ABAQUS材料用戶子程序UMAT學習報告.ppt

1、ABAQUS材料用戶子程序UMAT學習報告,原子核科學技術研究所,劉龍,2014.12.31,目錄,用戶子程序介紹,ABAQUS允許用戶通過子程序以代碼的形式來擴展主程序的功能，并給用戶提供了強大而又靈活的用戶子程序接口和應用程序接口，用戶可以定義包括邊界條件、荷載條件、接觸條件、材料特性以及利用用戶子程序和其它應用軟件進行數(shù)值交換等等。,用戶子程序大致可以分為 7 類，下面為具體的分類及用戶常用子程序。,1、用戶定義的初始條件,利用此類子程序可以在分析時定義初始條件。,2、用戶定義的邊界條件,例如：初始應力場的定義，可以采用SIGINI 用戶子程序來定義；在滲流場分析時定義初始孔隙水壓力分析

2、可采用UPOREP 用戶子程序；多孔介質初始孔隙度分布的定義可采用 VOIDRI 用戶子程序。,利用此類子程序可以在結構分析或耦合分析時定義特殊類型的邊界條件，如定義節(jié)點位移，定義分布機械載荷，定義流體流速和流量等。,例如：非均布的滲流流速和流量的 DFLOW 和DFLUX ，非均布的滲流系數(shù)的 FLOW ；特殊類型的位移邊界的 DISP ；面力載荷可采用 DLOAD ；特殊分布的牽引力的 UTRACLOAD ；溫度場邊界的 UTEMP 。,3、定義輸出量的用戶子程序,此類用戶子程序可以定義提取單元結果，將單元量輸出，寫到后處理結果文件中，如 UVARM子程序；此外，讀取結果文件可采用 URD

3、FIL 子程序。,4、用戶定義的單元,對于特殊類型的單元，可采用 UEL 子程序進行定義。,5、用戶定義的材料特性和本構關系,利用此類子程序可以定義各種本構模型，如各向異性或正交各向異性的彈性應力-應變關系，各種非線性彈塑性本構關系、也可以定義蠕變應變率演化方程、定義非線性應力-應變關系，定義加工硬化或應變硬化曲線等。,例如：采用 UMAT 子程序可以定義各類本構模型，包括非線性彈性、彈塑性以及蠕變等模型；采用 CREEP 子程序可以定義各類蠕變或膨脹演化方程；關于材料的熱力學特性可以采用 UMATHT 子程序；定義粘彈性材料或超彈性材料可以采用 UHYPEL 和 UHYPER子程序；,6、用

4、戶定義的狀態(tài)變量,狀態(tài)變量主要包括定義場變量、與求解過程相關的狀態(tài)變量，以后重新定義材料點的狀態(tài)變量，主要有 UFIELD 子程序、 SDVINI 子程序和 USDFLD 子程序。 此外還包括定義摩擦接觸屬性的子程序，如定義摩擦接觸行為的 FRIC 子程序，以及接觸面行為定義的 UINTER 子程序等。,7、其他用戶子程序,此外， 還包括特殊類型用途的子程序， 如定義多點約束的子程序 MPC， 定義局部坐標的 ORIENT子程序等。上述子程序的分類僅限于在巖土工程領域，其他領域有不同的分類方法。,UMAT使用方法,1、UMAT簡介,用戶材料子程序（ User-defined Material

5、Mechanical Behavior，簡稱 UMAT）是 ABAQUS 提供給用戶定義自己的材料屬性的 Fortran 程序接口， 使用戶能使用ABAQUS 材料庫中沒有定義的材料模型。用戶材料子程序 UMAT 通過與 ABAQUS 主求解程序的接口實現(xiàn)與 ABAQUS 的資料交流。,UMAT 子程序具有強大的功能，具體功能如下：,可以定義材料的本構關系，使用 ABAQUS 材料庫中 沒有包含的材料進行計算，擴充程序功能。 幾乎可以用于力學行為分析的任何分析過程，幾乎可以把用戶材料屬性賦予 ABAQUS 中的任何單元。 必須在 UMAT 中提供材料本構的雅可比（ Jacobian）矩陣，即應

6、力增量對應變增量的變化率。,2、UMAT書寫格式,定義了一些相關參數(shù)與變量的精確度，從 ABAQUS 安裝目錄下可找到,UMAT 中的應力矩陣、應變矩陣以及矩陣 DDSDDE、 DDSDDT、 DRPLDE 等，都是直接分量存儲在前，剪切分量存儲在后。直接分量有 NDI 個，剪切分量有 NSHR 個。各分量之間的順序根據(jù)單元自由度的不同有一些差異，所以編寫 UMAT 時要考慮到所使用單元的類別。,DDSDDE (NTENS NTENS)：一個 NTENS NTENS 的矩陣，稱作 Jacobian 矩陣，即( / )。DDSDDE(I,J)定義了第 J 個應變分量的微小變化對第 I 個應力分量

7、帶來的影響變化。,STRESS(NTENS)：應力張量矩陣，對應NDI 個直接分量和 NSHR 個剪切分量,STATEV (NSTATEV)：用于存儲與解有關的狀態(tài)變量的數(shù)組。,SSE, SPD, SCD：分別定義每一增量步的彈性應變能，塑性 耗散和蠕變耗散。它們對計算結果沒有影響，僅僅作為能量輸出。,RPL：單位時間增量內產生的體積熱。,DDSDDT(NTENS) ：應力增量隨溫度的變化。,DRPLDE(NTENS) ：變化的RPL對應的應變增量。,DRPLDT ：變化的RPL對應的溫度。,STRAN(NTENS) ：增量開始時的總壓變數(shù)組。,DSTRAN(NTENS) ：應變增量數(shù)組。,D

8、STRAN(NTENS) ：應變增量數(shù)組。,TIME：當前增量開始時總時間的值。,DTIME：增量步的時間增量 。,TEMP：開始的溫度。,DTEMP：增量步的溫度增量。,PREDEF：預定場內變量基于節(jié)點處的插值值。,DPRED：預定場內變量的增量。,CMNAME：用戶定義材料的名稱。,NDI：某一點上直接應力組件數(shù)。,NSHR：某一點上剪切應力組件數(shù)。,NTENS：總應力分量個數(shù)，（=NDI+NSHR）。,NSTATV：存儲與解有關的狀態(tài)變量數(shù)組個數(shù)。,PROPS (NPROPS)：材料常數(shù)數(shù)組。,COORDS：當前積分點坐標。DROT(3,3) ：旋轉增量矩陣。,CELENT：特征元素長

9、度。,DFGRD0(3,3)：增量步開始時變形梯度數(shù)組。,DFGRD1(3,3)：增量步結束時變形梯度增量數(shù)組。,NOEL：單元數(shù)；NPT：積分點數(shù)； KSTEP：步數(shù)。,LAYER：復合殼和層狀固體的層數(shù)； KINC：增量數(shù)量。,KSPT：在當前層部分點數(shù)量。,UMAT應用實例,1、驗證Abaqus 6.13 Verification Guide 中UMAT實例,用UMAT戶子程序解決各向同性米塞斯塑性模型,載入輸入文件umat.inp，得到如下圖形。,按下圖所示創(chuàng)建作業(yè)（Job）,按下圖所示操作載入umat.for子程序文件,一段時間后，結果如下圖所示。,點擊Submit之后，結果如下圖所示。,最后查看可視化后處理，得到如下云圖。,2、驗證利用UMAT進行二次開發(fā)的實例,實例：最簡單的桿件單軸拉伸，材料本構模型采用線彈性模型，E 206000MPa, =0.3。左端約束，右端施加均布力 q=1MPa。,分析：這是一個簡單的杠桿拉伸模型，ABAQUS內部就有這種模型，但也可以使