為實現(xiàn)復(fù)雜的有限元前后處理功能，Abaqus 提供了基于 Python 的二次開發(fā)接口，能夠很方便的幫助用戶完成繁復(fù)的前后處理工作。通過 Abaqus 的前處理二次開發(fā)，實現(xiàn)了多螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的 CAD 模型導(dǎo)入、截面屬性的設(shè)置、預(yù)緊力的設(shè)置、分析步的定義和載荷的定義等前處理工作的自動化，可以為涉及多螺栓法蘭連接的結(jié)構(gòu)自動化分析定義提供參考。

 

海上風(fēng)電管樁結(jié)構(gòu)具有尺寸大、重量重的特點：管體直徑尺寸 5m 到 8 m；管體長度在 30m 到 80 m 之間；單根管重量有 300 噸到 900 噸，圖 1 所示為制作完成后的管樁。管樁的筒體是由多段拼接而成，每段長度在 2m 到 4m 之間。這些分段間的拼接需要有大量的環(huán)焊縫，本文所描述的工裝就是環(huán)焊縫焊接時所使用的。分段拼接過程中需要使用螺栓將產(chǎn)品和工裝連接在一起，然后由滾動裝置驅(qū)動工裝帶動筒體旋轉(zhuǎn)。在管樁制作過程中不合理的連接方式會對產(chǎn)品法蘭造成不可恢復(fù)的傷害。然而螺栓的預(yù)緊效果是對該問題影響的主要因素，如何利用有限元分析的手段，通過一系列的分析找到不同的連接參數(shù)對其效果的影響是本文問題的出發(fā)點。

 

在用 Abauqs/CAE 做有限元分析的前處理建模階段，人工參與多操作工作重復(fù)率高在繁雜同時出錯也高。Abauqs/CAE 提供的二次開發(fā)可極大地提高處理該問題的效率。

 

 

圖 1. 制作完成后的管樁

 

1 Abaqus/CAE 二次開發(fā)原理與方法及模型概況

Abaqus/CAE 二次開發(fā)的主要包括兩個層次，即求解器層次和前后處理層次（蘇景鶴，2017）。圖 2 所示為 Abaqus 軟件的基本環(huán)境結(jié)構(gòu)。求解器層次的開發(fā)一般通過用戶自定義程序來實現(xiàn)。前后處理層次的二次開發(fā)一般借助于 Python 來實現(xiàn)。本文使用的是前處理階段的基于Python 腳本的二次開發(fā)，第 2 章會詳細(xì)介紹開發(fā)的內(nèi)容。

 

 

圖 2. Abaqus 軟件環(huán)境結(jié)構(gòu)

 

本文利用 CATIA V5 建立結(jié)構(gòu)的 3D 參數(shù)化模型，該模型由工藝工裝、產(chǎn)品法蘭和連接螺栓三部分組成，見圖 3。雖然產(chǎn)品法蘭模型結(jié)構(gòu)有對稱性，但是螺栓分布及載荷卻不滿足對稱條件，所以必須采用全模型的分析。不同的塔筒型號螺栓孔數(shù)目不定，一般在 120～180 個，分析中需要用到的螺栓數(shù)目為 35～60個。手動的方式去定義螺栓的預(yù)緊載荷很容易出錯而且耗費大量的時間和精力。由于要對多個模型和多種螺栓連接進(jìn)行分析，這部分前處理工作量就顯得異常繁重了，所以本文希望通過基于 Python 的二次開發(fā)來縮減這部分工作量。

 

 

圖 3. 基本模型示意圖

 

2 多螺栓連接法蘭的自動化分析定義

每次模型的調(diào)整可以通過更改模型原始文件中的參數(shù)來定義代碼中的一些變量。主要變量的定義方式如下。這些參數(shù)都是模型的一些基本信息參數(shù)是下邊操作的必須參數(shù)。

 

 

 

2.1 將 CAD 模型的建立并導(dǎo)入 Abaqus/CAE

利用代碼將 CATIA 中建好的模型導(dǎo)入 Abaqus/CAE，將模型分做三個獨立的 Part 分別為工裝、產(chǎn)品和螺栓。具體代碼如下：

 

 

圖 4.各個部件導(dǎo)入后效果

 

2.2 模型的材料屬性、截面屬性及部件裝配的定義

按照如下的代碼完成材料屬性和結(jié)構(gòu)截面屬性的定義，并將這些屬性賦予相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。分析中材料選用普通的低合金鋼，采用三維實體模型進(jìn)行分析。隨后將三個部件裝配在一起。裝配完成后的模型如圖 6 所示。

 

 

 

2.3 載荷分析步和輸出參數(shù)的定義

整個模擬過程共有三個分析步：第一步施加螺栓預(yù)緊力；第二步保持螺栓預(yù)緊狀態(tài)并在產(chǎn)品端面的施加支撐剪切力，模擬結(jié)構(gòu)水平放置的狀態(tài)；第三步在前兩步載荷的基礎(chǔ)上，在產(chǎn)品端面施加轉(zhuǎn)動扭矩，模擬轉(zhuǎn)動過程中結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。由于模型的結(jié)構(gòu)尺寸較大而且采用三維模型進(jìn)行分析，為了控制分析計算模型結(jié)果數(shù)據(jù)的大小同時保留在后處理時關(guān)注的某些特定時間點的分析結(jié)果，可利用 Time Point 來定義分析過程中需要的結(jié)果輸出的時間點。實現(xiàn)代碼如下：

 

 

 

圖 7. 分析步及輸出參數(shù)的定義

 

2.4 螺栓預(yù)緊力的定義

按照分析需要將所有連接螺栓在工裝與法蘭接觸面位置切做兩段，并在截面的中心創(chuàng)建一個與截面垂直的軸，用于加載螺栓預(yù)緊力。采用 BoltLoad 在之前定義好的螺栓加載面及加載軸，完成螺栓的預(yù)緊力及后續(xù)螺栓載荷的定義。

 

 

圖 8. 預(yù)緊軸與預(yù)緊平面的定義

 

 

圖 9. 螺栓預(yù)緊力的定義

 

2.5 端面載荷加載位置與載荷的定義

在產(chǎn)品加載端面建立耦合需要的參考點，采用分布式節(jié)點耦合方式將加載端面耦合至參考點，使用該參考點作為載荷施加的作用位置。在加載端面施加相應(yīng)的剪切力和扭矩，以考察結(jié)構(gòu)在靜置和轉(zhuǎn)動狀態(tài)時結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

 

 

圖 10. 端面耦合約束及載荷施加

 

2.6 模擬結(jié)果

圖 11 所示為不同的螺栓連接裝配方式，在相同的載荷條件下的模擬結(jié)果。通過對模擬結(jié)果的后處理及分析，可以實現(xiàn)最佳連接方式的優(yōu)選為現(xiàn)場的施工方案提供有力的指導(dǎo)。

 

 

圖 11. 不同螺栓連接方式對結(jié)果的的影響

 

3 結(jié)論與展望

本文通過 Abaqus 二次開發(fā)方式實現(xiàn)了模型前處理的部分自動化，極大地提高了建模的效率。自動化的過程幫助工程師降低了人為操作的出錯概率和工作強(qiáng)度。但是關(guān)于接觸的定義和網(wǎng)格的劃分目前還無法實現(xiàn)自動化操作，相信經(jīng)過進(jìn)一步的研究可以實現(xiàn)該款產(chǎn)品分析過程前處理的全部自動化。

 

資料來源：達(dá)索官方