基于ABAQUS软件的超声辅助小孔钻削砂轮参数化建模方法与流程

本发明属于计算机三维虚拟建模领域，具体来说是一种超声辅助小孔钻削砂轮参数化虚拟几何建模方法，特别是一种涉及基于abaqus软件和python语言的超声辅助小孔钻削砂轮三维参数化几何建模方法。

背景技术：

磨削加工过程可视为磨粒与工件的相互干涉导致材料去除的过程，即砂轮表面的大量磨粒共同参与加工过程达到材料去除的整体效果。由于磨粒在砂轮上的排列位置、自身形状、大小、磨削刃的个数的随机性，以及真实磨削加工中磨粒的自励作用、不同工艺参数的可选择性等因素，使得原本复杂的磨削加工过程变的更繁琐，难以对完整砂轮与工件加工过程中对研究对象的实时监测。因此将简化的六面体磨粒模型代替复杂变化的真实磨粒形状以建立超声辅助小孔钻削砂轮模型，以便在abaqus软件中定量模拟超声辅助小孔钻削砂轮的磨削过程。但超声辅助小孔钻削砂轮的建模过程过于繁琐，对于软件使用者的要求较高，且模型建立不便于后期多次使用。基于以上现状，研究了一种基于abaqus软件的小孔钻削砂轮参数化建模方法。超声辅助小孔钻削砂轮的三维仿真技术可以创建契合度高的磨削工况，再现材料和砂轮相互作用过程，进而更加合理的揭示磨削加工机理。

选用美国达索公司的abaqus工程模拟有限元软件实现超声辅助小孔钻削砂轮的三维仿真技术。abaqus是一套功能强大的工程模拟有限元分析软件，其非线性分析、计算功能强大，可解决线性和复杂的非线性问题。由于abaqus优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性，使得abaqus被各国的工业和研究中所广泛的采用。通过编写内核脚本来实现整个有限元建模过程是abaqus二次开发的途径之一。abaqus软件本身拥有良好的应用程序接口，而它是python语言的一个扩展接口。利用该接口来开发的应用程序可以创建友好的人机交互界面，进而实现对软件内核的操作。

abaqus软件包含一个基于特征的几何造型系统，在此系统模块下可以建立简单的几何模型。但其三维建模功能有限，对于复杂的三维模型一般需要借助其他cad软件建模，然后将其保存为中间格式(stp/step或igs格式)后倒入abaqus软件编辑调用。这不仅要求abaqus用户兼备熟练使用cad软件的基础，也对所使用计算机的硬件配置有了更高的要求。因不同软件间的兼容性和识别能力所限，会影响后续分析的网格划分和复杂超声辅助小孔钻削砂轮三维模型的建立过程，使得几何建模更加耗时、繁琐。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于abaqus平台和python语言的超声辅助小孔钻削砂轮三维几何建模方法，不仅减少用户对cad软件的依赖性和必要性，降低使用计算机硬件要求，避免不同软件间兼容性和重复识别能力的弊端，有更强的人机交互界面，还大大减少了用户的几何建模时间，实现了在abaqus软件中一键生成超声辅助小孔钻削砂轮三维模型的功能。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

基于abaqus软件的超声辅助小孔钻削砂轮三维参数化几何建模方法，包括以下步骤s1：测量真实超声辅助小孔钻削砂轮的几何尺寸，定义其几何模型的尺寸；

s2：观测砂轮表面形貌，结合砂轮浓度，计算砂轮磨粒的平均间距，以此定义六面体磨粒模型；

s3：对超声辅助小孔钻削砂轮工作区几何模型进行网格划分，建立六面体虚拟格子；

s4：初始定位六面体磨粒的中心面位于六面体虚拟格子的外表面，使六面体磨粒可在虚拟格子内移动；

s5：根据实际磨粒的出刃高度，移动磨粒使其满足条件，确定超声辅助小孔钻削砂轮三维几何形貌模型；

s6：编写gui插件，调用gui插件生成超声辅助小孔钻削砂轮参数化建模输入界面；

s7：在gui界面输入参数，自动生成超声辅助小孔钻削砂轮三维几何形貌模型。

s1中，通过测量真实超声辅助小孔钻削砂轮的几何尺寸，建立带有中心孔直径为2.2.mm、砂轮端部加持端长度为24mm、工作区长度、刀杆外经尺寸与磨粒尺寸可参数化输入的三维几何模型。

s2中，观测超声辅助小孔钻削砂轮的表面形貌，所选用的建模用的砂轮浓度为100、磨粒粒度为180#的金刚石磨粒所对应的金刚石磨粒尺寸范围为80um-63um；经磨粒平均直径计算公式dgavg＝68m^-14，m为砂轮粒度，计算磨粒的平均直径；根据磨粒间距公式l＝137.9m^-14(π/(32-s))^1/3计算磨粒的理论间距，其中，s＝(32-vg/2)表示砂轮的结构参数，vg为砂轮中磨粒体积百分比，单位％，将得到的磨粒间距值代入公式n＝2πrs/l,计算砂轮表面上的磨粒数。

s2中，通过超景深显微镜观察砂轮表面形貌，经过图像滤波、增强、边缘检测、定位的磨粒边缘检测技术，获取磨粒的三维形貌信息，经简化将磨粒的形状设定为六面体。

s3中，对超声辅助小孔钻削砂轮几何模型进行网格划分，以磨粒间距l为边长，将超声辅助小孔钻削砂轮底部工作区划分成若干个边长为l的六面体，建立六面体虚拟格子，超声辅助小孔钻削砂轮几何模型底部带有四个槽的圆环结构区域被划分为多层六面体虚拟格子。

s4中，在超声辅助小孔钻削砂轮几何模型最外层六面体虚拟格子上创建六面体磨粒，初始定位六面体磨粒的中心面位于六面体虚拟格子的外表面。

s5中，对砂轮表面形貌观测，获取磨粒的出刃高度，然后通过六面体磨粒的位置平移与实际磨粒出刃高度保持一致，确定金刚杯型石砂轮三维几何形貌模型。

s6中，使用rsg对话框构造器创建插件程序，并将插件程序保存方式设定为standardplug-in，插件程序的保存目录为用户目录(homedirectory)，将编写好的插件程序保存到安装目录下的abaqus_plugins文件夹内，即可实现对插件程序的自动加载；重新启动abaqus/cae软件时，在软件窗口主界面的plug-ins菜单内自动显示该插件的工具菜单，便可单击调用该插件。

s7中，在gui界面输入工作区长度、磨粒尺寸和外径尺寸三个参数，三个将参数应用于模型，软件自动生成超声辅助小孔钻削砂轮三维几何形貌模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)这种超声辅助小孔钻削砂轮的虚拟建模方法，不依赖于abaqus之外的任何cad软件，进而无需要求用户对cad软件必备的掌握技能，大大降低了对abaqus以外软件的依赖性和必要性。

(2)abaqus软件本身对计算机的硬件配置要求很高，而一旦需要在cad软件中完成中间格式的几何建模，不但需要分出额外的内存运行cad软件，也会因为分辨率等一系列软件运行条件降低abaqus软件的运行环境，使得软件运行更为耗时。同时，借助cad软件导出的中间格式文件，也会因不同软件间兼容性不能将模型完好的导入，且导入的模型越复杂占用的时间越长。

(3)此建模方法大大减少了用户的几何建模时间，可实现在abaqus软件中一键生成超声辅助小孔钻削砂轮参数化三维模型的功能。

(4)采用python语言编制出plug-in程序被主程序调用，以实现对局部cae的操作进行自动化建模和分析，添加的自定义开发程序可以获得更加专业的有限元建模模块。

附图说明

图1本发明的建模方法的流程图。

图2a-2c分别为超声辅助小孔钻削砂轮的几何模型的尺寸示意图(单位为mm)。

图3超声辅助小孔钻削砂轮三维参数化几何建模方法的步骤示意图。

图4超声辅助小孔钻削砂轮参数化建模输入界面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，本发明的基于abaqus软件的超声辅助小孔钻削砂轮三维参数化几何建模方法，步骤如下：

步骤一：测量真实超声辅助小孔钻削砂轮的几何尺寸，定义超声辅助小孔钻削砂轮几何模型的尺寸。通过测量真实超声辅助小孔钻削砂轮的几何尺寸，建立带有中心孔直径为2.2.mm、砂轮端部加持端长度为2450mm、工作区长度、刀杆外经尺寸与磨粒尺寸可参数化输入的三维几何模型。(如图2所示)

步骤二：观测超声辅助小孔钻削砂轮表面形貌，结合砂轮浓度，计算砂轮磨粒的平均间距，以此定义六面体磨粒模型。观测超声辅助小孔钻削砂轮的表面形貌，所选用的建模用的砂轮浓度为100、磨粒粒度为180#的金刚石磨粒，其对应的金刚石磨粒尺寸范围为80um-63um。经磨粒的平均直径计算公式：dgavg＝68m-14，m为砂轮粒度，计算磨粒的平均直径。根据磨粒间距公式：l＝137.9m-14(π/(32-s))1/3计算磨粒的理论间距，其中，s＝(32-vg/2)表示砂轮的结构参数，vg(％)为砂轮中磨粒体积百分比，将得到的磨粒间距值代入公式n＝2πrs/l,即可计算砂轮表面上的磨粒数。通过超景深显微镜观察砂轮表面形貌，经过图像滤波、增强、边缘检测、定位的磨粒边缘检测技术，获取磨粒的三维形貌信息，经简化将磨粒的形状设定为六面体，此处磨粒的边长大小为参数化类型，如图4所示。

步骤三：对超声辅助小孔钻削砂轮几何模型进行网格划分。以磨粒间距l为边长，将超声辅助小孔钻削砂轮底部工作区划分成若干个边长为l的六面体，建立六面体虚拟格子，超声辅助小孔钻削砂轮几何模型底部带有四个槽的圆环结构区域被划分为多层六面体虚拟格子，如图3所示。

步骤四：初始定位六面体磨粒位于六面体的中心位置，在超声辅助小孔钻削砂轮几何模型最外层(槽结构除外)六面体虚拟格子上创建六面体磨粒，初始定位六面体磨粒的中心面位于六面体虚拟格子的外表面。为保证出刃高度，六面体磨粒仅在虚拟格子出刃高度方向可移动。

步骤五：根据实际磨粒的出刃高度，移动磨粒使其满足条件，得到超声辅助小孔钻削砂轮三维几何形貌模型。中对砂轮表面形貌观测，获取磨粒的出刃高度，然后通过六面体磨粒的位置平移与实际磨粒出刃高度保持一致，确定金刚杯型石砂轮三维几何形貌模型，如图3所示。

步骤六：编写gui插件，调用插件生成超声辅助小孔钻削砂轮参数化建模输入界面。使用rsg对话框构造器创建插件程序，并将插件程序保存方式设定为standardplug-in，插件的保存目录为用户目录(homedirectory)，将编写好的插件程序保存到安装目录下的abaqus_plugins文件夹内，即可实现对插件程序的自动加载。重新启动abaqus/cae软件时，在软件窗口主界面的plug-ins菜单内自动显示该插件的工具菜单，便可单击调用该插件，见图4所示。

步骤七：在gui界面输入参数，自动生成超声辅助小孔钻削砂轮三维几何形貌模型。在gui界面输入工作区长度(link-length/mm)磨粒尺寸(grainsize/mm)和外径尺寸(externaldiameter/mm)三个参数，将参数应用于模型，软件自动生成超声辅助小孔钻削砂轮三维几何形貌模型。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅是示意性的，而不是限制性的，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属本发明的保护范围。