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编辑推荐
适读人群 :可以帮助正在使用Abaqus 进行仿真分析工作的工程师或者科研人员学习Abaqus Python 二次开发方法 ABAQUS原厂推荐的二次开发图书 全实例ABAQUS/Python程序的图书 面向解决工程实际问题的图书 全部案例源代码 图书+微信订阅号+QQ群+SimWe论坛=可沟通交流的生态系统教程
内容简介
本书是作者结合自己多年Abaqus 使用经验,在汲取国内外大量资料的基础上编写的一本Python 二次开发知识点笔记。内容涉及开发环境的搭建、Python 基础语法知识、Abaqus Python API 讲解,并以实例展示的方式详细阐明了二次开发的流程和方法。本书可以帮助正在使用Abaqus 进行仿真分析工作的工程师或者科研人员学习Abaqus Python 二次开发方法,同时对熟悉Abaqus 二次开发流程的读者也有一定的借鉴价值。
作者简介
苏景鹤:SimWe论坛版主,自西安交通大学力学硕士毕业后一直从事结构分析与优化相关工作,有丰富的有限元分析经验。业余爱好程序设计,兴趣主要集中在数值分析方法与CAE软件二次开发方面。 江丙云:SimWe论坛、研发埠版主,精通ABAQUS结构分析、多物理场联合分析等,超过6年世界500强电子企业有限元分析经验,专职于机电产品工程分析及其优化设计;上海交通大学博士,出版有《CAE分析大系——ABAQUS工程实例详解》。
目录
第一部分 引言
第1章 Abaqus二次开发简介 12
1.1 为什么是Python 12
1.2 Python、FORTRAN与Abaqus 13
1.3 基于Python二次开发 14
第2章 Python能力确认 17
2.1 测试程序 17
2.2 程序运行结果 22
第3章 脚本的运行与开发环境 23
3.1 Abaqus中脚本的运行 23
3.1.1 命令区KCLI(Kernel Command Line Interface) 23
3.1.2 CAE-Run Script 24
3.1.3 Abaqus Command 24
3.1.4 Abaqus PDE 25
3.2 选择自己的Python开发环境 26
3.2.1 Abaqus PDE 26
3.2.2 IDLE 27
3.2.3 Notepad++ 28
3.2.4 EditPlus 29
3.2.5 选择合适的编程环境 32
第二部分 Python基础
第4章 Python数据类型与操作符 34
4.1 基本数据类型 34
4.2 列表、元组和字符串 36
4.2.1 列表(list) 36
4.2.2 元组(tuple) 38
4.2.3 字符串(str) 40
4.2.4 列表、元组和字符串的关系 42
4.3 字典 43
4.4 集合 45
4.5 操作符 46
4.5.1 赋值操作符 46
4.5.2 数字类型的操作符 46
4.5.3 序列类型的操作符 48
4.5.4 字典和集合的操作符 50
第5章 表达式和流程控制 51
5.1 表达式和程序执行流程 51
5.2 分支语句if-else 52
5.3 循环语句 54
5.3.1 while循环语句 54
5.3.2 for循环语句 55
5.4 中断和退出 58
5.4.1 break语句 58
5.4.2 continue语句 59
5.5 特殊语句pass 60
第6章 函数 61
6.1 定义函数 61
6.2 函数中的参数传递与调用方法 63
6.3 几个特殊的函数关键字 64
6.3.1 Lambda关键字与匿名函数 64
6.3.2 Map关键字与批量化函数操作 66
6.3.3 Reduce关键字和求和 67
6.3.4 Filter关键字和条件选择 67
第7章 对象和类 69
7.1 对象 69
7.2 类 70
7.2.1 如何定义类 70
7.2.2 如何使用类 71
7.2.3 子类、父类和继承 72
7.2.4 几个特殊的实例属性和类方法 74
7.3 模块和包 75
7.3.1 模块 75
7.3.2 模块的路径搜索 76
7.3.3 名称空间 77
7.3.4 包 78
第8章 文件和目录 79
8.1 文件读写操作 79
8.2 目录操作 82
8.3 文件的压缩和备份 85
8.4 综合实例 87
第9章 异常处理 89
9.1 Python中常见的异常 90
9.2 自定义异常 92
9.3 使用异常 93
9.4 再看异常处理的作用 95
第10章 常用Python扩展模块介绍 96
10.1 NumPy和高效数据处理 97
10.1.1 创建数组 98
10.1.2 数组操作 99
10.1.3 数组运算 100
10.1.4 线性代数 100
10.2 SciPy与数值计算 101
10.2.1 插值 101
10.2.2 拟合 101
10.2.3 极值问题 102
10.3 Matplotlib和图表绘制 103
10.3.1 二维点线数据绘制 104
10.3.2 辅助散点和线图绘制 105
10.3.3 简单三维数据可视化 107
10.4 Xlrd/xlwt与读写Excel 109
10.4.1 读取Excel文件 109
10.4.2 写入Excel数据 109
10.5 Reportlab和PDF 110
10.6 联合使用类库 111
第11章 Python编程中的效率问题 114
11.1 时间成本优化 114
11.1.1 使用内建函数(built-in Function) 114
11.1.2 循环内部的变量创建 115
11.1.3 循环内部避免不必要的函数调用 117
11.1.4 使用列表解析 118
11.1.5 尽量减少IO读写 118
11.1.6 使用优秀的第三方库 119
11.1.7 其他 120
11.2 空间成本优化 120
11.2.1 使用xrange处理长序列 120
11.2.2 注意数据类型的使用 121
11.2.3 使用iterator 122
第三部分 Abaqus/Python基础
第12章 Abaqus Script入门 124
12.1 GUI操作Vs rpy脚本日志 124
12.2 对脚本进行简单的二次开发 133
第13章 Abaqus/Python基础 135
13.1 Abaqus/Python中的数据类型 135
13.1.1 符号常值(SymbolicConstants) 135
13.1.2 布尔值(Booleans) 135
13.1.3 特有的模型对象 136
13.1.4 序列(Sequences) 136
13.1.5 仓库(Repositories) 137
13.2 Abaqus/Python的对象的访问和创建 138
13.2.1 对象的访问 139
13.2.2 对象数据的修改 140
13.2.3 对象的创建 140
13.3 Abaqus/Python中的主要对象概况 141
13.3.1 Abaqus中的Session对象 142
13.3.2 Abaqus中的Mdb对象 143
13.3.3 Abaqus中的Odb对象 145
第14章 Session对象的使用 146
14.1 Viewport及其相关对象 147
14.2 Path对象 152
14.3 XYData对象 153
14.4 XYCurve和XYPlot对象 154
14.5 writeXYReport和writeFieldReport函数 157
第15章 Mdb对象的使用 160
15.1 Model类与有限元模型的建立 161
15.1.1 Sketch和Part对象 162
15.1.2 Material和Section对象 166
15.1.3 Assembly对象 167
15.1.4 Step对象 169
15.1.5 Region对象 170
15.1.6 Constraint和Interaction对象 171
15.1.7 Mesh函数 172
15.1.8 BoundaryCondition和Load对象 173
15.2 Job命令 176
第16章 Odb对象的使用 177
16.1 Odb对象中模型数据 178
16.1.1 Material对象 178
16.1.2 孤立网格数据信息 178
16.1.3 集合对象 182
16.2 Odb对象中结果数据的读取 184
16.2.1 场变量数据的处理 186
16.2.2 历史变量数据的处理 189
16.3 Odb数据文件的写入 190
16.3.1 已有模型添加特定数据 190
16.3.2 生成完整的Odb对象 192
第17章 几个常见问题 195
17.1 几何和网格元素的选择 195
17.1.1 内置的选择函数 195
17.1.2 基于特征的筛选方法 197
17.2 几何元素的特征操作 199
17.3 具有集合性质的对象 201
17.4 监测任务运行过程和结果 204
17.5 交互式输入与GUI插件 206
17.5.1 交互输入 207
17.5.2 GUI插件制作 208
第四部分 应用实例
第18章 悬链线问题 218
18.1 悬链线的方程 218
18.2 利用Abaqus分析悬链线曲线特征 221
18.2.1 建立分析脚本 221
18.2.2 确定合适的初始拉伸量 223
18.2.3 拉伸刚度的影响 224
第19章 扭力弹簧的刚度 227
19.1 扭力弹簧的理论分析公式 227
19.2 利用Abaqus分析扭力弹簧 229
19.2.1 梁单元模拟扭力弹簧 229
19.2.2 实体单元模拟扭力弹簧 234
19.3 结果对比 236
第20章 圆角处网格研究 238
20.1 带孔薄板 238
20.1.1 理论分析 238
20.1.2 模型计算 239
20.2 台阶板倒角处的应力 244
20.2.1 理论分析 244
20.2.2 有限元模拟 245
第21章 优化问题 249
21.1 水下圆筒的抗屈曲设计 249
21.1.1 问题的描述 249
21.1.2 参数化模型 250
21.1.3 优化策略 251
21.1.4 求解与结果 254
21.2 过盈配合设计 258
21.2.1 问题描述 258
21.2.2 参数化模型建模 258
21.2.3 优化策略与结果 263
21.3 笔盖的插入力的确定 268
21.3.1 问题描述 268
21.3.2 参数化模型建模 268
21.3.3 优化策略与结果 273
第22章 分析之间的数据传递 277
22.1 数据传递方法之InitialState 277
22.1.1 数据传递前的准备 277
22.1.2 Standard数据导入Explicit的步骤 278
22.1.3 数据导入实例:冲压成型分析 279
22.2 数据传递方法之Map solution 284
22.2.1 Map solution使用格式 284
22.2.2 数据映射实例:拉拔成型 287
第23章 Python和子程序 295
23.1 Fortran基本用法 295
23.1.1 Fortran基本语法 295
23.1.2 Fortran程序实例 296
23.2 Python处理子程序的一般方法 297
23.3 实例:Dload动态轴承载荷 299
23.3.1 滚子间力的分布 299
23.3.2 Hertz接触理论 300
23.3.3 Dload子程序模板 301
23.3.4 Python建模程序 303
23.4 实例:基于Dflux的焊接热分析 305
23.4.1 焊接分析热源类型 306
23.4.2 Dflux子程序模板 307
23.4.3 焊接自动化分析脚本 309
参考文献 316
前言/序言
《ABAQUS Python 二次开发攻略:CAE分析大系》—— 揭秘强大的工程模拟定制化之道 在现代工程设计与分析领域,数值模拟仿真扮演着至关重要的角色。它能够帮助工程师在产品开发早期预测性能、优化设计、降低成本并缩短研发周期。在众多强大的仿真软件中,ABAQUS以其卓越的非线性分析能力、广泛的物理场支持以及高度的灵活性而闻名。然而,即便是功能强大的商用软件,也常常存在着标准功能无法完全满足特定工程问题需求的情况。此时,二次开发就成为了突破软件局限、实现高度定制化分析的关键。 本书《ABAQUS Python 二次开发攻略:CAE分析大系》正是应运而生,旨在为广大CAE工程师、科研人员以及希望深入掌握ABAQUS高级应用的技术开发者,提供一套系统、详实、实用的Python二次开发指南。本书并非简单罗列API函数,而是从实际工程分析的痛点出发,结合Python语言的强大脚本能力,教授如何自动化、智能化地完成复杂的CAE任务,从而显著提升工作效率与分析精度。 本书内容概览: 本书的编写宗旨在于,让读者不仅能够理解ABAQUS的内部工作机制,更能掌握运用Python脚本语言,对ABAQUS进行深度定制和功能扩展,从而解决那些传统界面操作难以实现的复杂工程问题。全书内容紧密围绕“CAE分析”的核心,并以“Python二次开发”为主要手段,力求做到理论与实践相结合,易学易用。 第一部分:Python语言与ABAQUS基础——搭建坚实的二次开发基石 在深入ABAQUS的二次开发之前,扎实的Python语言基础和对ABAQUS基本工作流程的理解是必不可少的。本部分将为您系统梳理: Python语言入门与进阶: 重点讲解在CAE二次开发中经常使用的Python语法特性,如变量、数据类型、控制流(条件语句、循环)、函数、模块、类与对象等。特别会强调列表、字典、字符串等数据结构的灵活运用,以及文件I/O操作的重要性。我们将从实际的CAE应用场景出发,通过简洁的代码示例,帮助您快速掌握Python编程的核心技能。 ABAQUS基本操作与数据结构: 回顾ABAQUS的标准操作流程,包括建模、材料定义、边界条件施加、网格划分、作业提交与后处理。在此基础上,我们将深入剖析ABAQUS的模型数据是如何在内存中存储和组织的,例如Job、Model、Assembly、Part、Instance、Node、Element、Surface、Material、Section等核心对象的概念及其相互关系。理解这些数据结构是进行高效二次开发的前提。 ABAQUS Scripting Interface (ASI) 概览: 介绍ABAQUS提供的Python接口,它允许我们通过Python脚本与ABAQUS进行交互。我们将演示如何启动Python交互式环境,以及如何利用ASI访问和修改ABAQUS模型。 第二部分:Python脚本在ABAQUS预处理中的应用——实现建模与设置的自动化 预处理阶段是CAE分析中耗时且易出错的环节。本部分将重点介绍如何利用Python脚本大幅提高预处理的效率和精度。 参数化建模与几何形状的生成: 学习如何通过Python脚本创建和修改CAD几何模型。我们将演示如何利用Python代码生成复杂曲线、曲面,并基于这些几何元素构建零件。重点将放在参数化建模技术上,通过修改脚本中的参数,即可快速生成一系列尺寸、形状不同的模型,极大地加速设计迭代过程。 自动化网格划分策略: 网格质量直接影响分析结果的准确性。本部分将教授如何使用Python脚本控制网格的生成,包括单元类型选择、网格尺寸控制、局部网格细化、以及网格质量检查等。我们将探讨如何根据实际工程需求,制定智能化的网格划分方案,避免人工调整的繁琐。 复杂边界条件与载荷的批量施加: 实际工程中,边界条件和载荷可能非常复杂,且需要应用于多个实体或区域。本部分将演示如何通过Python脚本批量读取、生成和施加各种类型的边界条件(如位移约束、对称边界、接触定义)和载荷(如力、压力、温度、加速度)。特别会关注如何根据模型几何或节点/单元属性,实现精确的载荷分布。 材料属性与截面定义的批量管理: 针对包含大量不同材料或截面定义的模型,手动设置将耗费大量时间。本部分将教授如何使用Python脚本批量导入、定义和分配材料属性与截面,以及如何根据模型组件或几何特征自动选择和分配相应的材料和截面。 第三部分:Python脚本在ABAQUS求解过程中的控制与监控——实现高级分析的自动化 求解过程是ABAQUS分析的核心。本部分将教会您如何通过Python脚本来控制求解过程,并实现对分析进程的监控。 作业提交与作业管理: 学习如何通过Python脚本创建、修改和提交ABAQUS分析作业。我们将重点讲解如何控制作业的运行环境、内存分配、CPU核数等参数,以及如何实现并行计算的脚本化管理。 分析步(Step)与状态的控制: 深入理解ABAQUS分析步的概念,以及如何通过Python脚本动态地定义和修改分析步的类型、时间增量、求解器选项等。 求解过程的监控与中断: 介绍如何利用Python脚本实时获取和监控求解过程中的关键信息,例如载荷位移曲线、能量信息、残差等。在必要时,学习如何根据预设的条件,实现分析的自动中断或调整。 第四部分:Python脚本在ABAQUS后处理中的应用——实现智能化结果提取与可视化 后处理是理解分析结果、得出工程结论的关键环节。本部分将重点讲解如何利用Python脚本实现结果的自动化提取、处理和可视化。 结果文件的读取与解析: 学习如何读取ABAQUS生成的Odb(Output Database)文件,这是ABAQUS后处理的核心。我们将演示如何访问Odb文件中的各种结果数据,如位移、应力、应变、温度、以及自定义场变量等。 关键结果的提取与统计: 教授如何编写Python脚本,根据特定的要求,从Odb文件中提取关键的分析结果,例如最大应力位置、特定点的位移值、特定区域的平均应力等。同时,我们将探讨如何对提取的结果进行统计分析,如计算最大值、最小值、平均值、标准差等。 自定义绘图与报告生成: 学习如何利用Python脚本结合Matplotlib等第三方绘图库,生成定制化的工程图表,例如载荷-位移曲线、应力-应变曲线、温度分布图等。此外,还将介绍如何自动化生成结构化的后处理报告,包含图表、表格和文字说明。 结果的可视化定制: 探索如何通过Python脚本控制ABAQUS/Viewer中的可视化显示,例如设置显示精度、颜色映射、裁剪面、路径提取等,从而更直观地展示分析结果。 第五部分:ABAQUS Python二次开发的高级应用与技巧——迈向专业级工程仿真 在掌握了基础的Python二次开发技能后,本部分将进一步拓展您的视野,介绍更高级的应用和技巧。 用户自定义子程序(User Subroutines)的接口开发: 介绍如何通过Python脚本来调用和管理ABAQUS的用户自定义子程序(如UMAT、VUMAT、UEL等)。我们将演示如何将Python脚本与Fortran等语言编写的子程序结合,实现更复杂的本构模型或单元行为的定义。 与其他软件的集成与协同: 探讨如何利用Python脚本实现ABAQUS与其他工程软件(如CAD软件、优化软件、数据分析平台)之间的数据交换与协同工作,构建完整的工程仿真流程。 面向对象的编程思想在ABAQUS二次开发中的应用: 强调如何运用面向对象的思想,设计更清晰、更易于维护和扩展的Python二次开发框架,提高代码的可重用性。 性能优化与代码调试技巧: 提供一些提高Python脚本执行效率的建议,以及在二次开发过程中常用的调试方法和工具,帮助您解决开发过程中遇到的各种问题。 实际工程案例分析: 通过一系列典型的工程仿真案例,例如疲劳寿命预测、结构优化设计、材料非线性行为模拟、接触问题分析等,详细展示Python二次开发在解决实际工程问题中的强大威力。这些案例将贯穿本书的知识点,帮助读者巩固所学,并提供实际操作的参考。 本书的特色与价值: 理论与实践并重: 本书不仅讲解ABAQUS Python接口的API,更侧重于如何将这些API应用于解决实际的CAE工程问题。 案例驱动: 大量精心设计的代码示例和工程案例,帮助读者快速理解和掌握抽象的开发概念。 实操性强: 读者可以跟着书中的步骤,亲手操作,逐步构建自己的二次开发能力。 循序渐进: 内容从基础到高级,层层递进,适合不同阶段的学习者。 提升效率: 掌握本书内容,将极大地提升工程师在CAE分析中的工作效率,解放双手,专注于更具创造性的工作。 解决复杂问题: 赋予工程师解决传统方法难以处理的复杂工程问题的能力。 目标读者: 从事CAE分析工作的工程师,希望通过二次开发提高工作效率,解决复杂问题。 对ABAQUS高级应用感兴趣的研究人员,希望通过脚本化方法实现创新的仿真研究。 希望深入理解ABAQUS工作原理,并将其集成到自身工程流程的技术开发者。 高等院校机械、材料、土木、航空航天等相关专业的高年级本科生和研究生。 《ABAQUS Python 二次开发攻略:CAE分析大系》将是您在ABAQUS仿真分析领域不断探索、创新和突破的得力助手。通过掌握Python二次开发,您将能够驾驭ABAQUS的强大能力,为您的工程设计和分析工作注入新的活力,最终实现更高效、更智能、更具竞争力的CAE分析。