1 背景

隨著汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)的噪聲要求越來(lái)越高。薄壁件振動(dòng)是噪聲的來(lái)源之一，為了降低噪聲，需要對(duì)薄壁件進(jìn)行面剛度計(jì)算。然而面剛度計(jì)算中前后處理工作流程繁瑣，尤其是測(cè)點(diǎn)較多時(shí)，人工處理將耗費(fèi)大量時(shí)間和精力。借助 ABAQUS 的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以對(duì)固定前后處理流程進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，以協(xié)助工程師準(zhǔn)確高效地完成各類(lèi)仿真工作。因此，基于 ABAQUS 的二次開(kāi)發(fā)廣泛應(yīng)用于各類(lèi)仿真開(kāi)發(fā)中。

 

本文主要介紹了 ABAQUS 二次開(kāi)發(fā)在面剛度仿真中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了前后處理界面設(shè)置，以及具體實(shí)現(xiàn)的邏輯流程。

 

2 Abaqus 二次開(kāi)發(fā)原理

Abaqus 是目前國(guó)際公認(rèn)的大型通用有限元軟件之一，具有清晰友好的用戶界面以及開(kāi)放的開(kāi)發(fā)平臺(tái)[1]。Python 語(yǔ)言是一種動(dòng)態(tài)解釋型編程語(yǔ)言，簡(jiǎn)單易學(xué)，可移植性強(qiáng)，支持面向?qū)ο缶幊?，也?Abaqus 軟件的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)語(yǔ)言。Abaqus 為用戶提供了基于 Python 語(yǔ)言的腳本接口。Abaqus 繼承并增加了 500 多個(gè)新的 Python 類(lèi)模型，新增的類(lèi)模型總體上分為三類(lèi)，分別為 Session 類(lèi)、Mdb 類(lèi)以及 Odb 類(lèi)，分別對(duì)應(yīng)視圖、模型數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)三類(lèi)對(duì)象。通過(guò)調(diào)用類(lèi)模型可以繞過(guò) Abaqus/CAE 界面，直接操縱 Abaqus 的內(nèi)核程序。

 

Abaqus 腳本接口可以通過(guò)以下多種方式與 Abaqus/CAE 內(nèi)核程序進(jìn)行交互（如圖 1 所示）。圖形用戶界面、主窗口下部命令交互界面（commandline interface，即 CLI）、執(zhí)行腳本文件（script）。

 

 

圖 1 命令流與 Abaqus/CAE 內(nèi)核關(guān)系圖

 

實(shí)現(xiàn)二次開(kāi)發(fā)主要有兩種途徑：創(chuàng)建插件程序或者自定義 GUI 應(yīng)用程序。插件程序是Abaqus 圖形界面程序開(kāi)發(fā)中較為簡(jiǎn)單的一類(lèi)，適用于界面簡(jiǎn)單、功能單一的程序開(kāi)發(fā)。自定義 GUI 應(yīng)用程序適用于復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。本文涉及的參數(shù)比較少，采用插件程序開(kāi)發(fā)足以滿足前后處理需求，故采用插件程序開(kāi)發(fā)

 

3 Abaqus 二次開(kāi)發(fā)在面剛度仿真中的應(yīng)用

3.1 面剛度前后處理中主要工作

進(jìn)行面剛度計(jì)算，第一步先進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，然后進(jìn)行面剛度計(jì)算。具體每個(gè)面剛度分析步的建立流程如下：1.建立 modal dynamic 分析步；2.在對(duì)象點(diǎn)上建立局部坐標(biāo)，局部坐標(biāo)的 Z 向?yàn)槠矫娴姆ㄏ颍?.在對(duì)象點(diǎn)上加載單位載荷，方向?yàn)?z 向；4.設(shè)置對(duì)象點(diǎn)的 history 輸出；5.對(duì)象點(diǎn)關(guān)聯(lián)到局部坐標(biāo)系。在后處理中，需要將每個(gè)對(duì)象點(diǎn)的 history 計(jì)算結(jié)果從結(jié)果文件中輸出，進(jìn)行處理計(jì)算，并繪制剛度曲線。面剛度計(jì)算前后處理過(guò)程設(shè)置繁瑣，如果需要計(jì)算剛度的點(diǎn)較多時(shí)，前后處理工作將花費(fèi)大量時(shí)間，如圖 2 所示。

 

 

圖 2 局部坐標(biāo)系示意圖

 

3.2 插件程序?qū)崿F(xiàn)

面剛度自動(dòng)化化設(shè)計(jì)插件程序包括 3 個(gè) Python 文件：（1）注冊(cè)文件：facestiff_Plugin.py；（2）圖形界面文件：facestiff DB.py；（3）內(nèi)核文件：facestiff.py。注冊(cè)文件包含了關(guān)鍵字和功能組件注冊(cè)，以及數(shù)據(jù)的合法性檢查及警告[6]。圖形界面文件作用是定義圖形界面的框架、各類(lèi)控件，并關(guān)聯(lián)控件的執(zhí)行目標(biāo)、執(zhí)行動(dòng)作等。面剛度插件程序圖形界面對(duì)話框如圖 3 所示。

 

 

圖 3 面剛度插件程序圖形界面對(duì)話框

 

內(nèi)核文件是參數(shù)化插件程序開(kāi)發(fā)的核心文件。用戶在 Abaqus 界面內(nèi)的所有操作都將轉(zhuǎn)化為內(nèi)核指令，通過(guò)這些指令完成前后處理工作。編寫(xiě)內(nèi)核程序的作用是替代一系列復(fù)雜的前后處理操作，提高效率。前處理主要使用 Mdb 模型數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象，通過(guò)它實(shí)現(xiàn)面剛度前處理中載荷的施加、輸出定義等有限元建模工作。后處理主要使用 Odb 結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象，進(jìn)行后處理中數(shù)據(jù)導(dǎo)出工作。

 

3.2.1 前處理功能程序腳本實(shí)現(xiàn)

在自動(dòng)化流程前，我們先要做好模型的預(yù)處理，包括網(wǎng)格劃分、連接建立、邊界約束等。將需要進(jìn)行面剛度計(jì)算的節(jié)點(diǎn)建立節(jié)點(diǎn)集 set-C。

 

前處理首先讀入節(jié)點(diǎn)集 set-C，然后調(diào)用 For…in…循環(huán)遍歷節(jié)點(diǎn)集，對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)建立分析步、建立局部坐標(biāo)、基于局部坐標(biāo)加載單位載荷并設(shè)置輸出。詳細(xì)流程如圖 4 所示。

 

 

圖 4 前處理流程圖

 

其中建立分析步、加載單位載荷以及輸出設(shè)置等步驟，可以在界面直接實(shí)現(xiàn)，因此可以通過(guò)先在 Abaqus 界面手動(dòng)操作，其 Abaqus.rpy 文件有建模過(guò)程留下的內(nèi)核程序記錄，然后復(fù)制，最后作出一定改動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)。

 

但由于建立局部坐標(biāo)系，需要手動(dòng)隨機(jī)選擇表面上不在同一直線上的三點(diǎn)生成，因此無(wú)法直接通過(guò)上述修改內(nèi)核程序方式完成代碼。設(shè)計(jì)查找算法如下：查找目標(biāo)節(jié)點(diǎn)鄰近的elementFace（體網(wǎng)格的表面網(wǎng)格），根據(jù)查找到的 elementFace 查找關(guān)聯(lián)的網(wǎng)格，由于表面的elementFace僅關(guān)聯(lián)一個(gè)網(wǎng)格，所以關(guān)聯(lián)網(wǎng)格數(shù)量為1的elementFace即為表面elementFace。查找表面 elementFace 的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，即為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的表面鄰近節(jié)點(diǎn)。從中篩選處不共線的 3點(diǎn)，即可建立局部坐標(biāo)系。具體流程如圖 5 所示。

 

 

圖 5 建立局部坐標(biāo)系流程圖

 

 

圖 6 前處理輸出

 

3.2.2 后處理功能程序腳本實(shí)現(xiàn)

計(jì)算完成后，讀取 odb 結(jié)果，讀取節(jié)點(diǎn)集 set-C，然后調(diào)用 For…in…循環(huán)遍歷節(jié)點(diǎn)集，每個(gè)節(jié)點(diǎn)讀取位移計(jì)算結(jié)果，并計(jì)算剛度并輸出計(jì)算結(jié)果，以上步驟通過(guò)代碼在 abaqus 中實(shí)現(xiàn)。由于 abaqus 自帶 python 無(wú)繪圖模塊，因此繪圖功能通過(guò)普通的 python 繪圖包構(gòu)建，并打包成 exe 執(zhí)行文件。通過(guò)在流程中調(diào)用繪圖的 exe 文件，實(shí)現(xiàn)繪圖功能。后處理流程如圖 7 所示。

 

 

圖 7 后處理流程圖

 

 

圖 8 后處理輸出

 

4 進(jìn)氣歧管面剛度優(yōu)化計(jì)算

4.1 進(jìn)氣歧管模態(tài)計(jì)算

首先進(jìn)行進(jìn)氣歧管模態(tài)計(jì)算。進(jìn)氣歧管和支架網(wǎng)格采用 3mm 二階四面體網(wǎng)格，在螺栓孔位置使用 rbe2 單元連接，歧管上中下片之間摩擦焊位置使用 tie 方式連接，和缸體固定連接的螺栓孔位置全約束。節(jié)氣門(mén)處使用簡(jiǎn)化實(shí)體模型，節(jié)氣門(mén)分成 4 塊賦材料屬性，通過(guò)調(diào)節(jié)各塊的密度數(shù)據(jù)，調(diào)整其質(zhì)量質(zhì)心位置與實(shí)際一致，進(jìn)氣歧管模型如圖 9 所示。歧管材料為 PA66-GF30，節(jié)氣門(mén)為，支架為，具體參數(shù)見(jiàn)表 1。

 

 

圖 9 進(jìn)氣歧管模態(tài)仿真模型

 

表 1 進(jìn)氣歧管材料參數(shù)

 

 

 

 

圖 10 進(jìn)氣歧管 1300Hz 附近模態(tài)振型

 

4.2 進(jìn)氣歧管面剛度計(jì)算

在模態(tài)計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行面剛度計(jì)算，根據(jù)進(jìn)氣歧管模態(tài)的振型結(jié)果，和進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇了穩(wěn)壓腔內(nèi)部平面測(cè)點(diǎn) 1-3，和歧管表面測(cè)點(diǎn) 4-7，如圖 11 所示。

 

 

圖 11 進(jìn)氣歧管面剛度測(cè)點(diǎn)示意圖

 

考慮模型主體材料為塑料，模型整體阻尼使用 0.15。面剛度計(jì)算結(jié)果如所示。穩(wěn)壓腔平面測(cè)點(diǎn)在 1300Hz 附近有明顯的剛度谷值，需要加強(qiáng)。歧管表面測(cè)點(diǎn)在計(jì)算范圍內(nèi)并無(wú)明顯谷值，但剛度水平明顯低于其他測(cè)點(diǎn)，也建議加強(qiáng)。

 

 

圖 12 進(jìn)氣歧管面剛度曲線圖

 

4.3 優(yōu)化方案結(jié)果說(shuō)明

4.3.1 優(yōu)化方案說(shuō)明

針對(duì)進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔平面和歧管位置剛度不足的問(wèn)題，對(duì)原進(jìn)氣歧管進(jìn)行了優(yōu)化。穩(wěn)壓

腔位置增加和歧管外表面增加加強(qiáng)筋，如圖 13 所示。

 

 

 

圖 13 進(jìn)氣歧管優(yōu)化方案說(shuō)明

 

4.3.2 優(yōu)化方案模態(tài)結(jié)果展示

從優(yōu)化方案的模態(tài)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在 1300Hz 附近，穩(wěn)壓腔內(nèi)的平面剛度有了明顯改善，平面模態(tài)得到較好的優(yōu)化。如圖 14 所示。

 

 

 

 

圖 14 進(jìn)氣歧管優(yōu)化方案 1300Hz 附近模態(tài)振型

 

4.3.3 優(yōu)化方案面剛度結(jié)果對(duì)比

將面剛度的結(jié)果輸出，并繪制剛度曲線。在穩(wěn)壓腔測(cè)點(diǎn)位置，優(yōu)化方案相對(duì)于原方案剛度水平有了明顯提高；波谷位置由 1300Hz 轉(zhuǎn)移為 220Hz 附近（220Hz 是歧管一階整體模態(tài)），這是因?yàn)殡S著剛度增加，穩(wěn)壓腔平面的局部模態(tài)消失，其模態(tài)為歧管整體模態(tài)。歧管表面測(cè)點(diǎn)的動(dòng)剛度也有了明顯提升。如圖 15 所示。

 

 

圖 15 進(jìn)氣歧管面剛度曲線對(duì)比

 

4.4 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管在臺(tái)架上進(jìn)行噪聲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果可以明顯看到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)和頂面兩處的測(cè)點(diǎn)位置 1300Hz 的噪聲明顯下降，優(yōu)化方案有效。

 

 

優(yōu)化前 優(yōu)化后 優(yōu)化前 優(yōu)化后

（a）進(jìn)氣側(cè) （b）頂面

圖 16 優(yōu)化前后噪聲對(duì)比

 

5 總結(jié)

1. 本文研究了 Abaqus/Python 二次開(kāi)發(fā)技術(shù)在面剛度仿真前后處理中的應(yīng)用，利用 Abaqus提供的腳本接口，將面剛度前處理和后處理流程以程序的方式替代，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了 GUI 界面，方便快捷地輸入需要關(guān)鍵的參數(shù)，程序便會(huì)自動(dòng)生成面剛度分析步，導(dǎo)出模型，求解計(jì)算，并導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果繪制曲線。利用二次開(kāi)發(fā)的 Abaqus 進(jìn)行面剛度仿真及優(yōu)化工作時(shí)，可以減少重復(fù)操作，節(jié)約大量時(shí)間；

 

2. 本文針對(duì)某汽油機(jī)進(jìn)氣歧管面剛度進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔位置局部模態(tài)得到基本消失，穩(wěn)壓腔和歧管外壁面面剛度得到明顯提升，臺(tái)架試驗(yàn)中 1300Hz 附近的噪聲得到明顯改善。

 

資料來(lái)源：達(dá)索官方