CAE軟件操作小百科(64)

史超逸

(同濟大學 應用力學所,上海 200092)

1 Abaqus二次開發及其優勢

Abaqus二次開發是在有限元軟件Abaqus基礎上,通過腳本編程或使用提供的二次開發接口進行功能擴展和定制化開發。用戶可用Python或Fortran等語言編寫腳本,實現自動建模、定制邊界條件和材料模型等功能。利用Python進行二次開發具有優勢,與GUI建模和INP文件建模相比,Python腳本可實現自動化、參數化建模,提高模型創建的可重復性,同時代碼簡潔、易讀,具有靈活性和動態性。Python建模還具備獨立性和可移植性,可為用戶提供更高效的異常處理機制,有助于提高代碼的重用性和調試效率。Abaqus的軟件結構見圖1。

2 Abaqus腳本接口簡介

Abaqus腳本接口是一個強大的工具,能夠通過Python語言編程實現Abaqus/CAE中的全部功能,包括模型屬性的創建和修改、作業分析的提交與修改,以及分析結果的查看等。所有指令經過Python解釋器后生成rpy文件,并在Abaqus/CAE中轉化為INP文件,通過隱式或顯式求解器進行分析,最終生成ODB文件供后處理使用。該接口語法與Python相同,但引入了核心模塊,并擴展了多種數據類型,如符號常數、庫、數組、布爾類型和序列等。符號常數用于表示方法中的自變量或對象的成員值,庫則是特定類型對象的容器,例如部件庫和材料庫。通過軟件自帶的學習工具AbaqusScriptingReferenceManual可獲得更詳細的信息。

3 Abaqus二次開發學習工具

學習Abaqus二次開發要熟悉Abaqus操作和基本的Python語言。比較Abaqus/CAE操作和Abaqus.rpy文件中的Python代碼的學習方式,能幫助初學者逐步理解各命令用法、快速上手,可以利用2個重要工具PythonReader.exe和AbaqusScriptingReferenceManual。由焦中良博士開發的PythonReader.exe可實時記錄Abaqus/CAE操作對應的腳本命令,提供警告和錯誤信息,方便學習者實時復制粘貼,實現參數化分析,避免重復建模。AbaqusScriptingReferenceManual是Abaqus官方手冊,詳細介紹Abaqus對象模型的Python命令,包括腳本基礎、模型創建、分析控制和后處理等,提供實用示例,幫助更靈活地應對有限元分析任務。結合這2個工具,初學者能更高效地掌握Abaqus二次開發技能。

4 案例實操

從細觀尺度建模,探究骨料顆粒級配對于顆粒增強復合材料壓縮性能的影響,模型指標為等效彈性模量。等效彈性模量是多相復合材料力學性能的基本指標,是工程材料重要的性能參數,是衡量物體抵抗彈性變形能力的尺度。材料彈性模量越大,發生一定彈性變形所需要的應力也越大,材料的抗變形能力就越高,材料性能也相對穩定。本案例演示性分析顆粒增強復合材料的等效彈性模量,難點在于隨機分布的骨料顆粒的模型建立,此處利用Python腳本實現。

利用Python編寫前處理建模腳本

第一步:導入必要的函數包,命令見圖2。

圖2 導入必要的函數包命令

第二步:設置保存路徑,命令見圖3。

圖3 設置保存路徑命令

第三步:利用Python語言實現骨料顆粒的創建,命令見圖4～9。

圖 4 定義防止圓形骨科顆粒干涉的判斷函數

圖 5 生成不同半徑對應數量的圓形骨料顆粒的圓心位置信息

圖 6 創建圓形骨料顆粒部件

圖 7 創建矩形截面

圖 8 創建實例

圖 9 生成骨料顆粒

生成的顆粒增強復合材料的骨料顆粒和基體部件模型示意見圖10。

(a)骨料顆粒

第四步:利用Python語言設置材料屬性,命令見圖11,設置窗口見圖12。

圖11 設置材料屬性命令

圖12 利用Python語言生成的骨料顆粒材料屬性設置窗口

在上述案例中,Abaqus利用Python語言實現復雜圖形的自動化建模和定制材料屬性功能,可以感受到二次開發對提高效率、定制化功能、參數化建模等的巨大優勢。基于Python語言的Abaqus二次開發還不止于此,Abaqus工作全流程自動化都可以實現,如創建加載、邊界條件、提交分、后處理等,有待進一步研究學習。

(摘自同濟大學鄭百林教授《CAE操作技能與實踐》課堂講義)