基于ABAQUS二次开发的参数化型材拉弯前处理模块研究

张梦梦，陈泽中，朱欢欢，王水苗

（1.上海工程技术大学，上海 200437；2.上海理工大学，上海 200093；3.上汽大众有限公司，上海 201805）

0 引言

拉弯成形工艺以其制品精度高、表面质量好而在汽车和航空工业中得到越来越广泛的应用[1]。作为一种几何、材料、边界非线性的金属塑性成形工艺，在成形过程中容易出现诸如截面畸变、壁厚减薄、和回弹超差等缺陷。随着计算机技术的进步，在拉弯工艺开发过程中，有限元分析方法得到了广泛的应用，通过仿真研究不同截面特征、工艺参数、柆弯加载方式与加载轨迹设计等因素对拉弯成形质量的影响[2，3]等。

ABAQUS以善于求解复杂问题和非线性分析而被广泛使用。ABAQUS同时也提供了二次开发接口，供用户进行高层次的定制化建模分析。陈飞[4]等基于ABAQUS二次开发研究了喷丸工艺的前后处理过程，杨合[5]等基于ABAQUS开发了数控弯管前后处理模块。

运用ABAQUS模拟柆弯工艺成形过程时，但其前后处理的设定较为复杂，涉及定义截面特征、边界条件处理、夹钳加载轨迹设计定义及实现等，非熟练人员较难掌握。同时在进行拉弯工艺设计及模具开发时需要经常调整模型，寻找合适的模具结构和工艺参数组合，花费较多人力物力。本文基于ABAQUS软件平台，开发参数化变曲率型材拉弯前处理模块，完成基于截面特征、曲率特征和工艺参数组合的自动化前处理建模工作。用户可以通过专用模块GUI界面，输入零件几何参数和关键工艺参数，自动完成其有限元模拟前处理建模并提交分析，从而规避复杂设置、避免失误、提高效率。

1 拉弯工艺与有限元分析模型

1.1 拉弯工艺

根据柆弯设备不同，可以分为转台式柆弯与张臂式柆弯。本文选用常用的张臂式柆弯工艺[6]。根据加载的不方式不同，也可以分为多种形式，现选择最为常用的先预拉伸后弯曲再补拉伸（PMP法），并采用位移加载控制方式，如图1所示。

图1 PMP法示意图

同时，柆弯工艺模拟采用准静态分析方法，运用质量放大技术与能量平衡，通过ABAQUS/Explicit显示动力学分析模块对慢速运动进行显示动态分析来模拟静态问题。

1.2 基于不同截面特征建立型材柆弯有限元模型

基于如图2所示四种确定的特征截面，通过参数化建模原理，实现不同截面尺寸和变曲率的型材部件、模具以及夹钳部件的参数化建模，并自动完成装配、赋值材料属性、设定分析步与接触、划分网格、设置加载曲线与边界条件等前处理操作，完成有限元分析模型搭建。

图2 参数化建模模型

2 ABAQUS二次开发与GUI设计

2.1 ABAQUS二次开发

ABAQUS软件为用户提供了二次开发接口（Abaqus Scripting Interface）及众多库函数，用户可以通过API接口编写内核及GUI插件程序，开发出适用于某一专门领域的函数、模块和界面[7]等。ABAQUS/CAE与内核脚本以及GUI界面的关系如图3所示。用户可以通过GUI窗口、命令行及脚本接口进行输入，送至ABAQUS/CAE内核中执行并转换为inp文件后，送到求解器中进行分析，最后输出ODB文件，进行各种后处理工作。

图3 ABAQUS/CAE与内核及GUI关系图

2.2 参数化型材柆弯前处理模块GUI设计

通过ABAQUS的RSG（Really Simple GUI）对话框构造器完成界面设计。考虑柆弯工艺的实际开发过程，根据型材柆弯前处理模块功能需求，设计建立如图4所示的参数化型材柆弯前处理模块GUI。

图4 参数化型材柆弯前处理模块GUI界面

使用该GUI完成有限元分析前处理建模的步骤如图5所示。选择截面的类型并输依次入截面参数、引导线参数、柆弯工艺参数（预拉量、补拉量以及摩擦系数）、材料属性以及各分析步时间参数。

图5 参数化型材柆弯前处理模块GUI流程图

所有参数输入完毕后，通过ABAQUS脚本接口，提交给ABAQUS内核自动进行前处理建模操作，并提交进行分析计算。

2.3 内核脚本及与GUI连接

ABAQUS的RSG对话框构造器需要开发者定义GUI连接函数，实现GUI与内核脚本函数的联系。在进行RSG构造器操作后生成的moduleNameDB.py文件中，连接对话框与内核脚本函数的连接函数定义如下：

moduleName.functionName(key1=val1，val2，……)

其中，key为GUI界面中定义的关键字，val为自定义内核脚本函数形参数。

2.4 内核开发

完成参数化型材柆弯前处理模块GUI设计后，需要继续基于ABAQUS/Python开发环境编写内核脚本程序，作为GUI后台程序运行。

内核脚本在形式上以基于Python语言格式的函数形式出现，函数中的形参取自GUI界面各个控件中所定义的关键字。内核脚本函数名为Create_Cross_Section，定义如下：

其中各个形参的含义可参照型材拉弯专用前处理模块GUI界面图片显示。如图6所示，所编写内核脚本分别对应ABAQUS/CAE环境8种模块，执行对应建模命令，生成相应参数化有限元模型。

图6 参数化型材柆弯前处理模块内核脚本程序结构图

3 关键技术说明

3.1 参数化建模

根据拉弯有限元建模要求，参数化建立3个部件实例，分别为：型材坯料、模具和夹钳。提取不同部件各自几何特征，根据内核脚步函数定义的形参，进行特征参数赋值，生成3D部件。以T形截面型材柆弯模3D造型为例。

如图7所示为T形截面型材拉弯模示意图和尺寸计算简图。型材为变曲率弯曲件，弯曲段1曲率半径为R1，水平方向长度为L1，弯曲段2曲率半径为R2，弯曲段总长度为L，数值来自于GUI的形参赋值。由几何知识可得P1、Point Die-T1、Point Die-T2等点坐标。进而得出参数化截面与引导线。

图7 T形截面型材拉弯模具尺寸计算简图

在内核脚本中通过下列程序实现：

通过上述程序，通过调用数学计算模块，参数化计算并建立了截面草图为s，路径为s1，采用内核扫略命令构建了名为Part_Die的T型柆弯模具。

其他截面的柆弯部件参数化建立方法同上述类似。

3.2 提取装配体关键几何特征

建立ABAQUS有限元分析模型的边界条件、相互作用及网格划分等操作时，需要指定各个部件不同的几何特征，并将他们定义为这些模块的region参数。

本文在前处理参数化建模程序中，通过调用内核脚本中的findAt方法来查找装配体各部件的关键几何特征来构建region，findAt方法的参数为相应几何特征上的点的坐标。因此准确识别关键几何特征的前提是确定各个关键点的坐标。因此通过计算各个点的坐标值从而实现参数化选择region。如图8所示，为建立T形截面型材拉弯装配体中三个部件region时所需的关键点示意图。

图8 T形截面装配体部件关键几何特征示意图

按照给定的函数形参值计算来得到以上各点的坐标。部分参数化程序如下所示。

需要建立的区域（region），包括如下部分：

1）建立坯料实例上的顶点（Vertex）的SET集合，用于辅助测量后处理过程中回弹值。

2）建立装配体中三个部件实例的各个边（Edge）的SET集合，用于建立边界条件和划分网格时使用。

3）建立装配体中三个部件实例所有面的集合（SET）用于划分这些部件实例的网格。

4）建立型材坯料部件实例和夹钳部件实例的用于绑定约束的面的集合。其部分参数化程序如下所示。

4 变曲率拉弯工艺夹钳加载轨迹的确定

4.1 夹钳加载轨迹设计及计算

型材拉弯过程中，能否给夹钳参考点设计准确的加载轨迹直接关系到拉弯成形工艺设计是否成功[8]。不同于常规仿真通常仅进行简单的等曲率柆弯模拟，该参数化前处理模块可以进行变曲率拉伸弯曲工艺模拟。采用位移加载方式并考虑夹钳加载轨迹计算结果能够直接用于参数化计算ABAQUS幅值曲线数据对，以实现对夹钳加载轨迹的参数化控制。因此以柆弯动作前，夹钳参考点的起点作为坐标零点，对夹钳的加载轨迹进行重新计算。变曲率拉弯弯曲夹钳参考点运动轨迹设计及计算简图如图9所示。

图9 变曲率拉弯夹钳加载轨迹计算简图

图9中共建立三个坐标系，分别为坐标系X0K0Y0、XK1Y、X1K2Y1，坐标原点分别选择为K0、K1、K2，其中K0为柆弯动作前夹钳参考点所在位置。基于坐标系X0K0Y0，夹钳参考点的加载轨迹计算如式(1)～式(3)所示。

1）当型材在弯曲模第一部分进行曲率半径为R1的等曲率弯曲时，夹钳参考点K的实时坐标为：

2）当型材在弯曲模第二部分进行曲率半径为R2的等曲率弯曲时，夹钳参考点K的实时坐标为：

3）当型材在补拉伸操作时，夹钳参考点K的实时标为：

4.2 幅值曲线

在ABAQUS建模过程中，通过在边界条件设置中为夹钳参考点自由度设定幅值曲线来实现控制夹钳的加载轨迹，在不同的分析步中所需加载的幅值曲线也不相同。

在本参数化前处理模块中需要建立7条幅值曲线，命名为Amp-0X、Amp-1X、Amp-2X、Amp-1Y、Amp-2Y、Amp-1UR和Amp-2UR，分别控制夹钳参考点U1方向自由度（Step_1分析步）、U1方向自由度（Step_2分析步）、U1方向自由度（Step_3分析步）、U2方向自由度（Step_2分析步）、U2方向自由度（Step_3分析步）、UR3转动自由度（Step_2分析步）、UR3转动自由度（Step_3分析步）。

ABAQUS中幅值曲线是由一系列时间-位移元组数据组成，每一个元组元素都是一个点对。式(1)～式(3)建立起了符合ABAQUS边界条件中对夹钳参考点进行位移加载时的理论公式，为在ABAQUS内核脚本中通过编程构建幅值曲线奠定了理论基础。将上述公式按照ABAQUS/Python软件编程规范进行调整即可构成幅值曲线程序的主体。

5 使用验证

通过通过GUI界面，设定相关参数并输入，构建一个符合分析要求的有限元模型，以验证参数化型材柆弯前处理模块的可用性。参数设定如下：选择矩形截面类型，型材坯料及所要成形零件的各尺寸：L0=220mm、L=200mm、L1=150mm、R1=1000mm、R2=100mm、Width=16mm、Height=8mm、Thickness=1mm。摩擦系数设定为0.1；预拉量与补拉量分别为0.8、1.0；材料选择Aluminum；分析步时间设定为0.1、0.3和0.1。打开模块GUI并输入参数。

如图10(a)所示，输入参数并点击GUI界面OK按钮，自动提交求脚本后台定义求解器进行建模并分析。如图10(b)为该模块构建的矩形截面柆弯3D装配模型。如图10(c)所示，为所提交任务分析完成后，后处理显示的矩形截面型材拉弯过程中的等效屈服应力云图。

图10 矩形截面柆弯参数化模型

验证表明该模块功能定义及程序设计良好，能够实现设计的意图，证明了该模块各功能的可用性。

6 结语

1）基于ABAQUS平台二次开发了参数化型材拉弯前处理模块，设计了该模块专用GUI界面，并对若干关键技术进行了研究。实现针对若干种截面变曲率型材拉弯工艺的参数化有限元前处理建模操作。

2）基于建立ABAQUS幅值曲线实际要求，理论推导了变曲率拉弯夹钳加载轨迹公式，通过对程序化公式所得的数据，可直接用于幅值曲线时间位移数据对。

3）运用ABAQUS/Python语言开发了型材拉弯专用模块内核脚本程序，并对参数化设计，关键几何特征提取等方法在ABAQUS各模块的应用进行了分析与探讨。

4）给定参数进行建模验证，运用模块GUI界面完成参数化前处理建模。测试结果表明模块功能定义及程序设计良好。