基于Abaqus的轨道车辆压型件成形模拟系统开发

鲁万彪，李树栋,，童娟，王雯，樊胜宝 ，鲍益东

(1. 中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031；2. 南京航空航天大学，江苏 南京 210016)

0 引言

轨道车辆的结构件大多为压型件，因其尺寸大、板料厚等特点，易发生起皱、回弹等成形缺陷，且零件的成形较为困难[1]，需采用合理的成形工艺保证成形质量。鲁万彪等人[2]通过研究不同下料尺寸对小弯梁成形结果的影响，以保证小弯梁成形质量。

传统的工艺过程制定依赖于工艺人员的经验，若采用试模法优化工艺过程，需耗费大量的时间和成本。随着有限元方法逐渐成熟，学者们开始采用有限元方法对成形过程进行分析、优化，节省了试模成本。谢秉顺等人[3]模拟了小弯梁的成形过程，预测小弯梁的成形特性。栾小东等人[4]利用Abaqus软件对小弯梁进行数值模拟优化。

在进行压型件成形过程的数值模拟时，软件操作比较繁琐且步骤单一，而且需要操作人员对所操作软件有一定的使用基础。Abaqus软件不仅拥有很强的通用性，还有很好的扩展性。Abaqus提供了多种开发方式，用户可以通过二次开发接口开发Abaqus前后处理功能，简化操作，节省建模时间。吴向东[5]、连昌伟等人[6]分别对板料成形模拟的前后处理进行了开发。

本文拟基于Python语言，以Abaqus为平台，开发压型件成形模拟系统。该系统可通过输入工艺参数自动建立压型件成形过程有限元模型，且GUI界面简洁易懂，方便用户快速地建立有限元模型，节省建模时间。本文将详细介绍该压型件成形模拟系统，并以小弯梁成形有限元建模过程为例，验证本系统的有效性与实用性。

1 基于Python的Abaqus GUI二次开发

Abaqus提供了Python语言接口供用户进行软件前后处理的开发[7-8]。本系统所采用的界面开发方式为先用RSG模块创建简单的基本界面，再使用Abaqus GUI工具包在基本界面上进行修改、调整，增加RSG模块缺少的控件。采用这种方式创建界面，可以在满足开发需求的基础上，充分利用已有资源，节省开发时间。

2 压型件成形过程模拟系统开发

2.1 系统总体框架设计

本系统模拟的压型件成形过程如图1所示，凸模1和凸模2存在相互移动，凹模亦然。如果凹模1固定，则凸模1施加-y向的力压住板料，凸模2施加-y向位移，板料进行拉延过程，凹模2施加+y向力，对板料施加压边力。

图1 成形过程模型图

本文在总结压型件成形的基础上，将成形过程的参数分为3个部分：板料定义模块、模具定义模块、分析参数设置模块。板料定义模块包含了板料模型的导入、网格参数的设置及材料的设置。模具定义模块包含了模具模型的导入及网格参数的设置，因为在分析中，需将模具设置成为刚体部件，故不需设置模具的材料参数。但是模具定义模块增加了模具边界条件设置，包含了模具运动方向、运动位移的设置。分析参数设置模块可以设置摩擦系数的大小以及分析步长，系统整体框架如图2所示。

图2 系统界面开发框架设计

在Abaqus软件中，系统入口加载到Plug-ins菜单栏下的Forming子菜单，如图3所示。

图3 系统及子菜单入口

2.2 前处理界面开发

基于Python语言设计了压型件成形过程的有限元建模界面，前处理界面如图4所示。将每个模块内容放在同一个标签页里，便于使用者理解，操作方便。图4(a)为板料定义模块，可以在该界面上导入板料模型，设置板料网格参数、板料材料参数、完成板料的定义操作；图4(b)为模具定义模块，可以在该模块下导入模具模型，设置模具的移动方向以及移动距离等边界条件参数，设置模具的网格参数。图4(c)为分析参数设置模块，可以在标签下输入分析步参数、摩擦系数、作业名称等有关分析的参数。

图4 前处理界面

用户可以在界面中输入相应的参数值，并确定界面中的参数，执行该界面下的内核程序，完成导入模型、装配模型、划分网格、定义相互作用、创建作业并提交等操作，简化了在Abaqus主界面中建立该模型的操作过程，简单快捷，节省了大量建模时间。

2.3 后处理界面开发

基于Python语言设计了压型件成形过程的有限元建模界面，后处理界面如图5所示。可以在界面中打开odb文件，选择需要的云图类型，点击Apply显示云图，点击Print Picture输出云图的图片。

图5 后处理界面

3 小弯梁成形实例

小弯梁为轨道车辆压型件中的典型结构件，其厚度为2mm，截面为帽形，高为70mm，宽为94mm。小弯梁成形大致可分为两个过程，先压弯，再压延成形。在实际成形过程中，在两端侧壁处易发生破裂现象，小弯梁的零件模型如图6所示。本文选取小弯梁模型为例，验证本文所开发界面的实用性。

图6 小弯梁零件模型

3.1 小弯梁有限元模型参数

小弯梁板料模型为采用一步逆法进行展开计算的板料模型，采用一步逆法可以得到较为精确的下料尺寸，从而得到较好的成形零件尺寸。板料材料模型选用Q345钢，弹性模量为206GPa，泊松比为0.28，密度为7850kg/m3。

Q345材料的塑性曲线以及FLD曲线如图7所示。

图7 Q345钢的塑性曲线和FLD曲线

板料和模具模型的网格设置为四边形网格(QUAD)，板料全局种子尺寸为3mm，模具全局种子尺寸为4mm。模型装配如图8所示。在本例中，固定部件为凹模1，成形方向为z向；移动部件为凸模2，第一阶段为-45mm，第二阶段为-62mm(即-z向45mm和-z向62mm)。加载部件1为凸模1，在分析步1加载，加载力约为-180000N，加载部件2为凹模2，在分析步2加载，加载力约为7000N。

图8 小弯梁装配模型

分析步设置为2步，第1步时长为0.006s，第2步时长为0.008s，摩擦系数设为0.1。设置作业名称，完成有限元模型建立的参数输入过程，确定所输参数无误后，将参数提交到内核程序，完成有限元模型的建立过程。

3.2 小弯梁成形结果

将建立好的模型提交到Abaqus/Explicit求解器进行计算，所得结果基本符合设计要求。图9为小弯梁成形结果的厚度云图和FLD云图，最小厚度为1.679mm，减薄率为16.05%，成形极限最大为0.7162，未超过1，所以本例属安全成形，且减薄区域与实际相符。

图9 小弯梁成形结果

3.3 讨论

在本算例中，因模具大体有6部分，需分别定义每部分模具与板料的接触对，共需定义6对接触对，并且材料设置、边界设置等也较为复杂。在Abaqus传统界面中定义这些内容需耗费30～60min，且人为定义，接触对易出错。本算例采用本文开发的系统界面定义了前处理过程，仅需10min输入前处理所需参数，即可完成本算例的前处理过程，不仅节省了建立有限元模型的时间，而且避免了人为操作的失误。

4 结语

本文利用Python语言对Abaqus进行GUI二次开发，开发自动成形有限元模型建立过程功能的GUI界面，简化通用软件建立小弯梁成形有限元模型的过程，方便用户快速地建立有限元模型，节省了建模时间，并以小弯梁成形有限元建模过程为例，将小弯梁的仿真参数输入到界面中，自动完成小弯梁成形有限元模型的建立。经实例验证后，求解器计算的结果与实际相符，故本文所开发的系统具有一定的实用性。