为实现复杂的有限元前后处理功能，Abaqus 提供了基于 Python 的二次开发接口，能够很方便的帮助用户完成繁复的前后处理工作。通过 Abaqus 的前处理二次开发，实现了多螺栓法兰连接结构的 CAD 模型导入、截面属性的设置、预紧力的设置、分析步的定义和载荷的定义等前处理工作的自动化，可以为涉及多螺栓法兰连接的结构自动化分析定义提供参考。
海上风电管桩结构具有尺寸大、重量重的特点：管体直径尺寸 5m 到 8 m；管体长度在 30m 到 80 m 之间；单根管重量有 300 吨到 900 吨，图 1 所示为制作完成后的管桩。管桩的筒体是由多段拼接而成，每段长度在 2m 到 4m 之间。这些分段间的拼接需要有大量的环焊缝，本文所描述的工装就是环焊缝焊接时所使用的。分段拼接过程中需要使用螺栓将产品和工装连接在一起，然后由滚动装置驱动工装带动筒体旋转。在管桩制作过程中不合理的连接方式会对产品法兰造成不可恢复的伤害。然而螺栓的预紧效果是对该问题影响的主要因素，如何利用有限元分析的手段，通过一系列的分析找到不同的连接参数对其效果的影响是本文问题的出发点。
在用 Abauqs/CAE 做有限元分析的前处理建模阶段，人工参与多操作工作重复率高在繁杂同时出错也高。Abauqs/CAE 提供的二次开发可极大地提高处理该问题的效率。
图 1. 制作完成后的管桩
1 Abaqus/CAE 二次开发原理与方法及模型概况
Abaqus/CAE 二次开发的主要包括两个层次，即求解器层次和前后处理层次（苏景鹤，2017）。图 2 所示为 Abaqus 软件的基本环境结构。求解器层次的开发一般通过用户自定义程序来实现。前后处理层次的二次开发一般借助于 Python 来实现。本文使用的是前处理阶段的基于Python 脚本的二次开发，第 2 章会详细介绍开发的内容。
图 2. Abaqus 软件环境结构
本文利用 CATIA V5 建立结构的 3D 参数化模型，该模型由工艺工装、产品法兰和连接螺栓三部分组成，见图 3。虽然产品法兰模型结构有对称性，但是螺栓分布及载荷却不满足对称条件，所以必须采用全模型的分析。不同的塔筒型号螺栓孔数目不定，一般在 120～180 个，分析中需要用到的螺栓数目为 35～60个。手动的方式去定义螺栓的预紧载荷很容易出错而且耗费大量的时间和精力。由于要对多个模型和多种螺栓连接进行分析，这部分前处理工作量就显得异常繁重了，所以本文希望通过基于 Python 的二次开发来缩减这部分工作量。
图 3. 基本模型示意图
2 多螺栓连接法兰的自动化分析定义
每次模型的调整可以通过更改模型原始文件中的参数来定义代码中的一些变量。主要变量的定义方式如下。这些参数都是模型的一些基本信息参数是下边操作的必须参数。
2.1 将 CAD 模型的建立并导入 Abaqus/CAE
利用代码将 CATIA 中建好的模型导入 Abaqus/CAE，将模型分做三个独立的 Part 分别为工装、产品和螺栓。具体代码如下：
图 4.各个部件导入后效果
2.2 模型的材料属性、截面属性及部件装配的定义
按照如下的代码完成材料属性和结构截面属性的定义，并将这些属性赋予相应的结构。分析中材料选用普通的低合金钢，采用三维实体模型进行分析。随后将三个部件装配在一起。装配完成后的模型如图 6 所示。
2.3 载荷分析步和输出参数的定义
整个模拟过程共有三个分析步：第一步施加螺栓预紧力；第二步保持螺栓预紧状态并在产品端面的施加支撑剪切力，模拟结构水平放置的状态；第三步在前两步载荷的基础上，在产品端面施加转动扭矩，模拟转动过程中结构的状态。由于模型的结构尺寸较大而且采用三维模型进行分析，为了控制分析计算模型结果数据的大小同时保留在后处理时关注的某些特定时间点的分析结果，可利用 Time Point 来定义分析过程中需要的结果输出的时间点。实现代码如下：
图 7. 分析步及输出参数的定义
2.4 螺栓预紧力的定义
按照分析需要将所有连接螺栓在工装与法兰接触面位置切做两段，并在截面的中心创建一个与截面垂直的轴，用于加载螺栓预紧力。采用 BoltLoad 在之前定义好的螺栓加载面及加载轴，完成螺栓的预紧力及后续螺栓载荷的定义。
图 8. 预紧轴与预紧平面的定义
图 9. 螺栓预紧力的定义
2.5 端面载荷加载位置与载荷的定义
在产品加载端面建立耦合需要的参考点，采用分布式节点耦合方式将加载端面耦合至参考点，使用该参考点作为载荷施加的作用位置。在加载端面施加相应的剪切力和扭矩，以考察结构在静置和转动状态时结构的受力状态。
图 10. 端面耦合约束及载荷施加
2.6 模拟结果
图 11 所示为不同的螺栓连接装配方式，在相同的载荷条件下的模拟结果。通过对模拟结果的后处理及分析，可以实现最佳连接方式的优选为现场的施工方案提供有力的指导。
图 11. 不同螺栓连接方式对结果的的影响
3 结论与展望
本文通过 Abaqus 二次开发方式实现了模型前处理的部分自动化，极大地提高了建模的效率。自动化的过程帮助工程师降低了人为操作的出错概率和工作强度。但是关于接触的定义和网格的划分目前还无法实现自动化操作，相信经过进一步的研究可以实现该款产品分析过程前处理的全部自动化。
资料来源：达索官方
