基于Python的Abaqus二次开发在空间可展单簧片结构仿真分析中的应用
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摘要：针对不同型号簧片结构分析需重复进行建模和网格划分等工作的问题，基于python对abaqus的前后处理模块进行二次开发.通过增设特定的窗口和命令，形成专门针对空间可展单簧片结构分析的仿真模块和后处理程序.建立一套由几何参数和材料参数直接生成模型，可进行空间可展单簧片结构弯曲过程力学性能分析的系统.该系统为用户提供简单、快速的建模途径和自动化的后处理功能，使得空间可展单簧片结构的力学性能分析变得更加高效.
关键词：空间可展单簧片结构； 力学性能； 前处理； 后处理； 自动建模
中图分类号： TH135 文献标志码：B
Abstract：As to the repetitive work during the analysis of different types of tape spring structures， such as modeling， meshing， and so on， the secondary development is performed on preprocessing and postprocessing modules of Abaqus based on Python. Some specific windows and commands are added， and the special simulation module and postprocessing program are designed for the analysis of deployable simple tape spring space structure. The model is directly generated by geometric and material parameters and a system is built to analyze the mechanical properties of deployable simple tape spring space structure during bending. The simple rapid modeling and automatic postprocessing are offered for users by the system， which makes the mechanical property analysis of deployable simple tape spring space structure more effective.
Key words：deployable simple tape spring space structure； mechanical property； preprocessing； postprocessing； automatic modeling
0 引 言
随着空间可展开结构轻质、低功率消耗需求的进一步扩大，簧片式空间可展结构以其结构简单、自我驱动、展开可信度高以及自我锁定能力强等优点得到广泛应用.簧片式空间可展结构中的簧片是一种单层开口柱面壳，因其具有较大的长径比和径厚比，故容易发生屈曲而导致结构失效.簧片弯曲过程为非线性大变形问题，理论计算难度大.
国内外学者主要采用有限元软件Abaqus，ANSYS和一些自编软件对簧片式空间可展结构进行力学性能分析.其中，KWOK等[1]，SOYKASAP[2]，OYA等[3]，SEFFEN等[45]，GUINOT等[6]，魏玉卿等[7]，王俊等[8]和宣基灿等[9]采用Abaqus研究单簧片弯曲、展开和卷折过程中弯矩、位移的变化规律，并分析簧片厚度、截面圆心角对单簧片正反向弯曲过程中弯矩和应变能的影响；分析簧片式空间可展结构应用于太阳翼帆板的可行性，给出成本、弯矩刚度等评价指标.法国空间研究站的PELLERIN等[10]结合ANSYS和MATLAB进行簧片式空间可展结构的刚度和模态分析.HOFFAIT等[11]采用自编软件SAMCEF分析簧片式空间可展结构在扭转方向的力学性能.BOURGEOIS等[12]采用COMSOL和独立求解器BDF solver分析单簧片弯曲过程中的弯矩和抗弯反力.在Abaqus二次开发方面，黄霖[13]介绍Abaqus二次开发在双动拉深杯形件和汽车覆盖件2个实例中的应用.吴一雷等[14]借鉴应用商店的模式，并结合云计算，基于Web实现Abaqus二次开发程序的快速集成和.
从上述分析中可以看出，空间可展单簧片结构的力学性能分析对于提高结构的稳定性和可靠性具有重要作用.将有限元分析技术应用于簧片展开结构力学性能研究，可大大节约设计成本，提高工作的可靠性.但是，目前对于不同型号簧片结构的分析仍需要进行重复的建模和网格划分等繁琐的工作.为实现空间可展簧片结构的自动化建模，基于Python对Abaqus软件前后处理程序进行二次开发.相比其他软件，Abaqus软件以其能够驾驭非常庞大的结构和高度非线性问题在各个领域均得到广泛应用.[15]Python是面向对象的编程语言，并且能进行集成和封装[16]，这对于需要大规模数据处理的有限元前后处理应用显得尤为重要.本文所开发的程序能够准确、高效地实现空间可展单簧片结构的建模、网格划分和指定材料属性，提交作业后具有后处理分析功能，从而避免在进行空间可展簧片结构力学性能分析前后处理过程中的纯手工操作，节省大量时间和精力，提高工作效率.
1 Abaqus二次开发关键技术
1.1 Abaqus二次开发脚本工作原理
Python是针对Abaqus平台的二次开发语言，Abaqus二次开发接口可以实现Abaqus/CAE的全部功能.Abaqus二次开发脚本工作原理见图1.用户可以通过图形用户操作界面（Graphical User Interface，GUI）和二次开发脚本命令流执行命令.所有的命令必须通过Python翻译至Abaqus/CAE中执行，同时会生成后缀名为rpy的轨迹文件，接着Abaqus/CAE将所有的命令生成后缀名为inp的文件，再通过Abaqus求解器进行分析，生成后缀名为odb的结果文件，最后进行各种后处理，得到相应的变形云图和动画等.
1.2 Abaqus快速建模界面
当在Abaqus/CAE中建模需要多次输入参数和设置时，Python可以将自己的分析程序模块集成到Abaqus的通用环境中.用户可以在Abaqus中编写输入界面，从而简单方便地使用计算模块功能，提高建模效率.Abaqus建立GUI最方便的方式是采用插件程序，见图2.通过在对话框中添加不同功能的插件实现参数的输入.
2 单簧片弯曲过程前处理二次开发
基于Python对Abaqus前处理模块进行二次开发，完成包括建立单簧片的几何模型、材料参数、分析步设置、MPC单元、边界条件、网格设置和提交分析等一系列前处理工作.为使程序易于使用和方便操作，编写用户界面程序和Plugin程序.
编写程序的思路为：在CAE操作生成的rpy文件中设定参变量，然后将需要变化的坐标用变量进行代替，使得模型的建立随着输入参数的变化而变化.
2.1 单簧片几何模型的建立
簧片是一种开口圆柱壳结构，其中主要几何参数包括：厚度t，长度L，簧片截面圆心角θ1和截面半径R，其几何模型见图3.材料参数主要包括弹性模量E，泊松比ν和密度等，其值见表1.
簧片建模主要是3段壳体的建立和材料属性的赋予.首先，通过草图画出基座部分的圆弧，采用拉伸功能，完成基座部分簧片几何壳体的建立；接着，采用同样的方法，在上一步模型的基础上继续完成中部和另外基座部分簧片几何壳体的建立.
2.2 单簧片有限元模型的建立
假定将平面应用于簧片式空间可展结构中，在单簧片纯弯过程中，两端面上各点绕着面的形心进行转动，且保持原来的形状.在有限元建模中，将参照点设置在两端面的形心上，再采用MPC单元将面耦合在一起，见图4.分析步选取静态分析步，将涉及非线性增量分析的选项打开，添加自动稳定函数，设置保持默认即可.
有限元边界条件为：一端限制U1，U2和U3方向的移动以及UR2和UR3的转动，给定UR1方向角位移；另一端限制U1和U2方向的移动以及UR2和UR3的转动，给定大小相同、方向相反的UR1方向角位移，用以模拟纯弯曲.采用S4R5壳单元分析大位移小应变问题，最后提交作业分析.
2.3 快速前处理建模界面
将编写好的程序保存成后缀名为py的Python文件，并将其与GUI程序和Plugin程序一同放在Abaqus的安装文件夹中的Abaqus_plugins 目录下，进行注册使用.重新启动Abaqus软件， 进入Plugins菜单栏，会出现一个名为TapeSpring_Analysis的新菜单（见图5），点击进入就可以方便地进行簧片弯曲过程的快速建模.
点击TapeSpring_Analysis模块，进入快速建模对话框（见图6）.在对话框输入簧片的几何参数和材料参数，即可实现簧片纯弯曲过程的快速建模.
3 单簧片弯曲过程后处理二次开发
后处理程序可以使得后处理过程更加简单，减少重复劳动.空间可展单簧片结构的后处理主要是提取结构的最大应力和稳态弯矩.屈服会造成残余应力的出现，从而影响单簧片空间可展结构的驱动性能.要避免屈服现象，必须关注结构的最大应力.另外，单簧片空间可展结构展开过程是依靠弯矩进行驱动的，而稳态弯矩是衡量结构驱动性能的指标，因此单簧片结构弯曲的最大应力和稳态弯矩的结果对于簧片结构能否顺利展开并稳定具有重要作用.
3.1 单簧片的力学性能分析结果
针对L=90 mm，R=18 mm，θ=90°，t=0.2 mm，材料为灰铸铁的簧片进行快速建模分析.簧片发生纯弯曲之后的应力云图见图7，在簧片弯曲过程中，弯矩随着弯曲角度变化的过程见图8.当弯曲角度达到8～10°时，簧片发生屈曲，弯矩发生突降；屈曲后弯矩随着弯曲角度趋向稳定，即为稳态弯矩.
3.2 后处理二次开发
基于Python语言对Abaqus后处理模块进行二次开发，完成单簧片纯弯曲结果中最大应力和稳态弯矩的提取.循环搜索分析步的每一帧中的应力值，找到并输出最大应力及其所在单元，见图9.将分 析步中的最后一帧数据导出，提取参照点的弯矩值，即为稳态弯矩.
程序搜索到的最大应力为237.9 MPa，在Step 1分析步中第146帧的1111单元，位于簧片式展开结构的中部.簧片式展开结构的稳态弯矩位于Step 1分析步中最后一帧，其值为38.5 N・mm.
4 结 论
1）采用插件程序方式，实现空间可展单簧片结构的快速建模.在Plugins菜单栏建立TapeSpring_Analysis菜单，形成单簧片几何模型参数的人工交互界面，实现结构的快速几何建模和有限元建模.
2）基于Python语言对有限元软件Abaqus后处理进行二次开发，实现单簧片纯弯曲过程的力学性能分析，提取簧片结构的最大应力和稳态弯矩，为实现单簧片空间可展结构性能的尺寸优化奠定基础.
3）本文的快速建模和后处理可以推广到更多的工程项目中，从而进行系统化分析.
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