基于Python語言和Abaqus軟件的輪胎有限元分析結果自動后處理插件的研發

曹金鳳，王志文，高 明，賈舒安，孫志偉，薛茂林，張澤明

（1.青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東 青島 266520；2.賽輪集團股份有限公司，山東 青島 264200）

進入新世紀，國內各大輪胎企業為提高產品質量，降低生產成本，在輪胎設計與研發過程中投入了大量的人力和財力。隨著計算機技術的發展，CAE仿真作為一項成熟的計算機工程輔助技術被越來越多地應用到輪胎設計研發過程中[1]。輪胎性能的研究也由單純的試驗逐漸轉變為試驗與仿真技術相結合。

Abaqus軟件作為目前國際上最為先進的通用非線性有限元仿真分析軟件之一，廣泛應用于機械制造、石油化工、航空航天、汽車交通、土木工程以及電子工程等科學研究領域[2-3]。由于Abaqus軟件具有豐富的材料屬性庫和單元庫，因此多數企業和科研機構使用其進行產品性能仿真。Abaqus軟件應用領域較多，用戶要獲得設計仿真所需的專用功能，則需通過編寫腳本的方式對Abaqus軟件進行二次開發。國內外眾多學者針對各自相關領域對Abaqus軟件進行了二次開發，霍永強等[4]基于Python語言對Abaqus軟件進行二次開發，建立冷滾打成形參數化建模插件，僅需要在交互界面中改變相對應的模型尺寸及工藝參數，就可以快速建立有限元仿真模型。宋穎等[5]用Python語言開發了圓柱形橡膠堆快速建模和結果分析的程序，實現了前處理參數化建模及后處理結果輸出的自動化。曹金鳳等[6]基于Python語言和C#語言研發的輪胎多方案有限元分析結果自動后處理系統可以根據需求自動獲取、處理Odb文件中的海量數據，將分析結果自動生成PPT有限元分析報告。G.HUAN等[7]針對Abaqus軟件中裝配體內應力分布不均勻等問題，基于Python語言編寫了能計算應力值的插件。劉湘云等[8]基于Abaqus腳本語言Python開發了含開孔復合材料層壓板剩余強度分析快速建模程序，通過人機交互實現參數化自動建模。郭玲等[9]開發了針對薄壁管數控彎曲應用的Abaqus軟件后處理程序，可用于薄壁管彎曲起皺的判斷和起皺區域的確定以及最大壁厚減薄量的計算和其所在位置的確定。以上專家學者對Abaqus軟件的二次開發在一定程度上都實現了Abaqus/CAE未有的專屬功能。

輪胎的每一次性能仿真后均需對結果進行后處理，提取數據、整理成報告并保存到相應的文件夾中。仿真分析是一項耗時很長的工作，再加上重復、繁瑣冗雜的后處理工作，對CAE工程師是一個極大的考驗[10]。為避免耗時長、效率低的數據整理工作，使CAE工程師從繁雜重復的整理工作中解脫出來，將更多的時間和精力用于研發新產品，本工作基于Python語言和Abaqus軟件，設計開發了一款針對輪胎仿真結果后處理的插件，可實現軟件背景顏色、圖例字體和風格、云圖變形選項的選擇及模型旋轉、動畫顯示與保存、場變量和歷史變量結果輸出等功能，無需在Abaqus軟件后處理界面中執行大量重復的操作，能夠極大地提高仿真工程師的工作效率。

1 Abaqus軟件的Python二次開發接口

Abaqus是功能強大的非線性有限元分析軟件，其自帶的Python二次開發接口具有簡單易學、功能強大、模塊化、可擴展性、開源、免費面向對象等優點，可以方便地開發自動前處理、分析結果后處理、材料庫定制、GUI插件開發等任務[11-12]。

Abaqus/CAE將用戶在其圖形界面中進行的各種操作轉化成內核命令解釋執行，因此可將需要多次重復執行的一系列繁雜的后處理操作過程編寫成Abaqus/CAE內核腳本程序，用戶只需執行腳本并設定相應參數，就能快捷、方便地完成同一后處理流程的多次重復操作。

Abaqus GUI程序開發為用戶提供一個交互式的圖形操作界面，方便用戶進行相關操作，其最終目的仍是通過執行Abaqus/CAE內核命令實現復雜的有限元后處理流程。Abaqus/CAE GUI界面與內核命令之間的交互方式如圖1所示。Abaqus軟件主要包括3類對象模型：Session，Mdb和Odb對象，而后處理二次開發主要是對結果數據庫對象Odb進行操作，將數據提取并保存到指定文件夾，供后續調用。

圖1 Abaqus/CAE GUI與內核命令通信關系

2 輪胎有限元模型建立與仿真

本研究選用某型號輪胎，基于AutoCAD軟件繪制輪胎材料分布圖，將其導入Abaqus軟件生成有限元模型，如圖2所示。在Abaqus/CAE中模擬輪胎與路面的接觸過程，設置仿真工況如下：rebar加強筋單元嵌入橡膠基體單元，模擬骨架材料對輪胎橡膠的增強作用，路面模擬為剛體；固定輪輞并向輪胎內表面施加0.32 MPa的壓力來模擬輪胎充氣過程；分析路面與輪胎接觸狀況，施加總車質量1/4的負荷完成輪胎加載[13]。分析完成后將Odb文件保存到指定文件夾。

圖2 輪胎有限元模型

3 基于Abaqus輪胎仿真后處理插件制作

3.1 后處理插件的設計方法

本工作基于Abaqus的GUI腳本和內核腳本開發了Visual Setting和Output兩個插件，實現了輪胎仿真分析結果處理自動化，實現過程如下。

（1）將輪胎后處理分析中的代碼宏錄制完畢，所有的Python命令都已寫入安裝根目錄的abaqusMacros.py宏文件，用戶可以根據需求對該文件進行編輯，生成內核腳本文件。

（2）使用Abaqus/CAE的Plug-ins子菜單中的RSG對話框構造器，設計制作自動后處理插件。

（3）使用RSG對話框構造器創建自定義圖形用戶界面，并將內核腳本文件與GUI標簽頁中的內核函數綁定，實現參數傳遞，完成參數化程序設計。

3.2 Python后處理腳本生成

基于Abaqus軟件后處理腳本的開發有兩種方法，分別是直接編寫腳本和錄制宏文件。對于在Abaqus/CAE界面中能夠完成的操作，采用錄制宏文件的方法生成腳本的效率更高，因此本工作選用錄制、修改宏文件的方法生成腳本。

啟動Abaqus/CAE界面，創建新的宏文件并錄制，如圖3所示。

圖3 錄制宏文件界面

首先，利用Abaqus軟件自帶的openOdb（）函數打開Odb文件，并創建窗口，代碼如下：

在Abaqus/CAE后處理過程中需要重復操作的步驟，例如設置圖例的字體、修改窗口的背景顏色等都需要錄制。修改背景顏色的代碼示例如下：

其中，不同的符號和字母組合表示不同的顏色，#FFFFFF代表白色，#FF0000代表紅色，#A3B1C6代表默認的漸變色。

設置圖例的字體、大小、與視圖窗口距離的代碼（其中選擇字體為Times New Roman，字號為14，距離視窗左上的水平與豎直距離分別設為形參X，Y）如下所示：

如果后處理中需要繪制動畫，可錄制如下所示代碼：

輪胎仿真分析輸出結果通常以圖和表的形式顯示，因此需要在Abaqus/CAE界面中錄制繪制應力、應變、位移曲線圖所需的代碼，部分代碼如下：

上述代碼中，將PART-1-1部件中的1號節點的應力數據以曲線圖的形式顯示。

完成代碼錄制后，打開Abaqus軟件安裝根目錄下的abaqusMacros.py文件，修改編輯錄制代碼，實現步驟如下。

（1）導入相應的Abaqus模塊、Excel數據處理模塊。

（2）刪除import section，import regionToolset等宏文件自動導入的相關模塊代碼行和Abaqus自動生成的視窗代碼行。

（3）定義各個變量的參數，即插件制作中的Keyword參數。

（4）設定插件中的Text與腳本中的變量參數一一對應，實現Abaqus GUI與內核命令之間的正確通訊。

（5）導入Python中的第三方數據庫xlwt，xlrt，將Odb文件中的計算數據導入Excel。讀取Odb文件中數據的代碼如下：

（6）腳本修改完成后重新保存為.houchuli.py文件，便于后續插件制作時調用。

3.3 定制后處理插件的參數輸入界面

Python核心代碼開發完成后，為了使各參數輸入更加便捷、高效，還需要定義參數輸入界面。使用Abaqus軟件自帶的RSG快速創建插件（Ping-in）的方法來定義參數輸入界面。實現方法如下：在Abaqus/CAE中選擇Plug-ins菜單→Abaqus→RSG Dialog Builder，彈出RSG對話框構造器操作。

修改標題為Visual Settings，設置單選按鈕（Radio Button），Keyword與腳本中定義的函數要一致，且多個單選按鈕共用一個Keyword，設定某個單選按鈕的文本為默認，按照同樣的方法設置其他單選按鈕。

設置文本框按鈕，文本標簽為文本名，類型選擇Float，Keyword設置與腳本中參數對應。

設置插件滑塊，首先設定最小值與最大值，選擇整數類型，并設定好Keyword和Default。設置組合框類型為Standard，并分別設置組合框中各個項目文本名。

按照上述方法完成插件輸入界面的設置，如圖4所示。

圖4 Visual Setting插件RSG對話框設置效果界面

3.4 內 核腳本文件與GUI標簽頁中的內核函數綁定

切換到Kernel標簽頁，選擇修改后宏文件houchuli.py來加載內核模塊，在下拉列表中選擇houchuli函數，如圖5所示。重新切換到GUI標簽頁，保存對話框，設計完成后的界面如圖6所示。此時，所有的插件文件都保存于根目錄的abauqs_plugins文件夾。

圖5 內核模塊綁定效果

圖6 模型視圖處理輸入界面

按照同樣的方法制作將Odb文件中的數據輸出到指定文件夾下Excel表中的插件，效果如圖7所示。

圖7 Odb文件數據輸出選擇界面

重新啟動Abaqus/CAE，Plug_ins菜單下將出現本次開發的兩款插件Visual Setting和Output。

選擇和輸入制定的模型后處理參數，單擊OK按鈕，Abaqus/CAE窗口視圖即出現如圖8所示的效果圖，用戶可以隨時截圖或者選擇輸出圖片到指定文件夾。

圖8 插件運行效果展示圖

4 結論

本工作基于Abaqus軟件內置的Python二次開發接口，通過修改錄制宏文件的方法，開發了針對輪胎仿真分析處理Odb文件的兩款插件，得到下列結論。

（1）對于開發的輪胎仿真分析后處理插件，用戶只需選擇要處理的Odb文件，按照需求指定輸出數據，單擊OK按鈕，數據即自動保存到指定的文件夾中，可大幅減少CAE工程師數據整理的工作量，將原需要數小時甚至幾天的數據處理工作縮短至3 min內完成，大大提高了仿真后處理的效率。

（2）所開發插件與Abaqus軟件無縫連接，用戶使用Abaqus軟件對輪胎模型仿真分析得到Odb文件后，可直接在Plug-ins菜單下選用插件對數據結果進行整理，方便快捷。

（3）采用Python語言對Abaqus軟件進行二次開發，實現輪胎有限元分析結果的自動后處理，該研究思路和開發方法可推廣應用于機械、汽車、航空航天等領域。