基于Python复合材料单搭接机械连接结构ABAQUS二次开发

基于Python复合材料单搭接机械连接结构ABAQUS二次开发

杨晔楠，胡昌宏，何四海

（中航工业一飞院，陕西省西安市，710089）

摘要：本文采用Python语言对ABAQUS进行二次开发，建立了复合材料单搭接机械连接结构参数化建模模块，可实现单排多钉连接结构有限元模型的快速建立、材料属性的设置，以及零件之间接触的自动生成；并编制了用于参数化分析的GUI（用户图形界面），提供了方便形象的数据输入界面。最后将本文模型的计算结果与试验结果进行对比，钉载分配的最大误差不超过9%，贴片处的应变-载荷曲线非常接近，验证了本文建模方法的正确性。本文二次开发程序提高了工作效率，减小了建模工作量。

关键词：复合材料 单搭接 参数化 GUI

1.概述

复合材料比强度和比模量高，且具备优越的重量特性和疲劳性能，使其在航空航天等领域得到了大量应用，引起了设计技术的重要变革。

在飞机结构中，由于结构设计、工艺和使用维护等要求，必须安排一定的工艺分离面、维修口盖等，从而存在大量紧固件。对复合材料机械连接结构性能进行分析非常必要。而影响其性能的因素有很多，包括结构的几何尺寸、复合材料的铺层以及搭接板的刚度等。为了深入研究这些因素对结构性能的影响，需建立参数化模型以简化步骤、减小设计人员工作量。

ABAQUS软件是国际公认的大型通用非线性有限元分析软件之一，具备丰富的单元库和材料模型库，还为用户提供了专门的二次开发接口，能够实现ABAQUS前处理、后处理的自动化和用户化。ABAQUS脚本接口是基于Python语言定制开发的，Python是一门功能强大的面向对象的编程语言，具备代码简洁、可扩展性强、内置数据结构丰富等特点[1]。

本文采用Python语言对复合材料单搭接连接结构有限元建模过程进行ABAQUS二次开发，并定制了一个用于参数化分析的GUI（用户图形界面），建立了此类结构的参数化分析平台，能够减少大量建模工作，方便快捷的应用于工程实际中。

2.ABAQUS二次开发原理

ABAQUS二次开发包括脚本接口开发和GUI（用户图形界面）开发。

ABAQUS脚本接口直接调用内核，脚本命令经过Python解释器进入ABAQUS/CAE执行，进入ABAQUS/CAE的命令将转换为INP文件，最后经过求解器进行分析，最终得到输出数据库文件。ABAQUS脚本接口在Python语言基础上进行扩展，增加了500个对象类型。一般情况下，ABAQUS 对象模型包括三个对象：Session对象、Mdb对象和Odb对象。其中，Session对象用于定义视图，Mdb对象用于定义模型数据并提交计算，Odb用于模型及分析结果的存储[2]。

GUI是用户界面与内核的数据交互窗口，用户可根据需要，通过创建对话框、列表等控件定制用户界面，实现参数的输入和修改，也可编辑ABAQUS现有图形用户界面。GUI与内核的交互工作原理如下图所示[3]。

图1 内核程序与GUI程序的关系

3.复合材料单搭接连接结构参数化模型

在ABAQUS-Plugins目录下内置一个插件，通过点击该插件，调用单搭接连接结构建模自定义界面。在界面输入相关参数后，执行内核程序，建立有限元模型。实现整个过程需要编制三个文件：Single_Lap_JointDB.py，用于创建用户自定义界面，为内核程序提供输入接口；Single_Lap_JointModel.py，该文件完成有限元模型的自动建立，模型的装配和接触的设定；Single_Lap_Joint_plugin.py用于插件的注册[4]。

3.1 界面介绍

单搭接连接结构界面包括对结构的介绍、几何参数的输入和材料参数的输入三个部分。如图2-图4所示。

几何参数需输入连接板的长度、宽度和厚度，以及螺栓的相关尺寸，包括螺栓头直径和高度，

螺母的直径和高度，钉孔的个数以及端距、间距。几何界面如图3所示。

图2 界面窗口1-结构介绍

在输入材料参数前，需选择连接板的类型，金属板或复合材料板，因此本模型可模拟金属-金属、金属-复合材料、复合材料-复合材料三种不同的搭接方式。根据选择进一步输入材料参数，界面中调用了ABAQUS创建材料的模块，可方便快捷的创建材料。如果连接板为复合材料板，还需输入相关铺层信息，包括每个铺层的材料名称、单层厚度以及各铺层的方向。材料界面如图4所示。

下面列出了部分代码以作说明。

#创建对话框类

class SingleLapJointDB(AFXDataDialog):

#定义函数，创建各类控件

def __init__(self, form):

#调用基类初构函数

AFXDataDialog.__init__(self, form, 'Single_Lap_Joint',self.OK|self.CANCEL)

#定义文本框，进行参数输入

self.L=AFXTextField(p=va, ncols=12, labelText='L:', tgt=form.LKw, sel=0)

……

图3 界面窗口2-几何参数输入窗口

图4 界面窗口2-材料参数输入窗口

3.2 创建有限元模型

有限元模型的建立过程与使用ABAQUS前处理界面建立模型的过程相同。先创建连接板和螺栓零件，划分有限元网格，赋材料属性。然后将各零件装配起来，形成单搭接结构整体有限元模型，进一步创建分析步、定义接触属性，完成所有接触面的接触设定。最后施加边界条件与载荷，可直接进行计算。

建立连接板有限元模型，首先创建二维模型，进行几何划分和网格生成，然后使用网格偏移方法生成基于网格的三维实体模型。

#定义变量函数

def SingleLapJoint(L,……):

#通过二维网格生成三维模型(复合材料板建模)

for i in range(Lay_Number):

p.generateMeshByOffset（…..,totalThickness=layuptable1[i][1]）

……

在连接模型里，存在多个零件，需在两个零件接触面定义接触，如果手动设定，工作量较大，通过编制程序，可自动寻找接触面，如下面的程序可定义连接板孔边节点。

#自定义函数，用于寻找与螺柱面接触的孔边节点

def searchObjectByCoords(partObject,xCoord,yCoord,R):

……

return myObjects

#调用自定义程序，建立孔边节点集

for i in range(n):