ABAQUS二次开发及在曲面薄壁件加工变形模拟中的应用*

于 金，王胤棋

(沈阳航空航天大学 机电工程学院，沈阳 110136)

ABAQUS二次开发及在曲面薄壁件加工变形模拟中的应用*

于 金，王胤棋

(沈阳航空航天大学 机电工程学院，沈阳 110136)

针对目前有限元软件无法对大型曲面薄壁件铣削过程进行连续模拟的问题，采用Python脚本语言对ABAQUS前处理模块进行了二次开发，通过Python脚本程序将切削力动态加载到工件的加工区域，近似模拟了四坐标铣削过程，解决了大尺寸曲面薄壁件加工变形的模拟问题。实例模拟计算表明，所开发的程序界面友好，实用性强，仿真结果符合实际规律，证明利用有限元二次开发技术可以较好地预测大型曲面薄壁件的加工变形，为其在其他领域的应用提供了重要的借鉴和指导。

Python；ABAQUS；二次开发；曲面薄壁件

0 引言

大型航空薄壁件的加工制造技术作为飞机机体制造的六大关键技术之一，一直困扰着航空工业[1]。图1为波音747密封门结构件，其主要结构特点为：大尺寸曲面表面、厚度薄，这就导致在切削力、重力和装夹力作用下极易产生变形。为控制加工变形，实际加工中常采用柔性工装系统对工件进行装夹，由于柔性工装支撑单元的布局(数量和位置)对加工后的变形量有显著影响，因此对柔性工装系统夹持下，大尺寸曲面薄壁件铣削加工过程的仿真就变的极为重要。

在柔性夹具研究领域，陆俊百等[2]提出了自适应优化和遗传算法两种方法优化装夹布局，经过优化分析得到了提高加工精度的最优布局，但其通过在加工区域施加压强模拟铣削加工，与实际加工中存在差异。在铣削加工仿真方面，刘建宁等[3]采用解析法得到铣削力模型，并对铣刀和工件相对耦合作用下的铣削加工变形展开研究。于金等[4]通过ABAQUS/Explicit(显式分析求解器)模拟工件表层网格在刀具切削部分的挤压作用下发生塑性形变直至断裂的方法来模拟铣削加工，并针对航空接头薄壁件存在的加工变形问题，提出了辅助支撑提高工件刚度的方法，实现对航空接头类薄壁件加工变形的控制。这种模拟铣削加工的方法存在以下两点不足：①由于显式分析求解器采用中心差分法解决动力学问题，此方法的实质是使用差分代替微分，并且对位移和加速度采用线性外插。为保证结果不失真，显示分析中所采用的时间增量步长必须小于中心差分算子的稳定极限，否则求解的响应会出现振荡。因此与隐式求解相比，由于时间增量步要小于稳定极限，显示求解的计算时间较长，这很大程度上限制了模拟工件的尺寸大小。②由于ABAQUS软件自身的限制，不能直接模拟复杂刀具轨迹。因此，目前无法实现对曲面薄壁件的四坐标连续模拟加工。

本文基于Python语言对ABAQUS前处理过程进行二次开发，将铣削力逐一加到工件加工区域的节点上，以连续多个静态隐式分析步仿真计算代替动态显式仿真，来近似模拟铣削过程，实现了大型曲面薄壁件加工变形的有限元快速仿真预测。

1 ABAQUS二次开发与Python脚本

ABAQUS软件具有很强的通用性和模拟性能，拥有丰富的单元类型及材料模型，可以解决从相对简单的线性分析到高度非线性系统的模拟等各种问题[5]。ABAQUS的前、后处理器为用户提供了广泛的功能，但有些功能需要通过二次开发或使用其它软件才能实现，如自动、重复化建模[6]，执行参数化研究[7],访问结果数据库[8-9]等。

Python是针对ABAQUS平台的二次开发语言，ABAQUS二次开发接口可以实现 ABAQUS/CAE的全部功能[10]。ABAQUS脚本接口能够实现在 ABAQUS /CAE中的所有操作，二者关系如图2所示。用户可以通过脚本(Scprit)、图形用户界面(GUI)和命令行接口(CLI)来执行命令[11]。

图2 ABAQUS脚本接口和ABAQUS/CAE

所有命令首先要通过 Python 解释器，然后才能进入ABAQUS /CAE内核执行，同时生成后缀为.rpy的程序。进入ABAQUS /CAE 内核中的这些命令将被转换为.inp 文件，再经过ABAQUS /Explicit 显示求解器或者ABAQUS /Standard隐式求解器进行分析计算，在得到输出数据库ODB文件后就可以进行后处理，如显示位移、温度等彩色云图，查看变形图，绘制X-Y图表以及观看动画等。

本文主要通过内核脚本实现前处理建模和后处理分析计算结果,通过编写Python脚本，控制ABAQUS内核实现自动前处理，并开发了切削加工信息人机交互界面。

2 ABAQUS的二次开发技术在曲面薄壁件切削模拟中的应用

大尺寸曲面薄壁零件三维模型如图3所示，外形尺寸为：弧长1600mm、宽度800mm、厚度5mm，工件中央铣削加工一个深度为0.5mm，弧长1200mm、宽度600mm的槽，铝合金材料属性及本构参数如表1所示[12]。

图3 零件三维模型

表1 铝合金7075本构参数

2.1 工件受力分析

铣削加工所使用的多点柔性工装采用3×6的布局，吸盘直径为80mm，真空度为-0.7bar，其内部支撑体采用φ30mm的中碳钢，弹性模量E=209GPa，泊松比λ=0.3，密度ρ=7800kg/m3。

采用柔性工装对工件进行装夹时，其受力情况如图4所示。其中G为工件重力，Fx为真空吸盘吸力，FN为支承反力，作用于接触点，δ为薄壁件加工时的变形量，Δ为工件厚度，d为两支承单元间的距离。

图4 工件受力情况

2.2 有限元模型的建立

使用三维CAD软件UG8.0建立试验件的三维数模，并保存为.stp格式。在ABAQUS中导入该三维模型，并为其赋予表1所示的材料属性和JC本构参数。

为得到较好的模拟计算效果，本文有限元模型采用对位移结果求解较为精确的C3D20R单元(20节点六面体二次缩减积分单元)[13]。

采用四坐标数控机床加工该曲面，应始终保持刀具轴向(即主轴方向)与工件径向一致，因此为有限元模型建立了柱面坐标系，原点在工件圆弧中心处，Z轴为工件轴向，R轴为工件径向。在吸盘所在区域的节点施加径向夹紧力，其区域中心节点处施加完全约束，以此来模拟工件的实际夹持状态，有限元模型如图5所示。

图5 有限元模型

2.3 切削力动态加载程序设计

使用Python脚本语言编写切削力动态加载程序，并将ABAQUS内核脚本与ABAQUS GUI图形工具包相结合，程序主要实现参数输入、节点和分析步的建立，切削力的循环加载等。其程序流程如图6所示，表2给出了程序核心代码和程序解释。

图6 流程图

表2 循环加载程序核心代码

为增加程序的可操作性，利用Really Simple GUI(RSG)Dialog Builder可视化设计模块制作了参数输入界面，如图7所示。

图7 切削参数输入对话框

2.4 加工变形预测与结果分析

采用行切铣削方式，利用ABAQUS提供的Python Development Environment(PDE)运行事先编辑好的脚本文件，输入相关加工信息，完成切削力的循环加载，然后在ABAQUS操作界面中，将所建立好的有限元模型提交ABAQUS/Standard(隐式求解器)进行分析求解。工件加工变形的模拟计算结果如图8所示。

图8 加工前后变形对比图

有限元模拟计算云图显示，铣削加工后工件大部分向下变形，中间支撑处变形较小，两端变形稍大，边缘直角局部发生空间翘曲，变形较大的位置主要是由于加工中悬空、刚度较小造成的。在工件沿圆弧方向均匀选取5个圆弧截面，分别测量截面上五条曲线的加工变形值，利用最小二乘法拟合理想曲面，并计算得到加工后的曲面薄壁件轮廓度误差为0.248。从预测结果来看，加工变形符合实际规律，数值比较吻合。

3 结论

通过二次开发技术以连续多个静态隐式分析步仿真计算代替动态显式仿真，近似模拟四坐标连续铣削过程，提出了开发思路和具体方法，扩展了软件的应用范围，获得有一定指导意义的研究结论：

(1)使用Python语言编写脚本程序，对ABAQUS前处理进行二次开发，解决了大型曲面零件真实尺寸下的加工变形仿真问题。此方法分析效率大大提高，仿真计算时间可以缩短到几十分钟。

(2)多点柔性夹具的支撑方式为局部支撑，加工时切削力、残余应力分布的不均匀以及松开夹具后应力的释放作用都会使工件发生不规则的空间变形。因此，在使用柔性夹具时应合理布局，减小应力释放后的加工变形。

(3)仿真结果符合实际规律，说明利用有限元二次开发技术可以较好的预测大型曲面薄壁件的加工变形，为其在其他领域的应用提供了重要的借鉴和指导。

[1] 顾涌芬.航空航天科学技术(航空卷)[M].济南：山东教育出版社，1998.

[2] 陆俊百，周凯，张伯鹏.飞行器薄壁件柔性工装定位/支撑阵列优化自生成研究[J].中国机械工程，2010，21(19)：2369-2378.

[3] 刘建宁，李占峰，司宇.一种航空薄壁件铣削加工变形补偿算法[J].组合机床与自动化加工技术，2015(11)：33-40.

[4] 于金，高彦粱，朱秀峰.辅助支撑对航空接头薄壁件加工变形的控制[J].组合机床与自动化加工技术,2015(10):138-140.

[5] 张强，马永，李四超.基于Python的ABAQUS二次开发方法与应用[J].舰船电子工程,2011(2):131-134.

[6] 钟同圣，卫丰，王鸷，等.Python语言和ABAQUS前处理二次开发[J].郑州大学学报(理学版),2006,38(1):60-64.

[7] ABAQUS,Inc.ABAQUS Example Problems Manual.Version6.9[M/CD].Pawtucket,USA:ABAQUS,Inc,2009:11.2-1-11.2-4.

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[9] 刘玉振,徐承强.多晶体材料三维微结构有限元分析的后处理[J].山东大学学报(工学版)，2008,38(2):14-17.

[10] 叶红玲，胡腾，赵春华，等.基于Python的Abaqus二次开发在空间可展单簧片结构仿真分析中的应用[J].计算机辅助工程，2016，25(1):50-54.

[11] 鲁康平,姜增辉,吴燕.基于ABAQUS的高速切削钛合金仿真平台的二次开发[J].工具技术，2016，50(7):52-55.

[12] Tore Børvik,Odd Sture Hopperstad,Ketill O Pedersen.Quasi-brittle fracture during structural impact of AA7075-T651 aluminium plates[J].International Journal of Impact Engineering.2010,37(5):537-551.

[13] 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，2012.

(编辑李秀敏)

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

辽宁省自然科学基金(2014024006)

于金(1961—)，男，辽宁大连人，沈阳航空航天大学教授，硕士，研究方向为数控加工、机电一体化技术，(E-mail)yujin@sau.edu.cn。