基于ABAQUS-Python低碳鋼實驗可視化分析及二次開發

鄭燁 王鐸 張林怡 謝雅芳 黃珠瓊

摘要：低碳鋼拉伸力學性能實驗對于研究低碳鋼一維軸向受力特性具有重要意義，但采用ABAQUS軟件模擬分析實現低碳鋼整體實驗過程鮮有報道。本文采用將ABAQUS分析和Python二次開發應用在該力學實驗中，模擬分析低碳鋼構件拉伸及斷裂的完整過程，并通過在運行腳本中重新編寫代碼，實現ABAQUS軟件模擬低碳鋼拉伸斷裂的過程，同時為相關研究提供一定借鑒。

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.

關鍵詞：低碳鋼;ABAQUS;Python

Key words： low carbon steel;ABAQUS;Python

中圖分類號：O346.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）13-0143-04

0 ?引言

低碳鋼拉伸實驗是研究低碳鋼力學性的有效手段，通過該實驗可以深入了解低碳鋼的屈服強度、極限強度、伸長率和收縮率。在該實驗中，構件在一維情況下承受大小相等、方向相反、共同作用在構件軸線上的兩個外力，分析構件的力學性能和相應指標[1]。在該實驗分析研究過程中，采用軟件模擬分析同樣具有非常重要的現實意義。通過軟件分析研究可以了解構件在實驗過程中低碳鋼構件各個部位的受力情況及應力分布狀態，實時了解其相關內容。但采用ABAQUS軟件模擬分析低碳鋼拉伸整體實驗過程的文獻鮮有報道。本文采用ABAQUS有限元軟件模擬低碳鋼拉伸實驗，運用Python程序語言在運行腳本中重新編寫代碼進行二次修正，實現ABAQUS軟件模擬分析低碳鋼構件拉伸及斷裂的完整過程。

1 ?ABAQUS、Python簡介

ABAQUS是全球最優秀的大型通用有限元軟件，具有卓越的非線性分析功能。ABAQUS/CAE基于現代CAD理念和Feature建模概念，采用Part生成Assembly，可以高效實現幾何模型構建并生成有限元網絡。ABAQUS/CAE可將生成的模型在后臺生成input file，并提交給ABAQUS/Standard 或ABAQUS/Explicit 求解器。進入Job功能模塊后，將主要用于分析作業和網格自適應過程的管理和創建，完成所提交的計算任務。計算完成后，進入Visualization模塊進行結果分析和處理[2]。

Python是一個獨立的程序語言，其語法簡潔清晰。ABAQUS/CAE采用Python作為腳本語言，當用戶打開ABAQUS/CAE時，會自動實時產生一個replay文件（擴展名為.rpy），里面記錄每一步的操作。當用戶保存ABAQUS/CAE模型時，會產生一個journal file（擴展名為.jnl）文件，里面是生成CAE模型所需要的Python腳本代碼。Journal file文件清晰明了，可以作為藍本進行Python腳本程序開發。ABAQUS/Python有著巨大的潛力，使用Python腳本不但可以減少很多ABAQUS/CAE前后處理的重復工作，大大提高效益，更重要的是還可以程序化實現原本手動不可能做的工作[3]。

2 ?應用實例

拉伸試驗采用國家標準：GB/T228-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，試驗采用低碳鋼標準試件，試驗設備為電子萬能試驗機（型號WDW-100M）。材料參數為：彈性模量E=2.55MPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7800kg/m3，構件端面位移8mm。

2.1 建模

啟動ABAQUS后，在環境欄中點選Part模塊，再工具箱區中點選Create Part工具，創建模型。（圖1）

2.2 受外載荷設置

單擊鼠標左鍵，點擊“邊界條件管理器”，在彈出的“創建邊界條件”對話框中點擊“力學”，在可選分析步中，選擇“位移/轉角”，左鍵單擊“繼續”按鈕;在試圖區選擇要加載的邊，點擊“完成”。在彈出的對話框“編輯邊載荷”中選擇“分布”。在畫布窗口選擇構件左右兩個端面進行設置。在“U2”中輸入位移大小8mm，完成載荷設定。

2.3 布置網格劃分

在構件各個邊上布置相應的“種子數”，編輯“指派單元類型”和“指派網格控制屬性”兩個模塊中的相關內容，布置完畢點擊鼠標左鍵創建網格。網格的疏密程度影響其后續的Job分析時間，對電腦主機的處理能力要求十分高，選擇適當的劃分密度尤為重要。本實驗采用CAX4R。

2.4 網格布置質量檢查

對布置好的網格進行相應的質量檢查，可以確保在求解分析過程中不發生中斷現象，并且結果會更加精確可靠。其檢查內容包括三個方面，形狀檢查、尺寸檢查和分析檢查。如在形狀檢查中包括形狀因子、三面轉角等;在尺寸檢查中包括幾何偏心因子、邊短于、邊長于、增量步小于等;在分析檢查中包括警告與錯誤。設定檢查范圍完成后單擊“高亮”按鈕開始檢查。檢查結果顯式單元格數761，分析錯誤：0（0%），分析警告：0（0%）。若檢查結果出現非零值時，應對網格重新劃分或細化調整，直至檢查結果顯示為零時，方可點選下一模塊進入作業分析。

2.5 Job分析設置

點選“環境欄”中的“作業”進入作業分析模塊。點選“作業管理器”對話框，并單擊“創建作業”按鈕，在彈出的作業創建對話框中輸入設置參數，點擊“提交”按鈕完成作業設置并進入分析狀態。在“作業管理器”中點選“監控”按鈕，可以實時觀測分析進程，待“分析步”結果顯示“1”時，完成分析。點擊“結果”按鈕，進入后處理模塊。

2.6 后處理模塊顯示

在有限元分析的后處理模塊中提供了大量可視化分析結果。可以在輸出數據中獲得想要的各種結果信息[4]。可視化分析中包括各種云圖的觀測，X-Y數據圖表顯示等，可以獲取到的信息結果包括變形、應力、應變、位移、矢量/張量、材料方向、動畫等。從應力云圖（如圖3所示）中顯示結果看出，低碳鋼試件在等比例階段，中間部位應力最大，應力在變截面處向左右兩側逐漸減小。變形向量圖中（如圖4所示），線的箭頭方向表示矢量實際方向，紅色線區域表示應力較大的位置。低碳鋼進入局部變形階段（如圖5所示），云圖中顯示當出現頸縮現象時，頸縮部位受到應力集中的作用，應力出現極值。但由于塑性設置，沒有出現斷裂損傷現象。

2.7 利用Python進行二次修正

對日志文件rpy進行修改，得到需要輸出的相關設置（行數為后加上）。

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）

將上述65、66和103行的內容改寫為如下：

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）

并且手動加入拉斷材料去除設置，如下：

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

為了使得腳本文件可以運行，需要將文件擴展名rpy改為py即可，再通過菜單欄中的文件“導入”功能，將上述腳本文件進行重新運行。

將分析結果進行設置，便于后續觀察。打開軟件視圖菜單，點擊ODB顯示選項，點擊其中的“掃掠/拉伸”選項卡，將掃掠單元分別設置為（0-180）和（0-360），點擊確定，結果如圖6和圖7所示。點擊菜單欄中的“方盒縮略”按鈕，將圖7中的右側部件進行放大觀察，調整觀察位置，如圖8所示。從圖8運行結果分析：構件拉斷后，斷裂處有明顯的頸縮現象，并且斷口為韌性杯狀斷口，與低碳鋼拉伸實驗斷裂后的形態一致。圖6顯示，在斷口處有應力極值，應力值與實驗結果一致。

3 ?結束語

采用ABAQUS有限元模型仿真分析低碳鋼拉伸實驗，由前、后處理及求解分析計算模型損傷斷裂情況，以動畫形式展現全過程[5]。采用Python編程語言重新編寫腳本代碼，通過ABAQUS中的命令調用該腳本文件，在ABAQUS模擬軟件中實現低碳鋼拉伸斷裂效果，可視性、直觀性明顯，對構件在拉伸過程中各個部位的受力情況可以得到詳細的描述。

參考文獻：

[1]祝瑛，蔣永莉，等.工程力學[M].北京：清華大學出版社;北京交通大學出版社，2010，8.

[2]齊威，等.ABAQUS 6.14超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2016，6.

[3]蘇景鶴，江丙云.ABAQUS Python二次開發攻略[M].人民郵電出版社，2016，4.

[4]王玉鐲，傅傳國，等.ABAQUS結構工程分析及實例詳解[M].北京：中國建筑工業出版社，2010，3.

[5]王鐸，蔣國平，楊拴強.基于ABAQUS 驅動工程力學課程多樣性探索[J].價值工程，2018，7（37）：286-288.