1 背景

随着汽车行业的发展，消费者对汽车的噪声要求越来越高。薄壁件振动是噪声的来源之一，为了降低噪声，需要对薄壁件进行面刚度计算。然而面刚度计算中前后处理工作流程繁琐，尤其是测点较多时，人工处理将耗费大量时间和精力。借助 ABAQUS 的二次开发平台，可以对固定前后处理流程进行二次开发，以协助工程师准确高效地完成各类仿真工作。因此，基于 ABAQUS 的二次开发广泛应用于各类仿真开发中。

 

本文主要介绍了 ABAQUS 二次开发在面刚度仿真中的应用，详细介绍了前后处理界面设置，以及具体实现的逻辑流程。

 

2 Abaqus 二次开发原理

Abaqus 是目前国际公认的大型通用有限元软件之一，具有清晰友好的用户界面以及开放的开发平台[1]。Python 语言是一种动态解释型编程语言，简单易学，可移植性强，支持面向对象编程，也是 Abaqus 软件的标准设计语言。Abaqus 为用户提供了基于 Python 语言的脚本接口。Abaqus 继承并增加了 500 多个新的 Python 类模型，新增的类模型总体上分为三类，分别为 Session 类、Mdb 类以及 Odb 类，分别对应视图、模型数据库和计算结果数据库三类对象。通过调用类模型可以绕过 Abaqus/CAE 界面，直接操纵 Abaqus 的内核程序。

 

Abaqus 脚本接口可以通过以下多种方式与 Abaqus/CAE 内核程序进行交互（如图 1 所示）。图形用户界面、主窗口下部命令交互界面（commandline interface，即 CLI）、执行脚本文件（script）。

 

 

图 1 命令流与 Abaqus/CAE 内核关系图

 

实现二次开发主要有两种途径：创建插件程序或者自定义 GUI 应用程序。插件程序是Abaqus 图形界面程序开发中较为简单的一类，适用于界面简单、功能单一的程序开发。自定义 GUI 应用程序适用于复杂系统开发。本文涉及的参数比较少，采用插件程序开发足以满足前后处理需求，故采用插件程序开发

 

3 Abaqus 二次开发在面刚度仿真中的应用

3.1 面刚度前后处理中主要工作

进行面刚度计算，第一步先进行模态计算，然后进行面刚度计算。具体每个面刚度分析步的建立流程如下：1.建立 modal dynamic 分析步；2.在对象点上建立局部坐标，局部坐标的 Z 向为平面的法向；3.在对象点上加载单位载荷，方向为 z 向；4.设置对象点的 history 输出；5.对象点关联到局部坐标系。在后处理中，需要将每个对象点的 history 计算结果从结果文件中输出，进行处理计算，并绘制刚度曲线。面刚度计算前后处理过程设置繁琐，如果需要计算刚度的点较多时，前后处理工作将花费大量时间，如图 2 所示。

 

 

图 2 局部坐标系示意图

 

3.2 插件程序实现

面刚度自动化化设计插件程序包括 3 个 Python 文件：（1）注册文件：facestiff_Plugin.py；（2）图形界面文件：facestiff DB.py；（3）内核文件：facestiff.py。注册文件包含了关键字和功能组件注册，以及数据的合法性检查及警告[6]。图形界面文件作用是定义图形界面的框架、各类控件，并关联控件的执行目标、执行动作等。面刚度插件程序图形界面对话框如图 3 所示。

 

 

图 3 面刚度插件程序图形界面对话框

 

内核文件是参数化插件程序开发的核心文件。用户在 Abaqus 界面内的所有操作都将转化为内核指令，通过这些指令完成前后处理工作。编写内核程序的作用是替代一系列复杂的前后处理操作，提高效率。前处理主要使用 Mdb 模型数据库对象，通过它实现面刚度前处理中载荷的施加、输出定义等有限元建模工作。后处理主要使用 Odb 结果数据库对象，进行后处理中数据导出工作。

 

3.2.1 前处理功能程序脚本实现

在自动化流程前，我们先要做好模型的预处理，包括网格划分、连接建立、边界约束等。将需要进行面刚度计算的节点建立节点集 set-C。

 

前处理首先读入节点集 set-C，然后调用 For…in…循环遍历节点集，对每一个节点建立分析步、建立局部坐标、基于局部坐标加载单位载荷并设置输出。详细流程如图 4 所示。

 

 

图 4 前处理流程图

 

其中建立分析步、加载单位载荷以及输出设置等步骤，可以在界面直接实现，因此可以通过先在 Abaqus 界面手动操作，其 Abaqus.rpy 文件有建模过程留下的内核程序记录，然后复制，最后作出一定改动的方式实现。

 

但由于建立局部坐标系，需要手动随机选择表面上不在同一直线上的三点生成，因此无法直接通过上述修改内核程序方式完成代码。设计查找算法如下：查找目标节点邻近的elementFace（体网格的表面网格），根据查找到的 elementFace 查找关联的网格，由于表面的elementFace仅关联一个网格，所以关联网格数量为1的elementFace即为表面elementFace。查找表面 elementFace 的关联节点，即为目标节点的表面邻近节点。从中筛选处不共线的 3点，即可建立局部坐标系。具体流程如图 5 所示。

 

 

图 5 建立局部坐标系流程图

 

 

图 6 前处理输出

 

3.2.2 后处理功能程序脚本实现

计算完成后，读取 odb 结果，读取节点集 set-C，然后调用 For…in…循环遍历节点集，每个节点读取位移计算结果，并计算刚度并输出计算结果，以上步骤通过代码在 abaqus 中实现。由于 abaqus 自带 python 无绘图?？?，因此绘图功能通过普通的 python 绘图包构建，并打包成 exe 执行文件。通过在流程中调用绘图的 exe 文件，实现绘图功能。后处理流程如图 7 所示。

 

 

图 7 后处理流程图

 

 

图 8 后处理输出

 

4 进气歧管面刚度优化计算

4.1 进气歧管模态计算

首先进行进气歧管模态计算。进气歧管和支架网格采用 3mm 二阶四面体网格，在螺栓孔位置使用 rbe2 单元连接，歧管上中下片之间摩擦焊位置使用 tie 方式连接，和缸体固定连接的螺栓孔位置全约束。节气门处使用简化实体模型，节气门分成 4 块赋材料属性，通过调节各块的密度数据，调整其质量质心位置与实际一致，进气歧管模型如图 9 所示。歧管材料为 PA66-GF30，节气门为，支架为，具体参数见表 1。

 

 

图 9 进气歧管模态仿真模型

 

表 1 进气歧管材料参数

 

 

 

 

图 10 进气歧管 1300Hz 附近模态振型

 

4.2 进气歧管面刚度计算

在模态计算的基础上进行面刚度计算，根据进气歧管模态的振型结果，和进气歧管结构特点，选择了稳压腔内部平面测点 1-3，和歧管表面测点 4-7，如图 11 所示。

 

 

图 11 进气歧管面刚度测点示意图

 

考虑模型主体材料为塑料，模型整体阻尼使用 0.15。面刚度计算结果如所示。稳压腔平面测点在 1300Hz 附近有明显的刚度谷值，需要加强。歧管表面测点在计算范围内并无明显谷值，但刚度水平明显低于其他测点，也建议加强。

 

 

图 12 进气歧管面刚度曲线图

 

4.3 优化方案结果说明

4.3.1 优化方案说明

针对进气歧管稳压腔平面和歧管位置刚度不足的问题，对原进气歧管进行了优化。稳压

腔位置增加和歧管外表面增加加强筋，如图 13 所示。

 

 

 

图 13 进气歧管优化方案说明

 

4.3.2 优化方案模态结果展示

从优化方案的模态计算结果来看，在 1300Hz 附近，稳压腔内的平面刚度有了明显改善，平面模态得到较好的优化。如图 14 所示。

 

 

 

 

图 14 进气歧管优化方案 1300Hz 附近模态振型

 

4.3.3 优化方案面刚度结果对比

将面刚度的结果输出，并绘制刚度曲线。在稳压腔测点位置，优化方案相对于原方案刚度水平有了明显提高；波谷位置由 1300Hz 转移为 220Hz 附近（220Hz 是歧管一阶整体模态），这是因为随着刚度增加，稳压腔平面的局部模态消失，其模态为歧管整体模态。歧管表面测点的动刚度也有了明显提升。如图 15 所示。

 

 

图 15 进气歧管面刚度曲线对比

 

4.4 台架试验验证

优化后的进气歧管在台架上进行噪声测试，测试结果可以明显看到发动机进气侧和顶面两处的测点位置 1300Hz 的噪声明显下降，优化方案有效。

 

 

优化前 优化后 优化前 优化后

（a）进气侧 （b）顶面

图 16 优化前后噪声对比

 

5 总结

1. 本文研究了 Abaqus/Python 二次开发技术在面刚度仿真前后处理中的应用，利用 Abaqus提供的脚本接口，将面刚度前处理和后处理流程以程序的方式替代，并在此基础上开发了 GUI 界面，方便快捷地输入需要关键的参数，程序便会自动生成面刚度分析步，导出模型，求解计算，并导出计算结果绘制曲线。利用二次开发的 Abaqus 进行面刚度仿真及优化工作时，可以减少重复操作，节约大量时间；

 

2. 本文针对某汽油机进气歧管面刚度进行了优化，优化后进气歧管稳压腔位置局部模态得到基本消失，稳压腔和歧管外壁面面刚度得到明显提升，台架试验中 1300Hz 附近的噪声得到明显改善。

 

资料来源：达索官方