abaqus和VC++下半蜂窝结构板有限元分析平台设计

　　摘要：本文提出了一种新型的复合结构板——半蜂窝结构复合板。以半蜂窝结构复合板为切入点, 基于abaqus和VC++开发其有限元设计分析系统。运用这个平台, 用户只需输入复合板的几何参数和材料参数, 此系统就可以自动建模和分析查看运行结果。

　　关键词：半蜂窝板结构板; abaqus二次开发; VC++;

　　1、半蜂窝板结构简介

　　半蜂窝结构顾名思义此复合板的夹心结构是半蜂窝形状的, 其内部结构如图1所示。

图1 半蜂窝板内部结构

　　由上图可以看出此结构内部比较复杂, 其内部的桁架成“几“”字形延伸, 形如半蜂窝。现在比较常用的是蜂窝板[1], 蜂窝板是由上下两块面板和内芯组成的, 蜂窝板的内芯结构示意图如图2所示。

图2 蜂窝板内部结构

　　蜂窝板常用于轻薄板, 用在航空航天领域, 如卫星。但是蜂窝板内部结构复杂, 加工工艺复杂成本高, 限制其在一些领域的使用, 所以本文创新性的设计了半蜂窝结构, 半蜂窝结构主要用于中厚板, 使其在一些领域可以替代一些复杂的夹心板, 例如建筑、装甲、车辆等领域。

　　另外为了提高半蜂窝板的可靠性, 在内部桁架上设计添加上了加强筋, 这个会在后面介绍。为了提高半蜂窝板的设计研究速度, 本文针对其将abaqus进行二次开发, 开发出了针对半蜂窝板的专项有限元分析平台。

　　2、半蜂窝板设计分析系统理念

　　abaqus有限元分析软件是一款功能强大的数值分析软件, 一般对其进行二次开发时都是基于ABAQUS自身GUI的二次开发[2]。开发出的功能都是在ABAQUS自身的操作界面上进行, 这样的开发方式对于熟悉ABAQUS软件的操作人员来说不算难事而且能节省很多的操作时间。但是对于没有接触过ABAQUS软件或者对有限元知识掌握很少的操作人员来说, 在ABAQUS软件界面上直接操作是不可能完成的任务。因此本文将VC++与ABAQUS结合起来进行开发:用VC++开发前台界面, 后台用Python语言编写有限元分析程序脚本, 并将两者嵌套起来, 通过VC++创建进程, 然后调用ABAQUS以批处理方式后台运行Python编写的脚本文件, 来实现整个分析求解过程。设计分析人员在设计分析半蜂窝板时, 只需在开发的界面输入复合板的几何参数和材料参数就可以进行分析和结果查看。

　　3、系统实现方法

　　3.1、自动写入脚本文件的实现

　　当进行程序的开发时, 读写文件自动生成脚本是一个重要环节。ANSI码C/C++提供了标准文件的操作方式, 此方法具有广泛的通用性。方法如下:FILE*fp=fopen (“文件地址”, ”w”) ;w表示可以写入。利用此方法, 可以便利的生成python脚本文件, 并且可以随意的改变需要输入的参数, 此为参数化建模的重要步骤。

　　3.2、VC与ABAQUS连接技术的实现

　　为了脱离abaqus GUI对abaqus进行二次开发, 需要用到abaqus内核调用python脚本的方法。首先需要在一个固定地方建立windows批处理文件 (文件格式为.bat) , 批处理文件中写入“abaquscae–no GUI“脚本文件地址””, 然后在C++程序中写入“system (“windows批处理文件地址”) ”[3]。通过此方法可以实现不用打开abaqus而进行有限元分析的过程。此方法实现了VC++调用abaqus内核, 脱离了abaqus GUI进行二次开发, 具有创新性。

　　3.3、abaqus Python拓展脚本实现分析过程

　　Abaqus手动进行有限元分析时, 主要要完成以下步骤:Part、Property、Assembly、Step、Interaction、Load、Mesh、Job等模块。本文的python脚本可以自动实现以上的每一个步骤。例如其实现Mesh步骤的代码如下:

　　4、半蜂窝板设计分析系统展示及介绍

　　半蜂窝结构板设计分析系统实现了有限元分析的自动化, 效率化, 其界面如图3、图4、图5所示。

图3 参数输入界面

图4 分析界面

　　由图可以看出此分析系统的界面分为三个, 分别为主要参数输入、分析界面、结果查看三个界面。在主要参数界面, 要输入半蜂窝板的几何参数和材料参数, 且界面上给定了示意图。参数输入完毕后, 单击条件按钮, 会进入分析界面, 在此界面可以命名生成模型的名字并且可以输入载荷大小和施加载荷的方式, 然后点击分析按钮会自动生成python脚本并运行abaqus内核调用脚本, 待建模分析过程完成后只需进入分析结果界面点击相应的按钮查看应力云图等分析结果, 如图6所示。

图5 结果查看界面

图6 结果查看示例

　　由以上介绍可知, 复杂的有限元分析过程被开发出的系统分析平台极大的简化, 提高了产品的设计分析效率。

　　由于该平台的分析内核还是基于abaqus的内核, 所以此利用该平台在对半蜂窝板进行设计分析时, 其有限元分析结果的精准性和可靠性和abaqus的分析结果是一致的。而abaqus的有限元分析数值方法, 是被广发研究分析人员说认可承认的, 所以本文开发的应用平台也是精准可靠的。

　　5、分析加强筋

　　前面半蜂窝板结构主要应用于中厚板, 为了提高半蜂窝板的整体刚度, 本文在内部桁架上设计添加了加强筋, 为了分析加强筋对复合板的影响, 单独提取出了桁架的一个重复单元, 并对其有筋和无筋两种状态进行有限元分析, 而且筋的状态设计了两种, 所以桁架单元如图7所示。

　　本文对上图三个桁架单元进行有限元静力学分析。三种桁架单元除了加强筋部分其余部分的几何参数和材料参数都是一样的厚度都为1mm, 材料采用碳钢 (以SI (mm) 为单位) :材料密度为7.86e-9t/mm3, 弹性模量为208000Mpa, 泊松比为0.3。都是采用六面体实体单元进行网格划分。载荷方式都是对上表面加载100N均布载荷, 约束方式都是对下面两个表面进行完全约束。分析结果如图8、图9、图10。

图7 桁架状态

图8 无加强筋分析位移云图

图9 面板加筋分析位移图

　　图8是没有加筋的的桁架单元位移云图, 图9是在桁架单元两侧面板加筋的位移云图, 图10是在桁架单元折弯处加筋的位移云图, 由分析结果可以看出:这三种桁架单元上面板处位移都是最大的, 分别为6.386e-2mm, 5.636e-2mm, 4.45e-2mm, 这三种桁架单元两侧面板的位移分别为2.655e-2mm, 1.879e-2mm, 1.852e-2mm, 由以上数据可以看出这三种桁架在分析条件一样时, 没有加筋的位移是最大的, 加筋的位移会变小, 而且折弯处加筋的桁架位移最小, 说明桁架在加筋之后刚度会变大, 且第三种加强筋的方式会使桁架刚度提高效果更好, 所以在设计半蜂窝板时考虑在内芯桁架折弯处加上加强筋。这样会使半蜂窝板的整体刚度增大, 从而满足一些领域的使用要求。

图10 折弯处加筋分析位移图

　　6、结论

　　本文利用abaqus和VC++开发出了一款针对半蜂窝结构板的有限元分析平台。此款平台能够完美模拟有限元分析的每个过程, 且效率极高, 过程极简。本文的研究方法为abaqus的二次开发提供了新的思路。

　　参考文献
　　[1]张铁亮, 丁运亮, 金海波.基于有限元法的蜂窝夹层结构稳定性研究[J].复合材料学报, 2012, 29 (3) :184-190.
　　[2]刘洋.C#及Python语言环境下的ABAQUS二次开发[EB/OL].2010.
　　[3]庞芝炯.基于Python脚本的ABAQUS参数化建模方法[J].城市建设理论研究, 2014 (9) .