基于Python的ABAQUS参数化建模教程(最新推荐)

简介：本教程或代码包旨在教授如何利用python编程语言与abaqus软件结合进行参数化建模。abaqus是广泛应用于多个工程领域的非线性有限元分析软件。参数化建模通过定义变量和规则，可以自动化创建和修改模型，提高建模效率和精度。教程将介绍abaqus基础、python脚本与abaqus接口的使用、参数化建模原理、实例解析以及脚本编写指南，帮助用户自定义操作流程，包括几何建模、材料属性设定、边界条件应用等。其中可能包含的python脚本“python-建驱动装置.py”将演示如何通过参数变量建立驱动装置模型。

1. abaqus软件简介

1.1 abaqus的历史和发展

abaqus 是一款功能强大的有限元分析软件，自1978年由david hibbitt, bengt karlsson 和 paul sorensen三位创始人开发以来，一直专注于工程仿真领域。随着有限元方法（finite element method, fem）的发展，abaqus也不断扩展其分析工具和功能，成为全球工程师广泛使用的仿真解决方案。

1.2 abaqus的主要功能和特点

abaqus 提供了包括线性、非线性静态和动态分析以及复杂多物理场耦合的全面仿真功能。其特点是拥有强大的非线性求解器、丰富的材料模型库、精细的网格划分技术和先进的接触处理算法。abaqus的用户界面友好，允许用户通过交互式图形界面或脚本语言（如python）来定制复杂的分析流程。

1.3 abaqus在行业中的应用

abaqus 在汽车、航空航天、机械制造、土木工程等多个行业都有广泛应用。工程师利用它来评估产品设计的可靠性和耐久性，优化产品性能并减少实验次数。无论是静态还是动态分析，结构还是热传导问题，abaqus都能够提供高精度的解决方案，帮助企业节省成本并缩短产品上市时间。

2. python脚本与abaqus交互

在现代工程仿真中，abaqus软件由于其强大的分析能力，被广泛应用于机械、土木、航空等多个领域。而python作为一种高级的编程语言，其简洁和易读的特性使得它在自动化和扩展软件功能方面具有独特的优势。将python与abaqus相结合，不仅能实现复杂的仿真流程自动化，还可以通过二次开发，极大地提高工程师的生产力和仿真工作的效率。

2.1 python脚本语言概述

2.1.1 python语言的特点

python是一种解释型的编程语言，它的设计哲学强调代码的可读性和简洁的语法（尤其是使用空格缩进来定义代码块，而非大括号或关键字）。这种设计使得python成为初学者和专业人士都易于上手的语言。python拥有广泛的库支持，包括用于数据分析的pandas、用于网络编程的requests，以及用于科学计算的numpy和scipy等。

python的语言特点包括：
- 动态类型 ：变量在赋值时无需声明类型，语言运行时会自动推断。
- 跨平台 ：python是跨平台语言，能在多个操作系统上运行。
- 易于集成 ：可以轻松地与c、c++等语言编写的代码进行交互。
- 对象导向 ：python支持面向对象的编程范式，能通过类和对象来管理复杂的数据结构和操作。

在abaqus中，python作为脚本语言来编写命令，使abaqus的参数化建模、批量操作以及用户自定义功能成为可能。工程师能够用python编写脚本来控制abaqus的整个分析流程，包括模型的建立、加载、求解以及结果的提取和后处理。

2.1.2 python在工程仿真中的应用前景

随着工程仿真技术的快速发展，对仿真工具的要求也越来越高。python在工程仿真中的应用前景非常广阔，主要表现在以下几个方面：

• 自动化 ：仿真工作往往需要重复多次相同的流程，例如网格划分、材料属性赋值、加载条件设定等，python脚本可以自动完成这些重复工作，提高工作效率。
• 扩展性 ：abaqus通过python提供了丰富的接口，可以通过编程来实现abaqus本身不直接支持的功能，如自定义材料模型、复杂边界条件的设置等。
• 数据处理 ：仿真结果的后处理往往涉及大量数据的整理和分析，python强大的数据处理能力可以帮助工程师快速地从仿真结果中提取关键信息。
• 整合其他工具 ：在工程仿真领域，通常需要与其他软件（如cad设计软件）协同工作，python可以作为桥梁，实现不同软件之间的数据交换和整合。

因此，掌握python与abaqus的交互技术，已成为工程师提高仿真工作效率和仿真质量的重要技能之一。

2.2 abaqus与python脚本的结合方式

2.2.1 abaqus内置的python脚本接口

abaqus通过其内置的python脚本接口，允许工程师通过编写python脚本来控制和扩展abaqus的功能。这些接口主要分为以下几个方面：

• 交互式命令 ：可以在abaqus的交互式界面中直接执行python命令，方便即时执行小段代码。
• 脚本命令 ：可以编写较长的脚本文件，执行复杂的仿真流程。
• 定制函数与类 ：通过python，用户可以编写自己的函数和类，实现自定义的仿真逻辑。
• 用户子程序 ：对于一些abaqus本身不直接支持的功能，如自定义材料模型，可以通过用户子程序与abaqus进行交互。

abaqus脚本接口的使用通常遵循以下基本流程：
1. 使用 abaqus cae nogui=script.py 命令在无界面模式下启动abaqus并执行python脚本。
2. 在脚本中导入abaqus的命名空间： from abaqus import * 。
3. 使用abaqus提供的模块和函数进行模型创建、修改、分析和结果输出等操作。
4. 脚本执行完毕后，abaqus会关闭。

2.2.2 利用python脚本定制abaqus操作

通过python脚本，可以自定义abaqus的操作流程，包括但不限于：

• 批量创建模型 ：自动化建立多组相似模型，进行设计参数的快速迭代。
• 参数化建模 ：通过变量控制模型尺寸、材料属性、加载条件等，实现参数化设计。
• 自动化分析流程 ：自动执行创建分析作业、提交计算、监控进程和提取结果等步骤。
• 后处理自动化 ：对大量仿真结果数据进行自动处理和图表绘制。

例如，可以通过一个简单的python脚本来创建一个拉伸分析的模型：

from abaqus import *
from abaqusconstants import *
from driverutils import executeoncaestartup
executeoncaestartup()
# 创建一个新模型
mymodel = mdb.model(name='model-1')
# 创建部件、材料、截面等
part = mymodel.part(name='part-1', dimensionality=three_d, type=deformable_body)
material = mymodel.material(name='steel')
section = mymodel.homogeneoussolidsection(name='section-1', material='steel')
# 定义分析步骤
mymodel.staticstep(name='step-1', previous='initial', timeperiod=1.0)
# 创建一个装配体
myassembly = mymodel.rootassembly
# 创建分析作业并提交求解
myjob = mdb.job(name='job-1', model='model-1')
myjob.submit()
myjob.waitforcompletion()
# 提取结果和后处理等操作可以继续添加

通过编写脚本，工程师不仅能够重现单一的模型操作，还能快速扩展至批量任务，大幅提高工作效率和仿真精度。

2.3 python脚本在abaqus中的作用

2.3.1 批量操作和自动化任务处理

python脚本在abaqus中的一个重要作用是实现批量操作和自动化任务处理。工程师可以编写脚本来自动化重复的仿真任务，这在进行参数研究、设计优化以及大型项目中尤其有价值。

批量操作 可以简化成以下步骤：

• 模型定义 ：定义一组参数化的模型变量。
• 任务循环 ：通过循环语句，使用不同的参数值创建一系列模型。
• 分析执行 ：自动化提交分析任务，等待计算完成。
• 结果收集 ：自动化收集分析结果，并进行初步的数据整理。

例如，为了研究一个零件的厚度如何影响其应力分布，可以编写如下的脚本来完成任务：

thickness_values = [3, 5, 7, 10]  # 不同厚度值的列表
for thickness in thickness_values:
    mymodel = mdb.model(name=f'model-thickness{thickness}')
    # 创建部件和加载步骤的代码省略...
    # 提交计算和监控进程的代码省略...
    # 假设最终结果存放在result_dict中
    result_dict[f'thickness{thickness}'] = job_output  # 存储结果

2.3.2 二次开发和用户化功能实现

除了批量操作，python脚本还可以用来实现abaqus的二次开发和用户化功能。一些特定的功能可能在abaqus的标准版本中不直接提供，这时可以通过编写python脚本来实现。

二次开发 一般包括：

• 自定义材料模型 ：编写用户子程序来实现非标准材料的本构模型。
• 扩展abaqus模块 ：通过添加自定义的python函数来扩展abaqus内置的功能。
• 结果的特殊后处理 ：根据特定的需求，编写代码来处理和展示仿真结果。

通过二次开发，可以将特定的工程知识、经验以及创新思想融入到仿真模型中，进一步提升仿真分析的准确性和实用性。

例如，可以编写一个python脚本来实现一个非线性材料模型，这个脚本可能涉及到复杂的数学计算和数据结构，通过这种方式，可以将新的研究成果快速集成到abaqus的仿真分析中。

本章节介绍了python脚本与abaqus交互的基本概念，以及如何通过python脚本来定制abaqus操作和功能。下一章节我们将深入探讨参数化建模的原理和方法，并分析在abaqus中参数化建模的应用。

3. 参数化建模原理

3.1 参数化建模的定义和意义

3.1.1 参数化建模的概念

参数化建模是一种通过定义参数来控制模型几何形状、尺寸和材料属性等特征的设计方法。在这种方法中，模型的每一个特征都可以用一个或多个参数来表示。当这些参数变化时，模型的对应特征也会相应变化。这使得设计者可以轻松地探索不同设计选项，而无需重新进行大量重复性建模工作。

3.1.2 参数化建模在工程仿真中的优势

在工程仿真领域，参数化建模提供了一种高效的方法来优化设计。通过改变模型参数，可以快速进行多次迭代和分析，以寻找最佳设计方案。这种技术尤其适用于那些对性能、重量、成本和其他关键性能指标有严格要求的复杂系统。此外，参数化建模还有助于实现设计的自动化和标准化，提高设计质量，缩短开发周期，并降低错误率。

3.2 参数化建模方法

3.2.1 基于变量的参数化技术

基于变量的参数化技术涉及定义和使用独立的变量来控制模型的不同方面。例如，在abaqus中，可以通过设置变量来控制几何形状的尺寸、材料属性、载荷条件等。一旦定义了变量，就可以使用它们在模型中创建关联。例如，如果一个零部件的长度和宽度被定义为变量，那么当长度变化时，相关的面积计算也可以相应更新。

3.2.2 基于特征的参数化技术

基于特征的参数化技术侧重于模型的几何特征，如边、面、体等。在这种方法中，特征参数（如尺寸、位置、形状等）可以单独控制和修改。这种方法在处理复杂的几何设计时尤其有用，因为它允许设计者直接操纵设计的特定部分。例如，在abaqus中，可以修改一个特定特征来改变模型的几何形状，而不需要手动调整每一个单独的几何元素。

3.3 参数化建模在abaqus中的应用

3.3.1 参数化模型的建立和管理

在abaqus中建立参数化模型通常涉及创建一个包含所有设计参数的输入文件，这通常通过python脚本或交互式界面来实现。模型参数被定义为变量，并可以在脚本中通过更改这些变量值来改变模型。此外，abaqus也支持通过图形用户界面（gui）中的“模型数据库”来管理参数。

3.3.2 参数化模型的实验设计和优化

在abaqus中实现参数化模型的实验设计和优化需要使用到参数扫描或响应面优化技术。可以编写python脚本来自动化这一过程，其中包括了参数的定义、实验设计、分析提交、结果的提取和后处理。参数扫描可以用来探索在参数变化范围内的不同设计方案，响应面优化则能帮助找到使性能指标最优的设计参数组合。通过这种方法，工程师可以系统地评估设计对性能的影响，并指导设计决策。

from abaqus import *
from abaqusconstants import *
from odbaccess import *
# 示例：参数化创建一个简单模型
def create_parametric_model(length=10.0, width=5.0):
    # 创建一个新的模型
    m = mdb.models['model-1']
    # 创建一个平面应力部件
    s = m.constrainedsketch(name='sketch', sheetsize=200.0)
    s.rectangle(point1=(0.0, 0.0), point2=(length, width))
    # 基于草图创建一个二维实体
    p = m.part(name='part-1', dimensionality=two_d_planar, type=deformable_body)
    p.baseshell(sketch=s)
    # 定义材料属性和截面属性
    # ...
    # 创建装配体和实例
    # ...
    # 定义边界条件和加载步骤
    # ...
    # 提交分析作业
    # ...
# 调用函数以创建模型
create_parametric_model(length=15.0, width=6.0)

在上述python脚本中，我们创建了一个简单的参数化模型函数，其中包含了创建二维部件、定义材料属性、边界条件、加载步骤和提交分析作业的步骤。参数 length 和 width 用于控制部件的尺寸。通过调整这些参数，可以轻松地创建出具有不同尺寸的模型实例，体现了参数化建模的灵活性和高效性。

接下来，我们将探讨如何利用python api在abaqus中进行更深层次的参数化建模和分析。

4. python api在abaqus中的应用

4.1 python api基本概念

4.1.1 api的定义及其在软件中的作用

api（application programming interface，应用程序编程接口）是一种软件中间件，它定义了不同软件组件之间的交互方式。在abaqus中，python api是abaqus软件提供的一组python函数和类，它允许用户通过编程的方式控制abaqus的几乎所有方面，包括建模、分析、作业提交以及结果处理等。

api的作用可以概括为以下几点：

• 自动化任务 ：通过编写脚本，可以自动化重复性的任务，减少手动操作的时间和错误率。
• 扩展功能 ：用户可以根据自己的需求定制abaqus的功能，开发出超越标准用户界面所包含的功能。
• 定制分析过程 ：允许用户在分析过程中加入复杂的逻辑和条件，如动态改变分析过程、条件化加载等。

4.1.2 python api在abaqus中的架构和功能

abaqus的python api架构是模块化的，它由多个模块组成，每个模块对应abaqus的特定功能区域。例如：

• abaqusconstants ：包含了abaqus中的各种常量定义，便于脚本中使用。
• abaqus ：这是主模块，提供了创建和操作abaqus模型的主要功能。
• 可视 ：此模块涉及abaqus/cae中的可视化功能。
• job ：管理abaqus分析作业的功能。

python api的功能包括但不限于：

• 创建和管理模型组件（如部件、装配、材料、截面属性、分析步骤等）。
• 定义和控制分析过程（如边界条件、加载、接触条件等）。
• 提交和监控分析作业。
• 后处理和数据提取。

4.2 python api在abaqus建模中的应用

4.2.1 创建和编辑部件和装配体

在使用python api进行建模时，部件（part）是构建装配体（assembly）的基础。通过编程创建部件时，可以定义其几何形状、网格划分和属性等。

代码示例：

import part
from abaqus import *
from abaqusconstants import *
# 创建一个部件
mypart = mdb.models['model-1'].part(name='newpart', dimensionality=two_d_planar, type=deformable_body)
# 添加一个矩形草图
mysketch = mypart.constrainedsketch(name='mysketch', sheetsize=200.0)
mysketch.rectangle(point1=(-100, -100), point2=(100, 100))
# 对草图进行拉伸生成实体
mypart.basesolidextrude(sketch=mysketch, depth=200.0)

在这段代码中，首先导入了 part 模块，并使用 mdb.models['model-1'].part 创建了一个名为 newpart 的新部件。随后创建了一个草图 mysketch ，定义了草图的大小，并使用 rectangle 方法画出了一个矩形。最后，通过 basesolidextrude 方法对草图进行拉伸，生成了一个三维实体。

4.2.2 定义材料属性和截面属性

在工程仿真中，材料属性和截面属性对结果的准确性有重要影响。通过python api，可以高效地对材料和截面属性进行设置和管理。

代码示例：

import material
from abaqus import *
from abaqusconstants import *
# 定义材料属性
mymaterial = mdb.models['model-1'].material(name='aluminum')
mymaterial.elastic(table=((70.e3, 0.3), ))
# 定义截面属性
mysolidsection = mdb.models['model-1'].homogeneoussolidsection(name='aluminum_section', material='aluminum', thickness=10.0)

在这个例子中，使用 mdb.models['model-1'].material 定义了一个名为 aluminum 的新材料，并赋予了弹性模量和泊松比。接着创建了一个名为 aluminum_section 的均匀实体截面，并将之前定义的材料 aluminum 分配给了这个截面。

4.3 python api在abaqus分析中的应用

4.3.1 设置边界条件和加载步骤

分析中边界条件和加载步骤的设置是确保仿真结果正确性的关键步骤之一。python api提供了灵活的方式来定义这些参数。

代码示例：

import load
from abaqus import *
from abaqusconstants import *
# 设置边界条件
mymodel = mdb.models['model-1']
fixbc = mymodel.displacementbc(name='fixed', createstepname='initial', region=(mymodel.rootassembly instances['newpart'],), u1=0, u2=0, ur3=0)
# 定义加载步骤
loadstep = mymodel.staticstep(name='applyload', previous='initial', timeperiod=1, initialinc=0.1)
loadstep равнениеnew(name='loadcase', createstepname='applyload', distributiontype=uniform, magnitude=1.0)

在这段代码中，首先创建了一个固定边界条件 fixbc ，它应用于名为 newpart 的部件上，并限制了所有平移和旋转自由度。然后，定义了一个名为 applyload 的静态分析步骤，并创建了一个名为 loadcase 的加载条件，它在分析步骤 applyload 中作用于部件 newpart ，施加了一个均匀分布的载荷。

4.3.2 提交分析作业和监控分析进程

提交分析作业和监控分析进程是确保分析顺利进行并获取结果的必要步骤。python api提供了提交和监控分析的接口。

代码示例：

import job
from abaqus import *
from abaqusconstants import *
# 创建并提交作业
myjob = mdb.job(name='myfirstjob', model='model-1', description='submit a job for model-1', memory=1024, memoryunits=mb, getmemoryfromanalysis=true, getmemoryfromvertices=true)
myjob.submit()
myjob.waitforcompletion()

这段代码创建了一个名为 myfirstjob 的分析作业，作业基于模型 model-1 。然后，通过调用 submit 方法提交了作业，并调用 waitforcompletion 等待作业完成。

请注意，以上代码片段应根据实际模型和分析需求进行适当的调整和修改。在实际应用中，python脚本将包含更多的逻辑和细节，以适应复杂的模型定义和分析流程。

5. 几何建模、材料属性设定、边界条件应用

5.1 几何建模的python脚本实现

几何建模是有限元分析中的基础步骤，它定义了分析对象的外形和空间结构。通过python脚本在abaqus中实现几何建模，不仅能够提高工作效率，还可以通过参数化的方式进行快速设计迭代。

5.1.1 基于python的部件创建和编辑技巧

使用python脚本创建和编辑abaqus部件，可以依靠 model 对象提供的方法来完成。部件创建通常涉及定义草图、应用拉伸或旋转等操作形成实体。

以下是一个简单的python脚本示例，展示如何创建一个参数化的矩形板：

from abaqus import *
from abaqusconstants import *
import regiontoolset
# 创建一个新的模型
mymodel = mdb.models['model-1']
# 定义板的参数
width = 100.0
height = 50.0
thickness = 10.0
# 创建草图
s = mymodel.constrainedsketch(name='板草图', sheetsize=200.0)
s.rectangle(point1=(0.0, 0.0), point2=(width, height))
# 通过拉伸草图创建板部件
p = mymodel.part(name='板', dimensionality=three_d, type=deformable_body)
p.basesolidextrude(sketch=s, depth=thickness)
# 清除草图，以优化内存使用
del mdb.models['model-1'].sketches['板草图']

此代码段创建了一个矩形板，其宽度、高度和厚度通过变量 width 、 height 和 thickness 控制。这种参数化方法使得快速修改设计成为可能。

5.1.2 参数化几何建模的实例展示

参数化几何建模意味着在脚本中定义参数来控制建模过程。下面的例子通过参数控制来创建一个变厚度的板：

from abaqus import *
from abaqusconstants import *
# 参数定义
width = 200.0
height = 100.0
thickness = 50.0
thicknessratio = 0.2 # 最薄处厚度与宽度的比值
# 创建模型和草图
mymodel = mdb.models['model-1']
s = mymodel.constrainedsketch(name='板草图', sheetsize=200.0)
s.rectangle(point1=(0.0, 0.0), point2=(width, height))
# 草图中添加一个参数化的线性尺寸
linedimension = s尺寸标记(宽度的一半, 高度的一半, 宽度的一半 + thicknessratio * width)
# 根据尺寸添加一个变厚度的板
p = mymodel.part(name='变厚度板', dimensionality=three_d, type=deformable_body)
p.basesolidextrude(sketch=s, depth=thickness)
# 清除草图，优化内存
del mdb.models['model-1'].sketches['板草图']

这个脚本在创建草图时添加了一个线性尺寸，通过修改线性尺寸来控制板厚度的变化。

5.2 材料属性和截面属性的python脚本设定

材料属性和截面属性是定义实体物理特性的重要参数。在abaqus中，这些属性通常在属性模块中设定。通过python脚本，可以快速定义和应用这些属性。

5.2.1 材料模型和截面属性的参数化定义

参数化的材料属性和截面属性可以提高设计的灵活性和仿真模型的多样性。

import materiallibraries
# 定义材料属性
mymaterial = mymodel.material(name='aluminum')
mymaterial.elastic(table=((70000.0, 0.3), ))
# 创建截面属性
mysection = mymodel.homogeneousshellsection(name='板截面', material='aluminum', thickness=10.0)
# 将截面分配给部件中的所有面
myinstance = mymodel.rootassembly.instance(name='板实例', part='板', dependent=on)
myinstance.sectionassignment(region=(myinstance.cells, ), sectionname='板截面', offsettype=middle, offset=0.0)

这段代码定义了一个名为”aluminum”的材料，具有弹性模量为70000mpa和泊松比为0.3的弹性属性。同时，创建了一个名为”板截面”的截面属性，该截面属性使用了上述定义的材料，并将其应用到之前创建的板部件上。

5.2.2 参数化材料属性和截面属性的应用实例

材料属性和截面属性的参数化使得设计变更更为灵活。例如，通过修改材料的属性值或者截面厚度来模拟不同材料或不同厚度的部件。

# 假设有一个不同的厚度值用于新的仿真
newthickness = 20.0
# 更新截面属性的厚度
mysection.thickness = newthickness

5.3 边界条件的python脚本应用

边界条件的设置对于确保仿真的正确性和有效性至关重要。python脚本为设置复杂的边界条件提供了极大的便利。

5.3.1 边界条件和荷载的参数化设置

在进行一系列仿真时，常常需要对边界条件进行调整。利用python脚本，可以实现这一过程的自动化。

# 定义边界条件
mymodel.displacementbc(name='固定支撑', createstepname='initial', region=(myinstance.faces, ), u1=0.0, u2=0.0, u3=0.0, ur1=unset, ur2=unset, ur3=unset)

这段代码创建了一个位移边界条件，固定了实例上所有面的平动和转动自由度。

5.3.2 多种工况下的边界条件自动化处理

在不同的工况下，可能需要施加不同的边界条件。例如，一个部件在不同温度下的热应力分析。

# 创建分析步骤
mymodel.staticstep(name='温度加载', previous='initial', timeperiod=1.0)
# 定义温度载荷
mymodel.temperature(name='温度条件', createstepname='温度加载', region=(myinstance.faces, ), magnitude=300.0)
# 定义热膨胀系数
mymaterial.linearthermalexpansion(table=((1.2e-5, ), ))
# 提交分析作业
mymodel.submit()
mymodel.waitforcompletion()

此脚本创建了一个静态分析步骤，并定义了一个温度载荷和材料的热膨胀系数，这可以用于模拟温度变化对部件造成的影响。

这些脚本的执行均需要在abaqus的脚本环境中进行，这要求用户对python语法有一定的了解，并且对abaqus的api有一定的掌握。随着对脚本编写能力的提高，可以进一步优化仿真流程，实现复杂模型的自动化处理和优化设计。

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