abaqus生成odb文件_【前沿技术】基于Python的ABAQUS二次开发在飞机蒙皮锤铆中的应用...

基于Python的ABAQUS

飞机上的二次开发

应用于蒙皮锤铆

在飞机皮革铆接技术中，锤铆接是在铆钉变形过程中积累一个小的冲击循环。根据锤铆接工艺和铆接枪的结构原理，铆钉的塑性变形是由铆接枪的活塞循环碰撞锤产生的。铆接枪活塞的冲击速度直接影响铆钉的变形。

国内外学者对飞机蒙皮铆接仿真技术进行了深入研究。Blanchot 等[1] 提出铆钉铆接3 有限元模型；Zhang 等[2] 使用ABAQUS 模拟压铆过程的软件；刘平等[3] 对压铆过程阶段进行划分和模拟分析；郭庆等[4]利用SolidWorks 和COSMOS 该软件研究了铆钉的应力集中系数；Manes 等[5] 和Atre 等[6] 研究了铆接件疲劳寿命的主要影响因素。应用有限元仿真技术对锤铆工艺的研究成果有限。Kadam[7] 和Bloxsom[8] 研究气动铆枪等气动冲击工具，模拟其工作原理，建立冲击工具的数学模型；Li 等[9] 建立了机器人铆接系统锤铆工艺的动力学模型，分析了铆钉的塑性变形；[10]等 利用ABAQUS 该软件对锤铆过程进行了仿真分析，其中，几十次初速加载采用手动操作，一次完整的铆钉变形分析，需要不断的数据导入，过程繁琐，分析效率低。

本文采用Python 脚本语言，对ABAQUS 软件二次开发建立了活塞初始速度连续加载锤铆自动模拟分析程序。锤铆分析过程可以通过调整初始速度、分析时间、冲击次数等输入参数自动完成，大大提高了锤铆分析过程的效率。与锤铆工艺试验的对比分析验证了模拟结果的正确性。

1.锤铆冲击系统的组成

根据锤铆工艺，可以简化锤铆冲击系统，如图1所示，冲击系统的冲击、铆钉和顶部3 部分紧密接触。压缩空气通过控制电磁阀的通断进入铆枪，产生活塞两端的压差，加速活塞的运动，达到最大的初始速度v0 当与冲击锤碰撞时，冲击锤获得动能，冲击铆钉变形，活塞往复移动，冲击锤不断冲击铆钉，以满足铆钉变形的要求。铆钉根据锤铆工艺变形，需要活塞几十次累积冲击。如图2所示 所示。

2.锤铆仿真程序二次开发

2.1 锤铆工艺分析

根据锤铆工艺，铆钉完成变形，需要活塞几十次的累计撞击，由于ABAQUS 每次分析只能在初始分析中进行(Initial)铆钉变形需要几十次手动迭代分析。即从第2 在第二次分析开始时，后续分析模型的初始状态是前一次的结果状态，需要手动处理和导入每次分析结果的数据。

针对上述手动迭代分析问题的不足，本文提出了一种基于锤铆工艺的自动计算软件方法。从第开始，建立一个冲击分析模型 从第二个开始，将前一个分析结果作为后一个分析的初始状态进行循环。 二次开发流程图。

2.2 软件开发基础

ABAQUS/CAE 脚本接口的前后处理是基于Python语言的扩展使用户能够直接与求解的核心交互，因此可以使用Python 用于运行分析任务的脚本自动化创建、重复和修改模型。ABAQUS 模型分析主要分为模型数据库mdb、结果数据库odb 界面元素和图形显示session，如图4 所示。

主要是在建模过程中mdb、session 在第二位操作 当第二次和后续冲击分析导入初始状态时，需要对odb操作文件，读取相关结果数据。

ABAQUS 用户在图形界面中的各种操作各种操作，并将其转换为Python 为二次开发带来便利的脚本程序。本文第一、二 按照上述思路和方法完成二次冲击分析的程序生成。

2.3 建立第1次冲击模型

锤铆过程为动态问题，采用锤铆过程ABAQUS/?Explicit 1/2 分析模型，建立锤铆有限元模型，如图5所示 所示。模型中的相关参数见表1。

第1 二次冲击建模的关键在于：

(1)尽量减少图形界面的选择。

在建模过程中，通过建立选择集，实现参数选择。选择集作为组件属性，将随着模型的引入而传递。表2显示了一些关键的选择集。

(2)重启设置。

只有在建立分析步骤时，重启设置才能在后续分析结果中导入数据。Python 语言如下：

m d b . m o d e l s [ ' M o d e l - 1 ' ] . s t e p s [ ' S t e p - 1 ' ] .

R e s t a r t ( n u m b e r I n t e r v a l s = 1 , o v e r l a y = O N ,?timeMarks=ON)

(3)接触类型。

在定义接触类型时，选择一般接触类型，否则不能在后续循环中传递。

2.4 建立第二次冲击模型

由于第1 第二冲击模型的建立应基于第一冲击、铆钉等部件的应力应变 二次冲击分析的结果数据，建模过程图6 所示。

同样采用ABAQUS/Explicit 建立第二个求解器 二次冲击分析模型。关键步骤如下：

(1)新模型是第一个 在第一次冲击分析模型的工程下 同级次分析模型。

(2)从第1号导入零件时 数据库的次分析结果odb导入文件。其中，零件名称应与第一名相匹配 二次分析中的部件名称相同，变形配置应选择导入变形后的构型 所示。

(3)复制对象时，选择材料、截面和相互作用属性，并从第1位选择 导入次分析模型。

(4)建立分析步骤时，还应设置重启动。

(5)定义输出，应与第1 定义相同的次分析模型。

(6)选择通用接触类型进行相互作用。

(7)通过定义预定义场的初始状态，输入第1 二次结果数据库中的应力应变数据。如表3所示 定义组件的初始状态。

(8)导入零件时，第1 在二次冲击分析中建立的选择集作为零件属性传输，在建模过程中，不能通过模型界面进行交互选择。

(9)建模完成后，新建任务(Job)进行分析。Job 名称应包含数字，便于循环，如：Job_rivet_002”。

2.5 建立循环程序

在第2 二次冲击分析后，应用Python 为了实现连续的自动建模和分析过程，脚本语言增加了循环。如图8所示 所示为锤铆自动仿真分析流程图。

编写自动程序的关键在于：

(1)部件导入和预定义场的初始状态输入Job 中导入。

(2)将对象复制到当前模型中。

(3)以变量命名新的分析步骤，如:Step_' str(i)”。

(4)新建Job 以变量命名，如：Job_Rivet_00' str(i)”。

如图9 所示为锤铆自动仿真分析循环部分程序。

对每次分析最后的提交程序进行修改，添加等待完成和保存命令。命令如下：

mdb.jobs['Job_Rivet_00' str(i)].submit()

mdb.jobs['Job_Rivet_00' str(i)].waitForComp-letion()

mdb.save()

3.锤铆模拟应用及试验

根据锤铆工艺，基于模拟程序进行模拟分析和锤铆试验，分析模拟和试验结果，验证模拟方法的正确性。

根据曲巍扭等[10]，气压为0.2~0.6MPa 时，活塞初速度vo 约为6~12m/s，本文以0.5MPa 时，活塞10m/s 锤铆模拟分析和工艺试验的初始速度。

根据 HB—Z 223.3—2003 标准，确定仿真和试验铆钉的合格性。铆钉头尺寸：

hmin=0.4d，D=(1.5±0.1)d。

3.1 锤铆模拟应用

根据锤铆工艺进行初步锤铆试验，采用冲击传感器采集锤铆工艺的冲击力。截取两个冲击数据进行分析，如图10所示 所示，基于MATLAB 软件分析获得一次冲击完成时间，即波峰发生时间约为(0.2722–0.2697)s=0.0025s。为了保证模拟分析中一次冲击的完成，确定一次冲击的分析时间t=0.0035s。

根据锤铆有限元分析模型，如图11所示 模型部分的输入参数如表4所示 所示。

运行程序，自动锤铆模拟，使建模分析过程自动运行，得到模拟结果。分析发现，当冲击次数达到25次时，铆钉墩的尺寸D=6.43mm，H=1.58mm，图12符合变形要求，铆接合格 所示为铆钉变形图。

3.2 锤铆工艺试验

铆接试验平台根据锤铆工艺，基于双三坐标机器人平台进行铆接试验，并示。

将铆枪输入气压调整至0.5MPa，通过调整铆钉时间，进行锤铆工艺试验，满足铆钉变形要求，收集锤铆冲击力。 通过分析收集到的锤铆冲击力0.5MPa 铆枪输入气压下，施铆时间为1.08s，锤铆次数达到25 次时。图15 为铆钉墩头成形图。

通过测量，施铆后镦头平均尺寸 D=6.39mm，H=1.62mm，铆钉变形达到要求，墩头合格。分析发现，相同气压时，在满足铆钉变形要求下，仿真和试验所得的冲击次数相同，验证了仿真分析方法的正确性。

4、结 论

(1)使用Python 对ABAQUS 前处理进行二次开发，建立锤铆铆接连续仿真程序，较手动迭代锤铆仿真过程，极大地降低了锤铆模拟过程的工作量。使得用户可以根据不同的输入参数进行调整分析。

(2)基于三坐标机器人试验平台进行了锤铆工艺试验，根据建立的仿真程序进行了仿真分析，分析仿真结果与试验结果，验证了仿真方法的正确性。

(3)通过对锤铆工艺仿真分析，得到在一定活塞初速度(输入气压)时，达到铆钉变形所需的冲击次数。为深入研究锤铆工艺提供高效的方法。

(4)本文提出了基于Python 脚本语言对ABAQUS二次开发的思路与过程，为循环加载及结果数据的导入等相关工程问题提供重要的借鉴与指导。

END

免责声明：本文引用自《航空制造技术》2018年第61卷第16期，作者陈彦海，秦运海，姜春英，康玉祥，叶长龙。文章著作权归作者所有，本公众号作为发布方，文章仅供参考阅读使用，且不承担因理解歧义带来的法律责任。如需参阅该论文所在期刊，请到正规渠道购买。

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