Python語言在Abaqus中的應用(第2版)（簡體書）

Abaqus軟件是國際上公認的功能強大的大型通用非線性有限元分析軟件之一，被廣泛應用於機械制造、石油化工、航空航天、汽車交通、土木工程、國防軍工、水利水電、生物醫學、電子工程、能源、地礦、造船以及日用家電等工業和科學研究領域。Abaqus軟件在技術、質量和可靠性等方面具有卓越的聲譽，可分析工程中各種復雜的線性和非線性問題。
1997年，清華大學莊茁教授以其敏銳的眼光和超強的前瞻性將Abaqus軟件引入國內，取他山之石，攻科研和工程分析之“玉”。近年來，隨著用戶使用Abaqus軟件分析問題能力的逐步提高，軟件中提供的功能已經不能夠滿足需要。由於Abaqus軟件為用戶提供了專門的二次開發接口，包括用戶子程序（User Subroutine）和Abaqus腳本接口（Abaqus Scripting Interface，使用Python語言編寫），因此，越來越多的用戶開始轉向二次開發，即站在較高起點的Abaqus軟件平臺之上，開發算法、研究用戶單元和材料本構模型，避免研究工作的重復。
2009年，筆者與石亦平博士合作出版了《ABAQUS有限元分析常見問題解答》一書，陸續收到國內外的大量讀者來信，部分讀者強烈建議出版關於Abaqus腳本接口方面的書籍。鑒於此，筆者斗膽決定出版《Python語言在Abaqus中的應用》一書，希望能夠為廣大用戶解決實際問題提供幫助和借鑒，2011年7月該書與讀者見面。至今，該書已重印7次，累計印量達12000冊，廣受Abaqus用戶歡迎。鑒於內容升級的需要，決定進行再版，修正第1版中的錯誤及不當之處，並增加宏錄制、GUI腳本介紹、參數化研究等讀者關心的內容，以期給讀者的仿真分析工作提供更大的幫助。
目前，國內關於使用Python語言對Abaqus進行二次開發的書籍較少，筆者在寫作過程中盡所能將內容介紹清楚，讓讀者真正學會編寫Python腳本。但是，使用Python語言進行二次開發本身就是一項龐大的課題，將它與功能強大的Abaqus軟件聯合進行開發，就變得更加復雜。筆者深感無法在一本只有幾百頁的書中將所有的內容都介紹清楚。如果本書能夠為讀者在學習、科研或項目實施過程中提供一點思路和一些幫助，就感覺到非常欣慰了。
本書的第1～第6章為核心內容，可以分為兩部分：第一部分為第1章和第2章，介紹了Python語言編程的基礎知識和Abaqus中的Python腳本接口基礎知識，為後面的學習奠定基礎；第二部分為第3~第6章，依次介紹了編寫腳本快速建立有限元模型、編寫腳本訪問輸出數據庫、編寫腳本進行其他後處理、案例分享及常見問題等內容。
讀者物件
本書主要面向Abaqus軟件的中級和高級用戶，對於初級用戶也有一定的參考價值。
在開始學習本書時，讀者應已經掌握Abaqus有限元分析的基礎知識，熟悉Abaqus/CAE的操作界面，了解在Abaqus中建立有限元模型、提交分析作業和後處理的基本操作。如果在Abaqus/CAE中建模時遇到問題，可以參考筆者撰寫的《ABAQUS有限元分析常見問題解答》一書，可從中得到詳盡的解答。
本書特色
本書內容從實際應用出發，通俗易懂，深入淺出，讀者不需要具備很深的理論知識，即可輕松地掌握Python語言在Abaqus中應用的各種編程技巧。
本書介紹了大量實例腳本的編寫思路和方法，並對每行代碼做了詳細的講解。對於編寫過程中可能出現的問題、應該避免的錯誤做法都通過“提示”的方式提醒讀者。
為了能更加高效地學習本書，筆者將重點、難點、易出錯點加粗表示，以引起讀者的注意。
為了方便學習，書中所有實例的Python腳本文件、INP文件和ODB文件都放在資源包裡，讀者可掃描下方二維碼下載，運行這些實例腳本後將實現特定功能。在實例腳本的基礎上，讀者可以自行修改或添加代碼來滿足編程的需要。
為了便於講解各行代碼的含義，在每行代碼行的開始位置，筆者使用阿拉伯數字進行了標識，而在實際腳本源代碼中這些標識都是不存在的。
注意：本書內容基於Windows操作系統下的Abaqus 618版本，其他版本的Abaqus操作界面可能有所不同，但是，書中的實例腳本對於各Abaqus版本都適用。
注意：資源包中的CAE模型均在Abaqus 618版本下生成，只能使用Abaqus 618及以上版本的Abaqus/CAE才能打開。為了方便使用不同版本的讀者學習本書，資源包中同時提供了INP文件供提交分析作業，命令為abaqus job=job_name interactive。
本書約定
如無特別說明，“單擊”表示對鼠標左鍵進行操作。
本書采用Abaqus軟件操作界面的科學計數格式。例如，4e9表示4×109。
本書的寫作與出版得到了山東省重點研發計劃（公益類專項）（2019GGX101020)、結構聲與機械故障診斷實驗室的資助，在此表示衷心的感謝。
感謝達索系統中國區仿真技術總監白銳和中國石油大學（華東）石油工程學院沈新普教授在百忙之中為本書撰寫了序言。在本書即將出版之際，向他們表示深深的謝意。
致謝
衷心感謝恩師中國礦業大學（北京）姜耀東教授在筆者讀書期間以及在青島理工大學工作期間給予的大力支持、鼓勵、幫助和指導。恩師嚴謹的科研精神、謙遜寬容的品格值得我終身學習。
在編寫本書的過程中，筆者參考了一些專門介紹Python語言的書籍和Abaqus6.18幫助文檔，感謝這些作者的辛勤勞動。
感謝青島理工大學機械與汽車工程學院、復雜網絡與可視化研究所、理學院各位同仁對本人工作的指導與支持，讓我可以心無旁騖地撰寫本書。
特別感謝先生梅葉和寶貝兒子多多，正是你們的理解和支持，才讓我有更多的時間和精力撰寫本書。
由於筆者水平有限，書中錯誤和紕漏之處在所難免，敬請各位專家和廣大讀者批評指正，並歡迎通過電子郵件caojinfeng@quteducn與筆者交流。
曹金鳳
於青島理工大學
Abaqus被廣泛地認為是功能強大的有限元分析軟件，可以分析復雜的固體力學、流體力學、結構力學系統，特別是能夠駕馭非常龐大、復雜的問題和模擬高度非線性問題。
1997年，我的老師清華大學航天航空學院莊茁教授獨具慧眼，把Abaqus軟件引入到我國，至今已23年。從Abaqus在2005年被我工作的法國達索系統公司收購並加速其在中國市場的推廣後，也已經有15個年頭。大多數用戶已經對其基本功能、基礎操作、建模和分析技巧有了相當了解，並逐漸成長為高級用戶，同時對有限元分析提出了更高要求，例如，針對行業的高效建模、自動後處理、模塊化、插件、優化、參數化研究等，需要對Abaqus軟件進行二次開發。
Abaqus/CAE軟件架構工程師在這個軟件開發之初，就十分明智地選擇了功能強大的Python作為內核腳本語言，並內置了Python腳本接口，為用戶二次開發奠定了基礎。眾所周知，Python是近年來最受用戶歡迎的面向物件編程的語言，它最大的優點是簡單易學。閱讀好的Python程序就感覺像是在讀英語一樣，它使用戶能夠專注於解決問題而不是去搞明白語言本身。當功能強大的Abaqus軟件與Python語言聯合後，其功能更加強大。任何一位Abaqus用戶都可以通過Python編程提高Abaqus仿真分析的效率，少則數十倍，多則上萬倍。
我和曹金鳳老師相識於十多年前她讀博士期間，當年她的刻苦、努力以及對Abaqus的熱情就深深地感染了我。後來她在青島理工大學當老師，2009年成立了“Abaqus青島培訓中心”，她一直組織並負責Abaqus相關課程的培訓和與仿真相關的科研工作。
2011年，曹金鳳博士出版了《Python語言在Abaqus中的應用》一書，出版9年來已重印7次，很受Abaqus用戶的歡迎。這充分說明了以Abaqus等軟件為代表的工程仿真計算已經成為熱點技術方向，市場推廣和工業應用在不斷加速中，對提高仿真效率、實現知識工程化的需求非常旺盛。本書在第1版的基礎上，擴展了部分功能，增加了更多實用算例，相信廣大讀者閱讀本書後，會讓Abaqus仿真分析工作更加高效，在促進Abaqus使用水平和廣度方面更上一個臺階。
希望Abaqus可以從面向科研和解決復雜非線性問題的高級分析工具擴展成為廣大工程師的好幫手，實現仿真知識模板化、工程化，並為下一步人工智能驅動的仿真大數據技術提供大數據積累，最終實現無處不在的仿真驅動智能設計和制造的願景，真正充分發揮計算機輔助工程軟件對企業和社會的價值！
預祝本書再版更加暢銷，讀者越來越多，應用越來越火！
白銳
達索系統中國區仿真技術總監

第2版序言一

第2版序言二

第1版序言一

第1版序言二

前言

第0章導言：千裡之行，始於足下

——寫給讀者的話

0.1簡單實例

0.2Abaqus的Python二次開發優勢

0.3學習方法

0.4如何看待本書

0.5心願

第1章Python語言編程基礎

1.1簡介

1.1.1Python語言的特點

1.1.2運行Python腳本

1.2開發工具

1.2.1Abaqus中的Python開發環境

1.2.2EditPlus編輯器的Python開發環境

配置

1.3基礎知識

1.3.1編碼規則

1.3.2數據類型

1.3.3變量和常量

1.3.4運算符和表達式

1.3.5文件類型

1.4內置的數據結構

1.4.1元組

1.4.2列表

1.4.3字典

1.4.4序列

1.5結構化程序設計

1.5.1條件語句

1.5.2循環語句

1.6函數、模塊和包

1.6.1函數

1.6.2模塊

1.6.3包

1.7面向物件編程

1.7.1類和物件

1.7.2屬性和方法

1.7.3繼承

1.7.4多態性

1.8輸入/輸出

1.8.1文件

1.8.2存儲器

1.9Python語言中的異常和異常處理

1.9.1使用try...except語句測試異常

1.9.2使用raise語句引發異常

1.9.3自定義異常

1.9.4使用try...finally語句關閉文件

1.10本章小結

第2章Abaqus中的Python腳本

接口

2.1Abaqus中的腳本接口簡介

2.1.1Abaqus中的腳本接口與

Abaqus/CAE的通信

2.1.2Abaqus腳本接口的命名空間

2.1.3Abaqus與Python腳本接口相關的

文件

2.1.4運行腳本的方法

2.1.5快速編寫腳本的方法

2.2Abaqus中的腳本接口基礎知識

2.2.1使用幫助文檔

2.2.2Abaqus中的數據類型

2.2.3面向物件編程與Abaqus腳本

接口

2.2.4Abaqus中的異常和異常處理

2.3在Abaqus/CAE中使用Python腳本接口

2.3.1Abaqus中的物件模型

2.3.2復制和刪除物件

2.3.3指定區域

2.3.4指定窗口中的顯示物件

2.4Abaqus中的Python開發環境

2.4.1Abaqus中的Python開發環境簡介

2.4.2運行Abaqus PDE的方法

2.4.3調試腳本

2.4.4生成guiLog腳本

2.5宏管理器

2.5.1簡介

2.5.2錄制宏

2.6插件

2.6.1插件簡介

2.6.2使用RSG對話框構造器

2.6.3自定義插件實例

2.7查詢物件

2.7.1一般查詢

2.7.2高級查詢

2.8調試腳本的方法

2.8.1跟蹤法

2.8.2異常拋出法

2.8.3通過print語句或注釋行發現

異常

2.8.4使用Python調試器

2.8.5集成開發環境

2.9本章小結

第3章編寫腳本快速建立有限元模型

3.1創建幾何模型並劃分單元網格

3.2創建材料庫

3.3創建分析步和輸出請求

3.4創建和提交分析作業

3.5本章小結

第4章編寫腳本訪問輸出數據庫

4.1簡介

4.1.13組易混淆的概念

4.1.2使用物件模型編寫腳本

4.2輸出數據庫物件模型

4.2.1模型數據

4.2.2結果數據

4.3從（向）輸出數據庫讀取（寫入）

數據

4.3.1打開（創建）輸出數據庫

4.3.2讀取（寫入）模型數據

4.3.3讀取（寫入）結果數據

4.3.4讀取（寫入）場輸出數據

4.3.5讀取（寫入）歷史輸出數據

4.3.6設置默認的顯示變量

4.4計算Abaqus的分析結果

4.4.1數學運算規則

4.4.2有效的數學運算

4.4.3包絡計算

4.4.4結果轉換

4.5開發實例

4.5.1讀取節點信息和單元信息

4.5.2讀取場輸出數據

4.5.3創建輸出數據庫並添加數據

4.5.4查找Mises應力的最大值

4.5.5計算位移增量和應力增量

4.5.6計算平均應力

4.6提高腳本執行效率的技巧

4.7本章小結

第5章編寫腳本進行其他後處理

5.1自動後處理

5.1.1常用的自動後處理命令

5.1.2開發實例

5.2外部數據的後處理

5.2.1簡介

5.2.2開發實例

5.3本章小結

第6章案例分享及常見問題

6.1優化分析

6.1.1簡介

6.1.2案例分享

6.2監控分析作業

6.2.1簡介

6.2.2案例分享

6.3快速生成guiLog腳本

6.3.1簡介

6.3.2案例分享

6.4參數化研究

6.4.1簡介

6.4.2案例分享

6.5常見問題及解答

6.5.1Python編程零基礎，如何快速

開發Abaqus腳本？

6.5.2Abaqus腳本接口物件模型十分

復雜，如何快速開發腳本？

6.5.3如何實現大量INP文件的自動

提交？

6.5.4所建有限元模型，某些參數是

隨機的，如何實現？

6.6本章小結

附錄

附錄APython語言的保留字

附錄BPython語言的運算符

附錄CPython語言的常用函數

附錄D本書用到的方法（函數）

附錄E本書用到的模塊

附錄F本書涉及的異常類型

參考文獻