800 s，对后液压支腿处的场坪，压强在1 s内从线性增加至0.08 MPa后维持压强集度至1 800 s。

网格划分：采用C3D8R单元进行网格划分，划分方法为中性轴算法，在所关心的应力集中部位进行网格加密。

2.2 插件程序

插件程序是编写人员定义Abaqus/CAE图形用户界面的简单方法，插件程序主要有以下两种类型：内核插件程序和GUI插件程序［5］。借助RSG对话框构造器自行创建GUI插件实现起来比较容易，将通过这种方法构造场坪的参数化分析插件。

使用插件程序法（plug-in）需要将插件程序放在abaqus_plugins文件夹下注册才能使用，场坪参数化建模与分析插件主要涉及3个程序文件（xx. py，xxDB.py，xx_plugin.py），其中xxDB.py为对话框界面创建程序，xx.py为参数输入调用程序，xx_plugin.py为插件注册程序［6］。

2.2.1 对话框界面创建程序xxDB.py

对话框界面由ABAQUS自带的RSG对话框构造器创建，启动Abaqus/CAE后，单击【Plug-ins菜单】—【Abaqus】—【RSG Dialog Builder…】，将弹出如图2所示的对话框创建界面。

图2 RSG对话框构造器界面1

用户可以根据实际需要创建合适的界面，创建完成以后，保存为RSG plug-in插件，即可自动生成xxDB.py文件，记录了RSG对话框构建界面的所有程序。用Editplus打开后，可对其进行编辑和修改，最终达到理想的图形界面。创建完成的发射场坪参数化建模分析界面如图3、图4所示。

图3 发射场坪参数化界面1

2.2.2 参数输入调用程序xx.py

xx.py为内核程序，主要用于场坪的参数化建模及分析，文件包含ABAQUS/CAE执行所有操作的代码和定义的相关参数。编写xx.py程序可借助Abaqus.rpy文件。在Abaqus/CAE中建立和修改模型时，工作目录下将自动生成Abaqus.rpy文件，该文件记录了所有的与Abaqus/CAE操作对应的命令。使用文本编辑软件EditPlus打开该文件，就可以修改、编辑和添加python语句，也可以创建新脚本。这种方法不仅可以避免编写较长的Python命令，而且可以减少语法和拼写错误。修改完成后，将文件后缀改为xx.py即可。发射场坪的参数化建模与分析程序如下（因篇幅有限，仅列出部分程序）。

图4 发射场坪参数化界面2

2.2.3 插件注册程序xx_plugin.py

参数化界面创建完成后，切换到标签页Kernel单击按钮选择xx.py文件来加载内核模块，并在下拉菜单中选择xx函数如图5所示。将插件重新保存为Standard plug-in插件，实现插件注册。

图5 RSG对话框构造界面2

注册成功以后，参数化插件便集成到ABAQUS界面最上方的【Plug-ins菜单】下，如图6所示。

重新启动ABAQUS/CAE，此时，【Plug-ins菜单】下将出现“发射场坪参数化分析插件”子菜单，单击后即可打开相应模块的参数化分析界面，在界面中可以对相应的参数输入或修改，单击“OK”后，进入分析过程。

图6 插件定制界面

3 插件的应用

打开参数化分析插件，如图3所示，用户可以修改场坪的尺寸参数和网格划分参数，插件中列举了12种典型的等级公路，涵盖了我国大多数公路的结构形式。选择某种等级公路，场坪即被赋予相应的等级公路的铺层状况（可在插件中直接查看铺层数、材料和厚度）。如图4所示，用户还可以选择自定义场坪模块，根据路面的实际情况定义场坪各功能层的结构参数及材料属性。现选择场坪类型为高速公路-1，路面铺层状况如表1所示。表中，M、H、E、μ、ρ分别表示发射场坪不同结构层的铺层材料、厚度、回弹模量、泊松比和质量密度。提交计算分析，研究导弹带发射阶段，场坪的响应。

表1 发射场坪各功能层材料参数及结构参数

当导弹处于待发射阶段时，弹重基本上由后支腿承受，导致发射系统后支腿处场坪的应力和位移都大于前支腿处，如下页图7～图10所示。

由应力云图知，对于本文选取的典型高速公路，支腿对地载荷作用下，上面层应力最大，容易引起面层破坏。从图9、图10中可以看出，场坪沉降随着深度增加，逐渐减小，并且后支腿处场坪的沉降大于前支腿处，造成发射平台将整体呈现前高后低的状态，无疑会对导弹发射时导弹出筒姿态和发射车的稳定性产生一定的影响。

4 结论

为应对无依托随机发射研究过程中我国复杂繁多等级公路，引入ABAQUS二次开发技术，编制了发射场坪的参数化插件，并编写python脚本与之级联，实现发射场坪的参数化建模与分析，提高研究效率，为研究无依托随机发射过程中场坪的响应分析和发射平台的场坪适应性评估提供技术支撑，在工程应用方面具有较高实用价值。

图71 800 s时前支腿处场坪的应力云图

图81 800 s时后支腿处场坪的应力云图

图91 800 s时前支腿处场坪z方向的位移图

图101 800 s时后支腿处场坪z方向的位移图

［1］程洪杰，赵媛.导弹无依托发射场坪极限承载力影响因素敏感性分析［J］.兵工自动化，2014，33（5）：7-10.

［2］石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］ABAQUS.Abaqus scripting user’s manual［M］.Version 6. 10.USA，Rhode Island：ABAQUS，Inc.，2010.

［4］TSUNODA S I，ATOMICS G，HENSLEY W H.Sandia national laboratories，lynx：a high-resolution synthetic aperture radar［C］//Florida：SPIE Conference on Radar Sensor Technology VI.Orlando，1999：20-27.

［5］曹金凤，王旭春.Python语言在ABAQUS中的应用［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［6］王家林，李平.ABAQUS箱型桥梁的GUI二次开发［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2009，28（6）：1000-1004.

Secondary Development of ABAQUS and Its Application in Parametric Modeling and Analysis of Launching Site

HUANG Tao，MA Da-wei，ZHANG Zhen-dong
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Launching site is an important part of launching system，in order to establish nonlinear finite element dynamic model of launching system which includes launching site accurately and quickly and realize the automation of simulation analysis，the secondary development of ABAQUS is introduced.Utilize ABAQUS’s own RSG to establish the parametric modeling interface and analysis figure interface of the launching site，meanwhile，compile corresponding kernel script to connect with it.After a successful connection，the parametric modeling and analysis of launching site can be achieved.This method can avoid repeated modeling and effectively improve the automation of simulation analysis process，providing a strong support for the response analysis of launching site.

launching site，secondary development of ABAQUS，parameterization

TJ768

A

1002-0640（2017）02-0134-05

2016-01-05

2016-02-07

黄韬（1991-），男，江苏南京人，硕士研究生。研究方向：结构仿真分析。