魯萬(wàn)彪，李樹棟,，童娟，王雯，樊勝寶 ，鮑益東

(1. 中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2. 南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

0 引言

軌道車輛的結(jié)構(gòu)件大多為壓型件，因其尺寸大、板料厚等特點(diǎn)，易發(fā)生起皺、回彈等成形缺陷，且零件的成形較為困難[1]，需采用合理的成形工藝保證成形質(zhì)量。魯萬(wàn)彪等人[2]通過(guò)研究不同下料尺寸對(duì)小彎梁成形結(jié)果的影響，以保證小彎梁成形質(zhì)量。

傳統(tǒng)的工藝過(guò)程制定依賴于工藝人員的經(jīng)驗(yàn)，若采用試模法優(yōu)化工藝過(guò)程，需耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本。隨著有限元方法逐漸成熟，學(xué)者們開始采用有限元方法對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行分析、優(yōu)化，節(jié)省了試模成本。謝秉順等人[3]模擬了小彎梁的成形過(guò)程，預(yù)測(cè)小彎梁的成形特性。欒小東等人[4]利用Abaqus軟件對(duì)小彎梁進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化。

在進(jìn)行壓型件成形過(guò)程的數(shù)值模擬時(shí)，軟件操作比較繁瑣且步驟單一，而且需要操作人員對(duì)所操作軟件有一定的使用基礎(chǔ)。Abaqus軟件不僅擁有很強(qiáng)的通用性，還有很好的擴(kuò)展性。Abaqus提供了多種開發(fā)方式，用戶可以通過(guò)二次開發(fā)接口開發(fā)Abaqus前后處理功能，簡(jiǎn)化操作，節(jié)省建模時(shí)間。吳向東[5]、連昌偉等人[6]分別對(duì)板料成形模擬的前后處理進(jìn)行了開發(fā)。

本文擬基于Python語(yǔ)言，以Abaqus為平臺(tái)，開發(fā)壓型件成形模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過(guò)輸入工藝參數(shù)自動(dòng)建立壓型件成形過(guò)程有限元模型，且GUI界面簡(jiǎn)潔易懂，方便用戶快速地建立有限元模型，節(jié)省建模時(shí)間。本文將詳細(xì)介紹該壓型件成形模擬系統(tǒng)，并以小彎梁成形有限元建模過(guò)程為例，驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性與實(shí)用性。

1 基于Python的Abaqus GUI二次開發(fā)

Abaqus提供了Python語(yǔ)言接口供用戶進(jìn)行軟件前后處理的開發(fā)[7-8]。本系統(tǒng)所采用的界面開發(fā)方式為先用RSG模塊創(chuàng)建簡(jiǎn)單的基本界面，再使用Abaqus GUI工具包在基本界面上進(jìn)行修改、調(diào)整，增加RSG模塊缺少的控件。采用這種方式創(chuàng)建界面，可以在滿足開發(fā)需求的基礎(chǔ)上，充分利用已有資源，節(jié)省開發(fā)時(shí)間。

2 壓型件成形過(guò)程模擬系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)模擬的壓型件成形過(guò)程如圖1所示，凸模1和凸模2存在相互移動(dòng)，凹模亦然。如果凹模1固定，則凸模1施加-y向的力壓住板料，凸模2施加-y向位移，板料進(jìn)行拉延過(guò)程，凹模2施加+y向力，對(duì)板料施加壓邊力。

圖1 成形過(guò)程模型圖

本文在總結(jié)壓型件成形的基礎(chǔ)上，將成形過(guò)程的參數(shù)分為3個(gè)部分：板料定義模塊、模具定義模塊、分析參數(shù)設(shè)置模塊。板料定義模塊包含了板料模型的導(dǎo)入、網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置及材料的設(shè)置。模具定義模塊包含了模具模型的導(dǎo)入及網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置，因?yàn)樵诜治鲋?，需將模具設(shè)置成為剛體部件，故不需設(shè)置模具的材料參數(shù)。但是模具定義模塊增加了模具邊界條件設(shè)置，包含了模具運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)位移的設(shè)置。分析參數(shù)設(shè)置模塊可以設(shè)置摩擦系數(shù)的大小以及分析步長(zhǎng)，系統(tǒng)整體框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)界面開發(fā)框架設(shè)計(jì)

在Abaqus軟件中，系統(tǒng)入口加載到Plug-ins菜單欄下的Forming子菜單，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)及子菜單入口

2.2 前處理界面開發(fā)

基于Python語(yǔ)言設(shè)計(jì)了壓型件成形過(guò)程的有限元建模界面，前處理界面如圖4所示。將每個(gè)模塊內(nèi)容放在同一個(gè)標(biāo)簽頁(yè)里，便于使用者理解，操作方便。圖4(a)為板料定義模塊，可以在該界面上導(dǎo)入板料模型，設(shè)置板料網(wǎng)格參數(shù)、板料材料參數(shù)、完成板料的定義操作；圖4(b)為模具定義模塊，可以在該模塊下導(dǎo)入模具模型，設(shè)置模具的移動(dòng)方向以及移動(dòng)距離等邊界條件參數(shù)，設(shè)置模具的網(wǎng)格參數(shù)。圖4(c)為分析參數(shù)設(shè)置模塊，可以在標(biāo)簽下輸入分析步參數(shù)、摩擦系數(shù)、作業(yè)名稱等有關(guān)分析的參數(shù)。

圖4 前處理界面

用戶可以在界面中輸入相應(yīng)的參數(shù)值，并確定界面中的參數(shù)，執(zhí)行該界面下的內(nèi)核程序，完成導(dǎo)入模型、裝配模型、劃分網(wǎng)格、定義相互作用、創(chuàng)建作業(yè)并提交等操作，簡(jiǎn)化了在Abaqus主界面中建立該模型的操作過(guò)程，簡(jiǎn)單快捷，節(jié)省了大量建模時(shí)間。

2.3 后處理界面開發(fā)

基于Python語(yǔ)言設(shè)計(jì)了壓型件成形過(guò)程的有限元建模界面，后處理界面如圖5所示?？梢栽诮缑嬷写蜷_odb文件，選擇需要的云圖類型，點(diǎn)擊Apply顯示云圖，點(diǎn)擊Print Picture輸出云圖的圖片。

圖5 后處理界面

3 小彎梁成形實(shí)例

小彎梁為軌道車輛壓型件中的典型結(jié)構(gòu)件，其厚度為2mm，截面為帽形，高為70mm，寬為94mm。小彎梁成形大致可分為兩個(gè)過(guò)程，先壓彎，再壓延成形。在實(shí)際成形過(guò)程中，在兩端側(cè)壁處易發(fā)生破裂現(xiàn)象，小彎梁的零件模型如圖6所示。本文選取小彎梁模型為例，驗(yàn)證本文所開發(fā)界面的實(shí)用性。

圖6 小彎梁零件模型

3.1 小彎梁有限元模型參數(shù)

小彎梁板料模型為采用一步逆法進(jìn)行展開計(jì)算的板料模型，采用一步逆法可以得到較為精確的下料尺寸，從而得到較好的成形零件尺寸。板料材料模型選用Q345鋼，彈性模量為206GPa，泊松比為0.28，密度為7850kg/m3。

Q345材料的塑性曲線以及FLD曲線如圖7所示。

圖7 Q345鋼的塑性曲線和FLD曲線

板料和模具模型的網(wǎng)格設(shè)置為四邊形網(wǎng)格(QUAD)，板料全局種子尺寸為3mm，模具全局種子尺寸為4mm。模型裝配如圖8所示。在本例中，固定部件為凹模1，成形方向?yàn)閦向；移動(dòng)部件為凸模2，第一階段為-45mm，第二階段為-62mm(即-z向45mm和-z向62mm)。加載部件1為凸模1，在分析步1加載，加載力約為-180000N，加載部件2為凹模2，在分析步2加載，加載力約為7000N。

圖8 小彎梁裝配模型

分析步設(shè)置為2步，第1步時(shí)長(zhǎng)為0.006s，第2步時(shí)長(zhǎng)為0.008s，摩擦系數(shù)設(shè)為0.1。設(shè)置作業(yè)名稱，完成有限元模型建立的參數(shù)輸入過(guò)程，確定所輸參數(shù)無(wú)誤后，將參數(shù)提交到內(nèi)核程序，完成有限元模型的建立過(guò)程。

3.2 小彎梁成形結(jié)果

將建立好的模型提交到Abaqus/Explicit求解器進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求。圖9為小彎梁成形結(jié)果的厚度云圖和FLD云圖，最小厚度為1.679mm，減薄率為16.05%，成形極限最大為0.7162，未超過(guò)1，所以本例屬安全成形，且減薄區(qū)域與實(shí)際相符。

圖9 小彎梁成形結(jié)果

3.3 討論

在本算例中，因模具大體有6部分，需分別定義每部分模具與板料的接觸對(duì)，共需定義6對(duì)接觸對(duì)，并且材料設(shè)置、邊界設(shè)置等也較為復(fù)雜。在Abaqus傳統(tǒng)界面中定義這些內(nèi)容需耗費(fèi)30～60min，且人為定義，接觸對(duì)易出錯(cuò)。本算例采用本文開發(fā)的系統(tǒng)界面定義了前處理過(guò)程，僅需10min輸入前處理所需參數(shù)，即可完成本算例的前處理過(guò)程，不僅節(jié)省了建立有限元模型的時(shí)間，而且避免了人為操作的失誤。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用Python語(yǔ)言對(duì)Abaqus進(jìn)行GUI二次開發(fā)，開發(fā)自動(dòng)成形有限元模型建立過(guò)程功能的GUI界面，簡(jiǎn)化通用軟件建立小彎梁成形有限元模型的過(guò)程，方便用戶快速地建立有限元模型，節(jié)省了建模時(shí)間，并以小彎梁成形有限元建模過(guò)程為例，將小彎梁的仿真參數(shù)輸入到界面中，自動(dòng)完成小彎梁成形有限元模型的建立。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證后，求解器計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際相符，故本文所開發(fā)的系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性。