基于ABAQUS-Python二次開發的滾筒柜框架參數化建模與諧響應分析

宋 濤，馬成功，王 賀，洪 誠

(中建材輕工業自動化研究所有限公司，杭州 310015)

隨著現在倉庫對物品管理與存取要求的不斷提高，開發了一種能滿足倉儲物流較高效管理與存取的滾筒柜設備[1]。目前，滾筒柜已應用在醫院藥房的藥品倉儲管理，如圖1所示，在一定程度上提高了醫藥人員的工作效率，減輕了工作負擔[2]。作為一個新開發的產品，該設備在樣機研制時存在一些需要完善優化的問題[3,4]。滾筒柜框架在運行時存在輕微的擺振現象，可能存在滾筒柜工作頻率與固有頻率相近而產生共振的因素，為了保證其使用壽命，提高滾筒柜的工作性能，有必要對其框架進行諧響應分析，并通過改變框架結構的布局從而改變產生共振的某階模態，避免共振給設備帶來的損害[5,6]。

對于ABAQUS的二次開發主要是基于Python語言實現，對于復雜模型需要重復建模分析、多零件設備重復多次操作和參數化分析問題可以大大提高分析處理的效率。秦宇[7]等在研究機床切削問題時，對切削參數進行研究完成了整套的前后處理流程；王家林[8]等建立變截面箱型橋梁參數化模型，使用Python語言以及AFX GUI Toolkit工具包開發了建模仿真平臺，有效的提高了模型前處理的效率；張建[9]等對格萊圈的密封性進行研究，開發了一個集參數化建模、分析計算、結果提取的專用模塊，得到理想的分析結果。該文使用Python對ABAQUS二次開發，完成滾筒柜框架件的參數化建模、模態提取、諧響應分析以及結果數據提取等工作，查找出樣機在工作中輕微擺振的原因，有效降低了多次重復建模的時間浪費，為后續進一步分析提供研究平臺。

1 模型簡化與參數化

滾筒柜框架主要由矩管型材焊接而成，假設框架各零件間焊接良好，焊縫高度分布均勻，并光滑打磨；假設各螺栓緊固件連接良好，無松動現象。滾筒柜由兩個雙獨立單元組成，故只需研究其中一個單元。

滾筒柜框架通過內部矩管的位置分布，支撐內部結構的正常工作。根據框架件的設計要求，外框的長、寬為固定尺寸，并且一個單元的框架設計為中心對稱，因此只需將一側的內部矩管位置關系參數化即可。以框架一側上部拐角點為原點o，水平方向為x軸，豎直方向為y軸建立平面坐標系。定義y向矩管長度參數分別為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Z1；x方向矩管位置參數分別為X11、X12、X21、X22、X23、X24、X31、X32；彈性模量E、泊松比μ、密度ρ、模態提取階數N、激勵F、掃頻上下界f1和f2、節點數n、網格密度m。

2 二次開發與用戶界面

2.1 參數化用戶界面設計

用戶通過腳本接口對ABAQUS/CAE上所有功能操作，完成二次開發。包括模型、材料、邊界條件等前處理的創建修改，計算任務的提交以及結果文件后處理。在實現交互的過程中，可以通過圖形用戶界面(GUI)、命令行接口(CLI)和腳本(Script)執行。該文使用GUI創建用戶界面，運用ABAQUS自帶的RSG對話框構造器，實現用戶對框架模型結構參數、材料屬性、分析參數的輸入以及與內核程序的對接。

2.2 二次開發程序設計

使用Python對ABAQUS二次開發，編寫內核程序，根據用戶界面傳遞來的參數，在ABAQUS中建立模型、賦予材料屬性、完成裝配、劃分網格、諧響應分析步、定義邊界條件、提交計算以及結果文件的處理等整套的框架件有限元諧響應分析過程。通過修改框架模型的參數改變框架結構的分布，得到需要的模型；調節材料的參數為模型賦予不同性質的屬性；通過點選選擇按鈕確定是否進行計算分析和結果提取，如圖2所示。調用參數輸入函數完成建模等前處理：

from abaqus import *

from abaqusConstants import *

from caeModules import *

from driverUtils import executeOnCaeStartup

executeOnCaeStartup()

def creationfunctionparam

(y1,y2,y3,y4,y5,x11,x12,x21,x22,x23,x24,x31,x32,z1,E,posong,rou,N,F,f1,f2,m,n,exch,):

……

添加分析步切換選擇按鈕，用于選擇模態分析或諧響應分析：

if str(exch)=='True':

mdb.models['Model-1'].FrequencyStep(name='Step-1',previous='Initial',

numEigen=ss)

else:

mdb.models['Model-1'].SteadyStateDirectStep(name='Step-1',

previous='Initial',frequencyRange=((f1,f2,n,1.0),))

添加提交計算切換按鈕，當所建立模型合適時，提交任務并等待計算完成：

if str(cc)=='True':

mdb.Job(name='kuang_1',model='Model-1',description='',type=ANALYSIS,atTime=None,waitMinutes=0,waitHours=0,queue=None,memory=90,memoryUnits=PERCENTAGE,getMemoryFromAnalysis=True,explicitPrecision=SINGLE,nodalOutputPrecision=SINGLE,echoPrint=OFF,

modelPrint=OFF,contactPrint=OFF,historyPrint=OFF,userSubroutine='',scratch='',multiprocessingMode=DEFAULT,numCpus=1)

mdb.jobs['kuang_1'].submit()

mdb.jobs['kuang_1'].waitForCompletion()

整個分析流程直接輸入所需參數完成整個前處理，大大節省了設計人員重復建模、驗證模型、提取結果所需要的時間，縮短研發周期，提高了工作效率。

3 模態與諧響應分析

3.1 原樣機模型諧響應分析

框架內部柜體由鏈條帶動回轉，框架鏈輪軸受周期性沖擊載荷?？蚣芗谠O備運轉中發生共振取決于自身的模態和激振的頻率。使用二次開發程序，首先以原樣機的設計尺寸參數建模，未知框架頻率分布范圍，因此將模態分析的階數范圍增大，提取框架前20階模態(N=36)。

表1 滾筒柜框架模態

為確定框架的持續動力性能，確定是否因強迫振動引起框架的共振產生擺振現象。對于多自由度系統動力學方程為[10,11]

根據表1數據，設置定義掃頻上、下限f1=0，f2=200 Hz，采樣點n=100，激勵F0=1 500 N，進行諧響應分析。

如圖3所示，原樣機的第一個峰值在32.32 Hz處達到最大響應位移5.1×10-3mm，第二個峰值是在123.23 Hz處，響應位移為4.3×10-3mm，對應機構第6、17階模態。實際電機減速機輸出到設備的頻率為32.59 Hz，與第5、6階模態相近，故機構在運行時會發生輕微擺振現象的原因是減速機的輸出頻率與機構的第5、6階模態共振；第17階與機構工作頻率相差較大，對機構影響不大不做分析。

3.2 基于二次開發的諧響應分析實例

根據原樣機諧響應分析結果，為降低減速機輸出端的頻率與框架件共振的影響，改變框架的參數值獲得合適的模態，使諧響應頻率避開減速機的輸出頻率。為提高計算效率和結果的準確性，縮小掃頻范圍，增大相對節點密度，定義f1=20 Hz，f2=60 Hz，n=40，提取2～7階模態，選取六組不同參數模型比較結果，如表2所示。

表2 六組模型2～7階模態

序號2階3階4階5階6階7階122．4324．2025．1433．4033．4749．35222．4924．3325．4532．8933．3849．07322．3224．2025．7132．1033．2748．04422．3424．3225．9331．6933．2947．65521．9423．8426．6430．6732．9046．94621．9323．8226．6730．7732．9746．95

從圖4可以看出，修改框架內部結構位置能較有效的改變其模態，并且不同參數的諧響應幅值不同。通過合理的選取參數值可以找到理想的框架模態值避免發生共振。由于框架參數較多，且參數取值范圍較大，是一個很龐大的計算量。對于理想參數的獲取，需要在此基礎上做進一步的頻率優化研究，該文為后續的研究提供了一個開發平臺。

4 結 語

該文使用ABAQUS-Python二次開發對滾筒柜框架件進行研究，參數化框架零件模型，在ABAQUS中使用Python語言對框架模型完成建模、定義材料屬性、裝配、邊界條件、網格、計算和結果提取等前后處理工作，開發了GUI界面與設計人員友好交互，提取框架件的模態并進行諧響應分析。確定了滾筒柜原樣機在工作過程中的輕微擺振現象為減速機輸出端與框架的第5、6階固有頻率共振造成。通過多組的對比計算實例，說明此分析方法能有效的減少設計人員的建模分析的時間，提高工作效率。此分析方法提供了一個開發平臺，為后續深入研究提供了分析的工具和參考。

[1] 宋 濤,張文清,洪 誠,等.基于Lab VIEW軟件的滾筒藥柜傳動系統的標準化設計程序[J].建材世界,2017,38(1):76-79

[2] 王 磊,張志強,張懷存.滾筒藥柜傳動部分運動不干涉分析與仿真[J].機械傳動,2013,37(3):97-100.

[3] 宋 濤,程 云,王宇軒,等.滾筒藥柜傳動系統存取機導槽優化設計[J].建材世界,2017,38(2):113-116.

[4] 趙 賢,張志強,黃 民.基于RecurDyn與Simulink的控制仿真平臺在滾筒藥柜上的應用[J].機電信息,2013(3):143-145.

[5] 劉文光,顏 龍,郭隆清,等.基于諧響應的彈性懸臂梁裂紋識別分析[J].失效分析與預防,2016,11(3):143-147,202.

[6] 駱洪亮.軸向柱塞泵表面振動分布特性諧響應及瞬態響應分析[D].秦皇島：燕山大學,2014.

[7] 秦 宇,陳良玉.ABAQUS前處理二次開發在切削過程參數化建模中的應用[J].機床與液壓,2017,45(13):139-142.

[8] 王家林,李 平.ABAQUS箱型橋梁的GUI二次開發[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2009,28(6):1000-1004,1024.

[9] 張 建,熊慶輝,冀 宏,等.基于Abaqus/CAE的格萊圈參數化建模及密封性能分析[J].液壓氣動與密封,2017,37(1):35-38.

[10] Sybert A F,Hamilton D A.Prediction of Radiated Noise from Engine Components Using the BEM and the Rayleigh Integral[J].Sound Vibration，2004,1(4):345-364.

[11] Shen M H,Grady J E.Free Vibrations of Delaminated Beams[J].AIAA Journa1,2012,30(5):1361-1370.