基于Abaqus的仿真模板的开发与应用

陶伟文　卜继玲　王京雁　曾晶晶　程海涛

摘要：开发基于Abaqus的列车抗侧滚扭杆装置仿真模板，将大量的有限元建模人工操作转化为软件自动完成，从而固化抗侧滚扭杆装置的仿真分析步骤及经验设置，降低计算结果的离散度。该技术解决通用有限元软件操作难度大的问题，降低仿真门槛，可以引导设计人员快速掌握常规项目的仿真业务，减少项目管理工作流程的流转环节，缩短项目开发周期。

关键词：列车；抗侧滚扭杆装置；仿真模板；流程化分析；有限元

中图分类号：U270.2 文献标志码：B

0引言

随着计算机技术的发展，有限元软件的应用也日趋普及。在设计初期用有限元软件对机械产品结构强度进行校核与分析，可以大大提高产品结构的合理性。对于减振降噪产品来说，前期强度校核分析已经成为设计开发过程中必不可少的工作环节。以抗侧滚扭杆装置为例（见图1），其在列车中与空气弹簧联合使用，用于解决车辆柔性系数和侧滚角大的问题，对车辆的垂向、横摆、点头、摇头及浮沉等振动不产生影响，只抑制车辆的侧滚振动；在承受高频率振动载荷时，也不会产生颤振。其主要工作原理为：当车体侧滚时，扭杆轴因承受扭矩而发生扭转变形，同时提供扭转反力矩来抵抗车体的侧滚。

抗侧滚扭杆装置的有限元建模过程需要借助HyperMesh和Abaqus这些仿真软件将产品结构离散成实体单元的有限元模型，但这些软件的使用对工程师要求较高，除专职仿真人员外仅有少数开发人员能熟练掌握，当有大量产品需要仿真分析的时候常常需要排队，软件利用率不高，其价值没有得到充分发挥。对于新用户来说，CAE软件手动操作的重复利用率不高，操作不当会存在模型收敛问题或报错，建模工作无法完成，查错过程所花费时间更多。因此，利用精益生产的思想与方法，将各类型扭杆的分析方法和分析经验流程化，将操作步骤固化，使有限元建模一次性成功是一项必要工作。这样不仅可以大大降低仿真分析工作的门槛，普及有限元软件的使用，而且可以提高常规项目的仿真分析效率。

为了实现以上目标，本文采用Python语言对Abaqus进行二次开发，对轨道车辆用抗侧滚扭杆装置进行模板定制开发。按照CAE建模操作流程设计友好交互界面，后台依次调用所需模块，产品设计人员只需按照固定的分析流程操作即可实现相应仿真模型的建立。仿真模板免去部分重复性手动操作，采用标准化步骤完成仿真模型，不仅节约单个模型的建模时间，而且易于收敛，可以迅速得到计算结果。仿真模板可实现企业仿真经验的积累与沉淀，规范仿真流程，减少分析结果离散度。除此之外，仿真模板还可大大降低仿真分析工作的门槛，普及有限元软件的使用，提高常规项目的仿真分析效率。总之，仿真模板的优点是缩短设计开发周期、提高研发效率、实现仿真工作的精益研发。

1模板开发

抗侧滚扭杆装置仿真经验包括常规结构仿真流程、网格处理流程、系统级产品过盈、接触高级应用技巧、疲劳分析流程、计算结果检查及仿真报告的编制，涉及HyperMesh，Abaqus和Fe-Safe等3个软件。将以上知识点全部进行模板化很难现实，比较合适的方案是针对大部分Abaqus操作进行二次开发，最大程度地降低模板的使用难度、固化CAE操作流程，提高模板的使用效率。Abaqus内核具有考虑材料、结构及几何非线性的强大功能，这已经在多个行业得到验证，且抗侧滚扭杆装置的强度分析结果与实验测试对比，计算精度可控，具有较好的扩展性能。

本文利用Isight调用Abaqus，将扭杆轴内孔尺寸参数化，对扭杆轴内孔尺寸与其强度的关系进行定量研究来解决这一问题。

1.1建立分析流程

根据抗侧滚扭杆装置结构开发3种模板，分别为直扭杆、弯扭杆、花键扭杆。考虑其安装方式，每种模板又分为球铰连接和锥销连接接口。针对前处理模型的处理方式，每种接口又分为快速分析流程和精细分析流程。快速分析流程适用于项目初期技术沟通阶段，可快速响应客户需求，有助于获得订单优先权；精细分析流程首先用HyperMesh完成网格模型，然后进入模板进行模型设置，适用于成熟产品或需要对结构细节进行详细分析的作业。最终总计形成12种前处理接口、1种后处理接口，涵盖大部分产品需求。仿真模板界面见图2。

模板实现标准件和几何模型的选择以及材料参数的自动赋予，通过勾选实体建立连接关系，自动建立分析步以及设置载荷，见图3。

1.2模板主要特征和特色功能

（1）中文向导式仿真流程定制。通过封装材料属性模块、网格划分模块、工况定义、参数定义、载荷定义、约束定义、结果提取、报告生成等分析流程，指导开发人员按照标准化步骤完成仿真模型的建立。

（2）实现模型数据传递与几何清理。利用Abaqus由CAD到CAE及各软件的数据接口，定制数据无缝输入输出接口，直接从设计部门的CAD模型中导入几何模型数据。模板可以自动清理几何模型自带部件的干涉、细小碎面、小边等影响建模的部分。

（3）实现常用工装的参数化建模与定位装配。利用Abaqus的草绘模块，参数化建立简易工装模型，并留有装配定位输入接口，简便易用。

（4）自动赋予各零部件材料参数。对各零部件进行默认命名后，模板自动完成材料参数的赋予。

（5）关键结构可实现六面体网格划分。对于关键受力部件扭杆轴，自动划分高质量六面体单元；对于几何拓扑结构复杂的零件，自动划分四面体单元；对所有单元进行网格质量检查。

（6）建立标准件库，可以持續积累和调用复杂结构的网格模型。模板针对复杂结构支撑座及扭转臂进行网格模型积累，形成标准件库。当借用成熟结构时，可以直接调用标准库网格。

（7）边界条件设置和自查功能。模板自动生成耦合加载面的加载点，可以直接输入不同工况下的载荷值；在默认固支区域施加固定约束；生成inp文件后自动检查作业。

（8）模板生成的作业通过检查后，可以远程提交到小型机进行计算。计算结果下载至本地后，打开后处理模块可以自动完成仿真结果云图的提取和部分报告的自动生成。endprint

2模板应用

2.1快速分析流程应用

快速分析流程的全部分析周期只需要半个工作日，可以高效准确地完成模型建立和计算，有助于迅速验证技术参数的合理性，提高商务沟通效率。以某弯扭杆（见图4）项目初期技术方案交流为例进行分析，以系统刚度为2.4 MN·m/rad为设计目标，对该弯扭杆结构的系统刚度和强度进行分析计算，并对比扭转臂有效长度225 mm和275 mm（以下分别简称结构1和结构2）的区别。

模板自动为弯扭杆赋予52CrMOV4材料参数，自动生成的网格模型见图5，弯扭杆六面体区域单元属性为C3D8R单元，四面体部分区域采用C3D4单元。

边界条件设置见图6。简化支撑球铰外表面施加固定约束；考虑关节轴承偏心距离，在弯扭杆锥销连接孔参考点施加垂向载荷以计算扭杆在设定载荷下对应的强度。

模板生成inp文件后通过pbs文件远程提交至高性能计算机进行排队计算，2 h后下载odb结果至本地计算机，得到2种结构在相同载荷下的计算结果，见图7。提取加载点的载荷和位移量，进行数据处理后得出2种结构的侧滚刚度，见表1。由表1可知，在同等载荷下，结构1的最大应力相对较小，侧滚刚度较大，且接近设计目标。将该情况反馈至客户后，公司迅速确定技术方案及订单。

2.2精细分析流程应用

精细分析流程首先在专用前处理软件中完成网格模型，然后进入模板进行有限元模型设置，适用于成熟产品或者需要对结构细节进行详细分析的作业。以某系统装置2种结构（1.5 MN·m/rad与2.0 MN·m/rad，以下分别简称结构a和结构b）的强度和疲劳分析为例，首先运用HyperMesh得到相对精细的网格模型，见图8。建立精细的网格模型需要较长时间，因此总分析周期较长。在HyperMesh网格模型中对各部件按模板规定命名，将模型导入到Abaqus后，模板自动完成各组件材料属性赋予和单元类型设置。扭杆轴、铜套、吊销、扭转臂的花键部分和连杆金属部分采用C3DSR单元模拟；连杆橡胶部分采用C3DSH单元模拟；轴承座、连杆座和扭转臂花键外部分用C3D4单元模拟。边界条件见图9。

对轴承座施加固定约束条件，在连杆座上端面约束除施加载荷方向外的其他自由度，在耦合点RP1和RP2施加对应的载荷，计算扭杆在不同载荷下对应的强度。扭杆轴与铜套之间采用接触设置关系模拟。2种结构在相同极限工况下得到的应力结果见图10和11。将应力结果导入Fe-Safe对扭杆装置进行疲劳寿命分析。

Fe-Safe中用强度因子（Factor of Strength，FOS）S表征施加载荷的强度，当S≥1时，在此设计寿命条件下，此加载载荷数值是安全的。对结构a和结构b进行疲劳分析的结果见表2及图12和13。由表2可知，在相同极限载荷下，结构b的应力大幅下降，强度因子有所提高，安全因数提高，更加适合设计疲劳载荷谱。

2.3模板精度验证

以某系统产品在疲劳试验过程中的应力测试对比进行精度说明。在时代新材产品检测实验室的12通道试验机上采用DASP测试分析系统及SA-8动态应变仪，扭杆轴上3点采用45°应变花法进行贴片应力测试（见图14），将所测结果与模拟数据进行对比，结果见表3。采用模板精细分析流程的计算结果与试验测试结果的误差率在4%以内，说明模板精度可靠。

2.4工作效率的提升分析

使用模板前与使用模板后工作时间对比见图15。对于专职仿真分析人员来说，应用常规组件产品采用快速分析流程模板（即step流程）工作效率可以提升15倍（見图15a）所示）；应用复杂系统装置采用精细分析流程模板（即hm流程）工作效率可以提升2倍（见图15b）所示）。对于开发人员来说，应用常规组件产品采用快速分析流程（即step流程）在保证计算结果精度和收敛性基础上工作效率可以提升3倍（见图15c）所示）。仿真模板可最大程度地提高所有使用人群的CAE建模效率，实现仿真工作的精益研发。常规项目分析工作转移到开发人员手中后，项目管理的工作流程得到缩减，同时也缩短项目的开发周期，提高项目开发效率。

3结束语

通过对Abaqus进行二次开发，将各类型抗侧滚扭杆装置的分析方法流程化、分析经验固化，形成一款抗侧滚扭杆装置的专用仿真分析模板软件。此模板操作简单，留有标准件扩展接口，可以自动完成报告及其他后处理工作，能够进行加密处理，精度可靠，可以满足快速分析和精细分析2种不同情况的需求，实现仿真经验的积累和沉淀，降低仿真门槛，规范仿真流程，减少分析结果离散度，达到仿真工作精益研发的效果。利用该仿真模板，可将常规项目分析技术和工作转移到开发人员手中，缩短项目管理的工作流程和开发周期，提升项目开发效率。endprint