内容发布更新时间 : 2024/5/14 19:41:46星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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材料本构模型及编程-ABAQUS-UMAT

材料本构模型及编程实现：简介

1、什么时候用用户定义材料（User-defined material, UMAT）？

很简单，当ABAQUS没有提供我们需要的材料模型时。所以，在决定自己定义一种新的材料模型之前，最好对ABAQUS已经提供的模型心中有数，并且尽量使用现有的模型，因为这些模型已经经过详细的验证，并被广泛接受。 2、好学吗？需要哪些基础知识？

先看一下ABAQUS手册（ABAQUS Analysis User's Manual）里的一段话：

Warning: The use of this option generally requires considerable expertise. The user is cautioned that the implementation of any realistic constitutive model requires extensive development and testing. Initial testing on a single element model with prescribed traction loading is strongly recommended.

但这并不意味着非力学专业，或者力学基础知识不很丰富者就只能望洋兴叹，因为我们的任务不是开发一套完整的有限元软件，而只是提供一个描述材料力学性能的本构方程（Constitutive equation）而已。当然，最基本的一些概念和知识还是要具备的，比如

应力(stress),应变（strain）及其分量； volumetric part和deviatoric part；模量（modulus）、泊松比(Poisson’s ratio)、拉美常数(Lame constant)；矩阵的加减乘除甚至求逆；还有一些高等数学知识如积分、微分等。 3、UMAT的基本任务？

我们知道，有限元计算（增量方法）的基本问题是：

已知第n步的结果（应力，应变等） ，； 然后给出一个应变增量, 计算新的应力 。 UMAT要完成这一计算，并要计算Jacobian矩阵DDSDDE(I,J) =。是应力增量矩阵（张量或许更合适）， 是应变增量矩阵。DDSDDE(I,J) 定义了第J个应变分量的微小变化对第I 个应力分量带来的变化。该矩阵只影响收敛速度，不影响计算结果的准确性（当然，不收敛自然得不到结果）。 4、怎样建立自己的材料模型？

本构方程就是描述材料应力应变（增量）关系的数学公式，不是凭空想象出来的，而是根据实验结果作出的合理归纳。比如对弹性材料，实验发现应力和应变同步线性增长，所以用一个简单的数学公式描述。为了解释弹塑性材料的实验现象，又提出了一些弹塑性模型，并用数学公式表示出来。

对各向同性材料（Isotropic material）,经常采用的办法是先研究材料单向应力-应变规律（如单向拉伸、压缩试验），并用一数学公式加以描述，然后把讲该规律推广到各应力分量。这叫做“泛化“(generalization)。 5、一个完整的例子及解释

下面这个UMAT取自ABAQUS手册，是一个用于大变形下的弹塑性材料模型。希望我的注释能帮助初学者理解。需要了解J2理论。 SUBROUTINE UMAT(STRESS,STATEV,DDSDDE,SSE,SPD,SCD,RPL,DDSDDT, 1 DRPLDE,DRPLDT,STRAN,DSTRAN,TIME,DTIME,TEMP,DTEMP,PREDEF,DPRED, 2 CMNAME,NDI,NSHR,NTENS,NSTATV,PROPS,NPROPS,COORDS,DROT, 3 PNEWDT,CELENT,DFGRD0,DFGRD1,NOEL,NPT,LAYER,KSPT,KSTEP,KINC)

STRESS--应力矩阵，在增量步的开始，保存并作为已知量传入UMAT ；在增量步的结束应该保存更新的应力； STRAN--当前应变，已知 。 DSTRAN—应变增量，已知。

STATEV--状态变量矩阵，用来保存用户自己定义的一些变量，如累计塑性应变，粘弹性应变等等。增量步开始时作为已知量传入，增量步结束应该更新；

DDSDDE=。需要更新

DTIME—时间增量dt。已知。

NDI—正应力、应变个数,对三维问题、轴对称问题自然是3（11,22,33），平面问题是2(11,22)；已知。 NSHR —剪应力、应变个数，三维问题时3(12,13,23)，轴对称问题是1(12)；已知。

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NTENS=NTENS NSHR，已知。

PROPS材料常数矩阵，如模量啊，粘度系数啊等等；作为已知量传入，已知。

DROT—对finite strain问题，应变应该排除旋转部分，该矩阵提供了旋转矩阵，详见下面的解释。已知。

PNEWDT—可用来控制时间步的变化。如果设置为小于1的数，则程序放弃当前计算，并用新的时间增量DTIME X PNEWDT作为新的时间增量计算；这对时间相关的材料如聚合物等有用；如果设为大余1的数，则下一个增量步加大DTIME为DTIME X PNEWDT。可以更新。 其他变量含义可参看手册，暂时用不到。 C

INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'

定义了一些参数，变量什么的，不用管 C

CHARACTER*8 CMNAME C

DIMENSION STRESS(NTENS),STATEV(NSTATV),DDSDDE(NTENS,NTENS), 1 DDSDDT(NTENS),DRPLDE(NTENS),STRAN(NTENS),DSTRAN(NTENS), 2 PREDEF(1),DPRED(1),PROPS(NPROPS),COORDS(3),DROT(3,3), 3 DFGRD0(3,3),DFGRD1(3,3) 矩阵的尺寸声明 C

C LOCAL ARRAYS

C ---------------------------------------------------------------- C EELAS - ELASTIC STRAINS C EPLAS - PLASTIC STRAINS

C FLOW - DIRECTION OF PLASTIC FLOW

C ---------------------------------------------------------------- C

局部变量，用来暂时保存弹性应变、塑性应变分量以及流动方向 DIMENSION EELAS(6),EPLAS(6),FLOW(6) C

PARAMETER(ZERO=0.D0,ONE=1.D0,TWO=2.D0,THREE=3.D0,SIX=6.D0, 1 ENUMAX=.4999D0,NEWTON=10,TOLER=1.0D-6) C

C ---------------------------------------------------------------- C UMAT FOR ISOTROPIC ELASTICITY AND ISOTROPIC MISES PLASTICITY C CANNOT BE USED FOR PLANE STRESS

C ---------------------------------------------------------------- C PROPS(1) - E C PROPS(2) - NU

C PROPS(3..) - SYIELD AN HARDENING DATA

C CALLS HARDSUB FOR CURVE OF YIELD STRESS VS. PLASTIC STRAIN

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C ---------------------------------------------------------------- C

C ELASTIC PROPERTIES C

获取杨氏模量，泊松比，作为已知量由PROPS向量传入 EMOD=PROPS(1) E ENU=PROPS(2) ν

EBULK3=EMOD/(ONE-TWO*ENU) 3K EG2=EMOD/(ONE ENU) 2G EG=EG2/TWO G EG3=THREE*EG 3G

ELAM=(EBULK3-EG2)/THREE λ DO K1=1,NTENS DO K2=1,NTENS DDSDDE(K1,K2)=ZERO END DO END DO

弹性部分，Jacobian矩阵很容易计算

注意，在ABAQUS中，剪切应变采用工程剪切应变的定义，所以剪切部分模量是G而不是2G! C

C ELASTIC STIFFNESS C

DO K1=1,NDI DO K2=1,NDI DDSDDE(K2,K1)=ELAM END DO

DDSDDE(K1,K1)=EG2 ELAM END DO

DO K1=NDI 1,NTENS DDSDDE(K1,K1)=EG END DO C

C RECOVER ELASTIC AND PLASTIC STRAINS AND ROTATE FORWARD C ALSO RECOVER EQUIVALENT PLASTIC STRAIN C

读取弹性应变分量，塑性应变分量，并旋转（调用了ROTSIG），分别保存在EELAS和EPLAS中； CALL ROTSIG(STATEV( 1),DROT,EELAS,2,NDI,NSHR) CALL ROTSIG(STATEV(NTENS 1),DROT,EPLAS,2,NDI,NSHR) 读取等效塑性应变

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