基于Web的拉丝模仿真系统开发与研究

孙鹏劼， 翟奋楼， 刘东旭， 闫佳丽， 宁 静

（北京市计算中心，北京 100094）

拉丝模主要用于钢帘线、切割线、金线等的拉拔。

拉拔过程是一个复杂的弹塑性大变形过程。拉丝模的结构参数、拉拔工艺直接影响成品丝的质量、模具的寿命、拉丝过程的能耗和生产效率[1]。

由于拉丝模结构材料不合理、拉拔工艺不合理，丝在拉拔过程中应力过大，可能导致断丝；模具（模芯）的应力过大可能模具导致局部剥落，加速模具损耗。因此有必要对拉拔过程进行数值模拟。对拉拔过程进行数值模拟，能够代替传统的反复试验和修改设计，可以大大节省设计成本和缩短实验周期[2]。

Abaqus软件具有非常强的非线性计算能力。但是对于普通的工程技术人员来说，没有一定的力学知识很难掌握这个软件。因此，设计人员把拉丝模设计完后必须交给专业 CAE分析人员做力学计算分析，然后 CAE分析员把分析结果和修改意见交给设计人员，设计人员再改进设计，如此反复多次才能使设计达到一个合理的要求。

本文针对此种情况，对Abaqus进行二次开发，为设计人员开发了一个针对拉丝模的程序。设计人员只要输入参数，软件会自动完成建模并计算求解，让工程设计人员自己检验是否达到设计要求，缩短拉丝模的设计周期。

但即使使用这种模式，使用者仍然需要购买、安装Abaqus软件。本文开发了基于Web使用模式的应用系统，设计人员只要通过Web输入参数，由云后台进行计算，并自动生成仿真报告；用户可在线下载仿真报告、动画等。通过这种模式使用者不需要购买昂贵的 CAE软件、不需要熟悉CAE软件的情况下，一样可以进行CAE分析，降低了CAE技术使用门槛。

1 拉丝模CAE仿真

1.1 数值仿真模型

1.1.1 有限元模型

拉丝模具结构如图1所示，模具由模套与模芯两部分组成。模套的作用有两个，一是补充脆模芯的抗弯强度，以抵抗拉拔应力，防止模芯破裂。二是为了便于操作，适合各种型号拉丝机使用。

模芯孔型设计的正确与否是决定拉丝质量的重要因素。模芯孔型结构由润滑锥、工作锥、定径带、出口锥四部分组成。而其中润滑锥角度、工作锥角度、定径带直径、定径带长度对拉丝质量影响最大。

根据结构旋转对称特点，采用二维模型；根据结构左右对称特点，选择轴对称模型进行分析，有限元模型如图2所示。

图1 模具结构图

图2 有限元模型

1.1.2 模拟条件及参数

（1） 接触设置

模芯模套之间的接触，采用共点方式来模拟。

丝和模芯之间采用面面接触，设定一定摩擦系数以模拟润滑条件。摩擦系数与拉拔模具孔型、润滑条件、拉拔工艺有关。

（2） 约束与加载

模套的上下表面施加全约束，如图3所示。

对丝底面节点施加竖直方向速度，速度对拉拔质量有重要影响。

图3 模套上下表面施加全约束

1.2 应力分析

拉拔过程中主要关心丝和模芯的受力情况，而丝可能的破坏形式是其所受轴向应力过大导致丝表面产生裂纹，模芯则会由于应力集中过大导致局部剥落，因此，以拉拔过程中丝表面的轴向拉应力及模芯所受最大等效应力作为评价指标[3]。

1.2.1 拉拔过程中丝所受应力分析

图 4为拉拔过程中某时刻丝的轴向应力分布。由图4可知，在丝与模具的非接触区，由于拉拔力的作用，丝外表面已产生轴向拉应力，内部产生轴向压应力；处于减径区的丝，由于模具工作锥的挤压作用，其外表面产生轴向压应力，内部产生轴向拉应力；丝进人定径区后，轴向应力沿丝厚度方向呈不均匀分布状态，从外表面到内部轴向拉应力呈递减趋势，内部产生较大的轴向压应力。当定径区丝外表面的轴向拉应力过大时，丝外表面将产生横向裂纹，严重影响拉拔后的线材质量。

图5为拉拔过程中，丝的最大轴向拉应力曲线，因丝进入模具后会产生微振动，因此，丝上的轴向应力曲线也是振动的。

图4 拉拔过程中轴向应力分布云图

图5 拉拔过程中丝所受轴向拉应力曲线

1.2.2 拉拔过程中模芯所受应力分析

图6为拉拔过程中某时刻模芯的等效应力分布，从该图可知最大等效应力发生在工作锥与定径带的过渡圆弧位置，若该处的应力集中过大，将使逐渐剥落，最终导致拉拔模具失效。

图6 拉拔过程中模芯等效应力分布图

2 基于Python语言的Abaqus二次开发

Abaqus为二次开发用户提供了Python语言接口。Python是一种面向对象的脚本语言，它有高级的数据类型和简单有效的面向对象程序设计方法，功能强大、扩展性强，而被广泛应用[4]。Abaqus有限元程序通过集成Python脚本向二次开发用户提供了丰富的库函数，可直接操纵Abaqus内核，实现建模、划分网格、指定材料属性、提交作业、后处理分析等功能[5]。

本文将拉丝模仿真进行基于 Python语言的Abaqus二次开发，使用者只需修改相应的参数，脚本自动实现有限元建模。

2.1 参数化模型

影响拉丝模和丝受力状态情况和拉丝质量的主要参数有孔型参数（定径带直径、定径带高度、工作锥角度、出口锥角度）、材料参数（模具材料、丝材料）、工艺参数（拉拔速度、摩察系数）、网格参数（网格类型、）等。使用Python语言编写 py脚本文件，经上述参数参数化。使用者通过简单修改参数，通过运行 py文件，即可实现有限元模型的快速建模自动生成计算文件(.inp)。通过运行inp文件，生成计算结果。

2.2 提取分析结果

在完成分析作业后，在Visualization模块的视图区能够显示某个分析步某一帧的计算结果，通过这种方法可以寻找显示应力最大值；但这种方法的缺点是，只能显示某个分析步某一帧的最大值。但在具体应用中，我们更希望得到整个模型的应力最大值，即：得到所有分析步所有帧的应力最大值。因此，必须编写脚本对所有帧进行循环[6]。

得出分析结果后，通过访问odb，通过脚本文件自动生成图片（包括丝的轴向应力分布云图、丝所受轴向拉应力曲线、模芯等效应力分布云图、模芯所受等效应力曲线）、文本文件（丝所受最大轴向拉应力、模芯所受最大等效应力、压缩率）。

3 基于Web的拉丝模仿真二次开发

基于上述Python脚本，使用Java开发技术，开发了一套基于Web的拉丝模仿真计算系统。

该系统主要包括：Web用户界面模块、RPC中间件模块、Web服务模块、以及Python脚本、PDF报告生成模块；其中 Web用户界面模块设于 Web页面上，Web服务模块设于服务器上，Web用户界面模块接收用户输入的工程计算任务的参数信息，并将参数信息发送至 RPC中间件模块，RPC中间件模块将按照第一预设格式进行封装后的参数信息转发至Web服务模块，Web服务模块将参数信息提交给脚本，脚本对参数信息进行解析，并执行拉丝模仿真计算任务。

如图7所示，用户可通过web提交参数，如模具参数、材料参数、工艺参数等，由北京工业云云后台进行计算，并自动生成仿真报告；用户可在线下载仿真报告、动画等。

图7 基于Web的拉丝模在线仿真使用界面

4 结 论

通过这种模式使用者不需要购买昂贵的CAE软件、不需要熟悉CAE软件的情况下，一样可以进行CAE分析，降低了CAE技术使用门槛。

[1]王天冲. 钢帘线生产[M]. 南京: 江苏兴达钢帘线集团公司, 1996: 55.

[2]董述峰. 中高碳钢丝组织性能及工艺的研究[D]. 武汉: 武汉科技大学, 2011.

[3]杨学锋, 邓建新. 陶瓷拉丝模在稳态拉拔状态下应力应变分析[J]. 工具技术, 2005, 39: 26-29.

[4]周 维, 宗 杰. Python开发技术详解[M]. 北京:机械工业出版社, 2009. 532.

[5]曹金凤, 王旭春, 孔 亮. Python语言在 Abaqus中的应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2011: 177-196.

[6]Abaqus6.10. Abaqus Scripiing User’s Manual [S].