基于Python语言和Abaqus软件的轮胎参数化高效建模技术

曹金凤，王志文，王慎平，高 明，曾雨培，贾舒安

[1.青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520；2.浦林成山（青岛）工业研究设计有限公司，山东 青岛 266000；3.赛轮集团股份有限公司，山东 青岛 264200；4.青岛理工大学 理学院，山东 青岛 266520]

随着汽车工业的迅速发展，我国已成为全球最大的轮胎生产国[1-4]，各大轮胎企业纷纷建立各自的轮胎生命周期管理系统，以保持其在轮胎设计和制造领域的优势[5]。由于轮胎结构部件多、形状复杂，设计及建模费时费力，因此，开发实用、高效、准确和可靠的轮胎自动化建模软件或插件，对于新型轮胎的设计、研制和生产都至关重要[6-8]。

目前，为了提高轮胎建模的效率，国内外众多学者、企业工程师开展了大量的研究工作。刘信奎等[9]利用AutoCAD软件绘制了轮胎二维模型，并将其导入UG软件，完成轮胎三维实体建模，但该方法需要对AutoCAD软件绘制的模型进行大量重复的几何清理工作。刘野等[10]基于三维建模软件CATIA对轮胎进行建模，首先在草图模块中绘制轮胎外轮廓，然后通过旋转体命令建立轮胎三维模型，但如果修改模型则需要大量鼠标选择操作。杨进殿[11]基于AutoCAD软件提供的二次开发接口，采用内嵌的Visual LISP语言开发了轮胎有限元建模几何清理模块，编写了样条曲线和多线段筛选及清理程序，对建模过程中不支持的线条进行了修改和替换，解决了CAD与CAE软件之间的接口问题，但仍需要一定的人工操作，且仅能生成仿真工况的充气轮胎有限元模型。梅飞[12]基于由节点生成三维网格模型技术与AutoCAD软件二次开发技术，设计了轮胎花纹自动建模程序，实现了由花纹二维设计图直接生成三维网格图，减少了三维花纹几何建模的工作量，提高了建模效率，但该法对工程师的有限元分析水平要求较高，且如果单元网格质量不符合要求，修改和替换工作量很大。洪圣康[13]提出了基于IGES文件的最小独立区域识别算法，实现了对轮胎二维CAD图的区域识别，将CAD图中的节点坐标、线元素信息、区域信息单独保存，但由于轮胎设计多在AutoCAD软件中进行，设计过程中经常出现区域不闭合、存在多余的点和线等问题，为了保证最小独立区域识别算法的正确运行，也需要对轮胎CAD图进行几何清理。

综上所述，已有众多学者对轮胎自动化高效建模工作进行了大量的研究，在一定程度上提高了复杂结构轮胎建模效率，但依然存在几何清理、人工参与多等问题。鉴于此，本工作提出一种基于Abaqus软件内置的Python二次开发接口的轮胎参数化高效建模方法，仅需输入轮胎各部件的关键参数，数秒钟即可完成复杂结构轮胎建模工作，并且无需手动修补模型，具有操作简单、效率高、可重复执行能力强等优势。本研究成果为轮胎开发的数字化、参数化、自动化和智能化发展奠定了基础。

1 在Abaqus软件中实现复杂结构轮胎建模

本工作主要研究轮胎高效建模方法及相应的参数化实现过程，故对轮胎结构进行适当简化，仅选取8个参数（见表1）来表达关键特征。在真实轮胎建模过程中，应该按照实际需求进行参数化设置。由于轮胎结构复杂、不同部件参数和材料种类多，轮胎建模工作复杂繁琐，因此，为了避免不同软件之间相互导入时出现线条重复、区域无法闭合等问题，本工作以某型号子午线轮胎为例，直接使用Abaqus软件提供的录制宏文件功能来建模，详细操作过程如下。

表1 轮胎结构参数Tab.1 Parameters of tire structure

（1）启 动Abaqus/CAE，选 择[File]菜 单→[Macro Manager]→[Create]命令，弹出对话框（见图1），将其命名为Tire_Profile，点击Continue按钮。

图1 录制名为Tire_Profile的宏文件Fig.1 Recording a macro file named Tire_Profile

（2）在Part功能模块，创建名为OutProfile的二维可变形壳体部件，在草图中使用Spot，Line，ArcByStartEndTangent等命令依次绘制轮胎外轮廓线、轮胎骨架（带束层帘线、胎体帘线和胎圈钢丝等）结构（见图2）。通过平移功能将轮胎外轮廓线、骨架结构组合在一起（见图3）。

图2 轮胎骨架结构示意Fig.2 Diagram of tire framework structure

图3 轮胎材料分布示意Fig.3 Diagram of tire material distribution

（3）单击宏录制窗口中的Stop按钮结束宏录制，无须保存模型直接退出Abaqus/CAE。此时，宏文件AbaqusMacros.py中已经记录所有的Abaqus操作[14]。

2 复杂结构轮胎参数化高效建模技术

2.1 Abaqus软件的Python二次开发接口

Abaqus是一款功能强大的非线性有限元分析软件，其自带的Python二次开发接口具有简单易学、功能强大、模块化、可扩展性、开源、免费和面向对象等优点，可以方便地开发自动前处理、分析结果后处理、材料库定制、图形用户界面（GUI）等插件[15-16]，已广泛应用于汽车、机械、航空、航天、军事等领域。

Abaqus中的Python脚本接口可以实现Abauqs/CAE的所有功能，二者之间的通信关系如图4所示[17]。操作者可以通过GUI窗口、命令行接口（Command Line Interface，CLI）和脚本发布命令，所有的命令都必须经过Python解释器后才能进入到Abaqus/CAE中执行，同时生成扩展名为.rpy的文件；进入到Abaqus/CAE中的命令将转换为INP文件，再经过Abaqus/Standard或Abaqus/Explicit求解器进行分析，得到输出数据库（ODB）文件，进而绘制变形图、等值线图等。

图4 Python脚本接口与Abaqus/CAE的通信关系Fig.4 Communication relationship between Python script interface and Abaqus/CAE

2.2 复杂结构轮胎参数化设计方法

2.2.1 自动化建模过程

为了更好地实现复杂结构轮胎的快速建模，本工作基于Abaqus的GUI脚本和内核脚本开发了Tire_Profile插件，操作过程如下。

（1）将轮胎的建模操作宏录制完毕，所有的Python命令都已写入安装根目录的AbaqusMacros.py宏文件，操作者可以根据需求对文件进行编辑，生成内核脚本工作件。

（2）使用Abaqus/CAE的Plug-ins子菜单中的RSG对话框构造器，设计制作自动建模插件。

（3）使用RSG对话框构造器创建自定义图形用户界面，并将内核脚本工作件与GUI标签页中的内核函数绑定，实现参数传递，完成参数化程序设计[18]。

2.2.2 编辑和修改录制的宏文件

使用编辑器打开AbaqusMacros.py宏文件，按照下列步骤编辑和修改代码。

（1）导入相关模块。基于Abaqus的Python二次开发接口编写代码时，首先需要导入开发过程中所需的所有相关模块，本工作导入Abaqus和AbaqusConstants两个模块，代码如下：

（2）删除import section，import regionToolset等宏文件自动导入的相关模块代码行。

（3）建议删除Abaqus自动生成的视窗代码。例如，session.Viewports[′viewport；1′].makeCurrent。

（4）通过def（）函数定义表1中的8个关键参数，代码如下：

其中，Outerdiameter，Sectionwidth，SetionHeight，SidewallH1，SidewallH2，Beadwidth，Shoulderply，Capply分别对应建模所需的8个参数，其值全为浮点型数据。

（5）创建约束草图ConstrainedSketch，大致尺寸为2 000，代码如下：

（6）创建二维变形体的轮胎部件模型，代码如下：

（7）其他代码保持不变即可。

2.2.3 定制轮胎建模插件的参数输入界面

Python核心代码开发完成后，为了使各参数的输入更加便捷、高效，还需要定义参数输入界面。使用Abaqus自带的RSG快速创建插件（Ping-in）来定义参数输入界面。实现方法如下：在Abaqus/CAE 中选择[Plug-ins]菜单→[Abaqus]→[RSG Dialog Builder]，将弹出RSG对话框构造器界面，如图5所示。

图5 RSG对话框构造器界面Fig.5 Interface of RSG dialog box constructor

修改标题为Tire_Profile，增加Parameters组框的同时增加文本框、标签、关键字、默认值等，按照同样的方法设置8个参数值，完成后的对话框如图6所示。

图6 RSG对话框设置效果示意Fig.6 Diagram of setting effect of RSG dialog box

2.2.4 将内核脚本变量与GUI标签页中的内核函数绑定

切换到Kernel标签页，选择修改后宏文件CreateTire.py来加载内核模块，在下拉列表中选择OutProfile函数，如图7所示。重新切换到GUI标签页，保存对话框，设计完成后的界面如图8所示（D，B，H，H1，H2，M，I和T分别为轮胎外直径、半断面宽、断面高、下断面高、上断面高、胎圈宽度、胎肩厚度和冠部总厚）。此时，所有的插件文件都保存于根目录的Abauqs_plugins文件夹。

图7 内核模块绑定效果示意Fig.7 Diagram of kernel module binding effect

图8 轮胎关键参数的输入界面Fig.8 Input interface of tire key parameters

重新启动Abaqus/CAE，Plug_ins菜单下将出现本工作开发的插件[Tire_Profile]，单击OK按钮，仅需几秒钟即可完成复杂结构轮胎二维建模，如图9所示。

图9 本开发插件生成的轮胎模型Fig.9 Tire model generated by plug-in developed from this work

2.3 运行效果和效率

本工作开发了基于参数驱动的复杂结构轮胎建模插件，输入关键参数后仅需数秒钟即可完成复杂结构轮胎建模工作，方便、快捷、高效，可以大幅缩减轮胎开发周期，而且可以极大减小仿真分析人员的劳动强度，可以避免因设计者水平不同造成的设计差异。

3 结论

本工作基于Abaqus软件内置的Python二次开发接口，通过修改录制宏文件的方法，研发了复杂结构轮胎建模插件Tire_Profile，得到如下主要结论。

（1）与传统的轮胎建模相比，使用本开发插件的轮胎建模仅需数秒钟即可完成，极大提高了轮胎设计效率。

（2）本开发插件可以与Abaqus软件无缝连接，避免几何模型的修补和清理工作。

（3）使用Plug-ins菜单插件进行复杂结构轮胎参数化建模，当需要对轮胎某些尺寸进行修改时，只需修改对应参数值即可，避免手动修改模型时的重复性操作，修改过程简单、高效。