基于ABAQUS-Python低碳钢实验可视化分析及二次开发

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摘要：低碳钢拉伸力学性能实验对于研究低碳钢一维轴向受力特性具有重要意义，但采用ABAQUS软件模拟分析实现低碳钢整体实验过程鲜有报道。本文采用将ABAQUS分析和Python二次开发应用在该力学实验中，模拟分析低碳钢构件拉伸及断裂的完整过程，并通过在运行脚本中重新编写代码，实现ABAQUS软件模拟低碳钢拉伸断裂的过程，同时为相关研究提供一定借鉴。

Abstract： Tensile mechanical properties of low carbon steel are of great significance to the study of one-dimensional axial stress characteristics of low carbon steel， but the whole experimental process of low carbon steel using ABAQUS software is rarely reported. In this paper， ABAQUS analysis and Python secondary development are applied in the mechanical experiment to simulate and analyze the whole process of tensile and fracture of low-carbon steel components. By re-writing the code in the running script， ABAQUS software is realized to simulate the process of tensile and fracture of low-carbon steel. At the same time， some references are provided for relevant research.

關键词：低碳钢;ABAQUS;Python

Key words： low carbon steel;ABAQUS;Python

中图分类号：O346.5                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）13-0143-04

0  引言

低碳钢拉伸实验是研究低碳钢力学性的有效手段，通过该实验可以深入了解低碳钢的屈服强度、极限强度、伸长率和收缩率。在该实验中，构件在一维情况下承受大小相等、方向相反、共同作用在构件轴线上的两个外力，分析构件的力学性能和相应指标[1]。在该实验分析研究过程中，采用软件模拟分析同样具有非常重要的现实意义。通过软件分析研究可以了解构件在实验过程中低碳钢构件各个部位的受力情况及应力分布状态，实时了解其相关内容。但采用ABAQUS软件模拟分析低碳钢拉伸整体实验过程的文献鲜有报道。本文采用ABAQUS有限元软件模拟低碳钢拉伸实验，运用Python程序语言在运行脚本中重新编写代码进行二次修正，实现ABAQUS软件模拟分析低碳钢构件拉伸及断裂的完整过程。

1  ABAQUS、Python简介

ABAQUS是全球最优秀的大型通用有限元软件，具有卓越的非线性分析功能。ABAQUS/CAE基于现代CAD理念和Feature建模概念，采用Part生成Assembly，可以高效实现几何模型构建并生成有限元网络。ABAQUS/CAE可将生成的模型在后台生成input file，并提交给ABAQUS/Standard 或ABAQUS/Explicit 求解器。进入Job功能模块后，将主要用于分析作业和网格自适应过程的管理和创建，完成所提交的计算任务。计算完成后，进入Visualization模块进行结果分析和处理[2]。

Python是一个独立的程序语言，其语法简洁清晰。ABAQUS/CAE采用Python作为脚本语言，当用户打开ABAQUS/CAE时，会自动实时产生一个replay文件（扩展名为.rpy），里面记录每一步的操作。当用户保存ABAQUS/CAE模型时，会产生一个journal file（扩展名为.jnl）文件，里面是生成CAE模型所需要的Python脚本代码。Journal file文件清晰明了，可以作为蓝本进行Python脚本程序开发。ABAQUS/Python有着巨大的潜力，使用Python脚本不但可以减少很多ABAQUS/CAE前后处理的重复工作，大大提高效益，更重要的是还可以程序化实现原本手动不可能做的工作[3]。

2  应用实例

拉伸试验采用国家标准：GB/T228-2010《金属材料室温拉伸试验方法》，试验采用低碳钢标准试件，试验设备为电子万能试验机（型号WDW-100M）。材料参数为：弹性模量E=2.55MPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7800kg/m3，构件端面位移8mm。

2.1 建模

启动ABAQUS后，在环境栏中点选Part模块，再工具箱区中点选Create Part工具，创建模型。（图1）

2.2 受外载荷设置

单击鼠标左键，点击“边界条件管理器”，在弹出的“创建边界条件”对话框中点击“力学”，在可选分析步中，选择“位移/转角”，左键单击“继续”按钮;在试图区选择要加载的边，点击“完成”。在弹出的对话框“编辑边载荷”中选择“分布”。在画布窗口选择构件左右两个端面进行设置。在“U2”中输入位移大小8mm，完成载荷设定。

2.3 布置网格划分

在构件各个边上布置相应的“种子数”，编辑“指派单元类型”和“指派网格控制属性”两个模块中的相关内容，布置完毕点击鼠标左键创建网格。网格的疏密程度影响其后续的Job分析时间，对电脑主机的处理能力要求十分高，选择适当的划分密度尤为重要。本实验采用CAX4R。

2.4 网格布置质量检查

对布置好的网格进行相应的质量检查，可以确保在求解分析过程中不发生中断现象，并且结果会更加精确可靠。其检查内容包括三个方面，形状检查、尺寸检查和分析检查。如在形状检查中包括形状因子、三面转角等;在尺寸检查中包括几何偏心因子、边短于、边长于、增量步小于等;在分析检查中包括警告与错误。设定检查范围完成后单击“高亮”按钮开始检查。检查结果显式单元格数761，分析错误：0（0%），分析警告：0（0%）。若检查结果出现非零值时，应对网格重新划分或细化调整，直至检查结果显示为零时，方可点选下一模块进入作业分析。

2.5 Job分析设置

点选“环境栏”中的“作业”进入作业分析模块。点选“作业管理器”对话框，并单击“创建作业”按钮，在弹出的作业创建对话框中输入设置参数，点击“提交”按钮完成作业设置并进入分析状态。在“作业管理器”中点选“监控”按钮，可以实时观测分析进程，待“分析步”结果显示“1”时，完成分析。点击“结果”按钮，进入后处理模块。

2.6 后处理模块显示

在有限元分析的后处理模块中提供了大量可视化分析结果。可以在输出数据中获得想要的各种结果信息[4]。可视化分析中包括各种云图的观测，X-Y数据图表显示等，可以获取到的信息结果包括变形、应力、应变、位移、矢量/张量、材料方向、动画等。从应力云图（如图3所示）中显示结果看出，低碳钢试件在等比例阶段，中间部位应力最大，应力在变截面处向左右两侧逐渐减小。变形向量图中（如图4所示），线的箭头方向表示矢量实际方向，红色线区域表示应力较大的位置。低碳钢进入局部变形阶段（如图5所示），云图中显示当出现颈缩现象时，颈缩部位受到应力集中的作用，应力出现极值。但由于塑性设置，没有出现断裂损伤现象。

2.7 利用Python进行二次修正

对日志文件rpy进行修改，得到需要输出的相关设置（行数为后加上）。

1 # -*- coding： mbcs -*-

2 # ABAQUS/CAE Release 6.14-2 replay file

3 # Internal Version： 2014_08_22-22.00.46 134497

4 # Run by Administrator on Sat Jan 26 06：03：19 2019

……

65mdb.models["Model-1"].materials["Material-1"].DuctileDamageInitiation（table=（（

1.0， 0.0， 1.0）， （0.5， 0.4， 1.0）））

66mdb.models["Model-1"].materials["Material-1"].ductileDamageInitiation.DamageEvolution（    type=DISPLACEMENT， table=（（0.2， ）， ））

……

103mdb.models["Model-1"].DisplacementBC（……

u1=0.0， u2=30.0， ur3=0.0， UNIFORM， fieldName=""， localCsys=None）

将上述65、66和103行的内容改写为如下：

65mdb.models["Model-1"].materials["Material-1"].DuctileDamageInitiation（table=（（

1.0， 0.0， 50.0）， （0.5， 0.4， 50.0）））

66mdb.models["Model-1"].materials["Material-1"].ductileDamageInitiation.DamageEvolution（    type=DISPLACEMENT， table=（（0.02， ）， ））

103mdb.models["Model-1"].DisplacementBC（……

u1=0.0， u2=10.0， ur3=0.0， UNIFORM， fieldName=""， localCsys=None）

并且手動加入拉断材料去除设置，如下：

118 elemType1 = mesh.ElemType（elemCode=CAX4R， elemLibrary=EXPLICIT，     secondOrderAccuracy=OFF，hourglassControl=DEFAULT，    distortionControl=DEFAULT， elemDeletion=ON）

为了使得脚本文件可以运行，需要将文件扩展名rpy改为py即可，再通过菜单栏中的文件“导入”功能，将上述脚本文件进行重新运行。

将分析结果进行设置，便于后续观察。打开软件视图菜单，点击ODB显示选项，点击其中的“扫掠/拉伸”选项卡，将扫掠单元分别设置为（0-180）和（0-360），点击确定，结果如图6和图7所示。点击菜单栏中的“方盒缩略”按钮，将图7中的右侧部件进行放大观察，调整观察位置，如图8所示。从图8运行结果分析：构件拉断后，断裂处有明显的颈缩现象，并且断口为韧性杯状断口，与低碳钢拉伸实验断裂后的形态一致。图6显示，在断口处有应力极值，应力值与实验结果一致。

3  结束语

采用ABAQUS有限元模型仿真分析低碳钢拉伸实验，由前、后处理及求解分析计算模型损伤断裂情况，以动画形式展现全过程[5]。采用Python编程语言重新编写脚本代码，通过ABAQUS中的命令调用该脚本文件，在ABAQUS模拟软件中实现低碳钢拉伸断裂效果，可视性、直观性明显，对构件在拉伸过程中各个部位的受力情况可以得到详细的描述。

参考文献：

[1]祝瑛，蒋永莉，等.工程力学[M].北京：清华大学出版社;北京交通大学出版社，2010，8.

[2]齐威，等.ABAQUS 6.14超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2016，6.

[3]苏景鹤，江丙云.ABAQUS Python二次开发攻略[M].人民邮电出版社，2016，4.

[4]王玉镯，傅传国，等.ABAQUS结构工程分析及实例详解[M].北京：中国建筑工业出版社，2010，3.

[5]王铎，蒋国平，杨拴强.基于ABAQUS 驱动工程力学课程多样性探索[J].价值工程，2018，7（37）：286-288.

推荐访问： 低碳钢 可视化 实验 分析 ABAQUS

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