1、ABAQUS材料用戶子程序UMAT學(xué)習(xí)報(bào)告,原子核科學(xué)技術(shù)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(kuò)展主程序的功能，并給用戶提供了強(qiáng)大而又靈活的用戶子程序接口和應(yīng)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(yīng)用軟件進(jìn)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(shí)定義初始條件。,2、用戶定義的邊界條件,例如：初始應(yīng)力場(chǎng)的定義，可以采用SIGINI 用戶子程序來定義；在滲流場(chǎng)分析時(shí)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(zhì)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(jié)構(gòu)分析或耦合分析時(shí)定義特殊類型的邊界條件，如定義節(jié)點(diǎn)位移，定義分布機(jī)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(chǎng)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(jié)果，將單元量輸出，寫到后處理結(jié)果文件中，如 UVARM子程序；此外，讀取結(jié)果文件可采用 URD

3、FIL 子程序。,4、用戶定義的單元,對(duì)于特殊類型的單元，可采用 UEL 子程序進(jìn)行定義。,5、用戶定義的材料特性和本構(gòu)關(guān)系,利用此類子程序可以定義各種本構(gòu)模型，如各向異性或正交各向異性的彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，各種非線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系、也可以定義蠕變應(yīng)變率演化方程、定義非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，定義加工硬化或應(yīng)變硬化曲線等。,例如：采用 UMAT 子程序可以定義各類本構(gòu)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(guān)于材料的熱力學(xué)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(chǎng)變量、與求解過程相關(guān)的狀態(tài)變量，以后重新定義材料點(diǎn)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(diǎn)約束的子程序 MPC， 定義局部坐標(biāo)的 ORIENT子程序等。上述子程序的分類僅限于在巖土工程領(lǐng)域，其他領(lǐng)域有不同的分類方法。,UMAT使用方法,1、UMAT簡(jiǎn)介,用戶材料子程序（ User-defined Material

5、Mechanical Behavior，簡(jiǎn)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(kù)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(shí)現(xiàn)與 ABAQUS 的資料交流。,UMAT 子程序具有強(qiáng)大的功能，具體功能如下：,可以定義材料的本構(gòu)關(guān)系，使用 ABAQUS 材料庫(kù)中 沒有包含的材料進(jìn)行計(jì)算，擴(kuò)充程序功能。 幾乎可以用于力學(xué)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(gòu)的雅可比（ Jacobian）矩陣，即應(yīng)

6、力增量對(duì)應(yīng)變?cè)隽康淖兓省?2、UMAT書寫格式,定義了一些相關(guān)參數(shù)與變量的精確度，從 ABAQUS 安裝目錄下可找到,UMAT 中的應(yīng)力矩陣、應(yīng)變矩陣以及矩陣 DDSDDE、 DDSDDT、 DRPLDE 等，都是直接分量存儲(chǔ)在前，剪切分量存儲(chǔ)在后。直接分量有 NDI 個(gè)，剪切分量有 NSHR 個(gè)。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(shí)要考慮到所使用單元的類別。,DDSDDE (NTENS NTENS)：一個(gè) NTENS NTENS 的矩陣，稱作 Jacobian 矩陣，即( / )。DDSDDE(I,J)定義了第 J 個(gè)應(yīng)變分量的微小變化對(duì)第 I 個(gè)應(yīng)力分量

7、帶來的影響變化。,STRESS(NTENS)：應(yīng)力張量矩陣，對(duì)應(yīng)NDI 個(gè)直接分量和 NSHR 個(gè)剪切分量,STATEV (NSTATEV)：用于存儲(chǔ)與解有關(guān)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(yīng)變能，塑性 耗散和蠕變耗散。它們對(duì)計(jì)算結(jié)果沒有影響，僅僅作為能量輸出。,RPL：?jiǎn)挝粫r(shí)間增量?jī)?nèi)產(chǎn)生的體積熱。,DDSDDT(NTENS) ：應(yīng)力增量隨溫度的變化。,DRPLDE(NTENS) ：變化的RPL對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)隽俊?DRPLDT ：變化的RPL對(duì)應(yīng)的溫度。,STRAN(NTENS) ：增量開始時(shí)的總壓變數(shù)組。,DSTRAN(NTENS) ：應(yīng)變?cè)隽繑?shù)組。,D

8、STRAN(NTENS) ：應(yīng)變?cè)隽繑?shù)組。,TIME：當(dāng)前增量開始時(shí)總時(shí)間的值。,DTIME：增量步的時(shí)間增量 。,TEMP：開始的溫度。,DTEMP：增量步的溫度增量。,PREDEF：預(yù)定場(chǎng)內(nèi)變量基于節(jié)點(diǎn)處的插值值。,DPRED：預(yù)定場(chǎng)內(nèi)變量的增量。,CMNAME：用戶定義材料的名稱。,NDI：某一點(diǎn)上直接應(yīng)力組件數(shù)。,NSHR：某一點(diǎn)上剪切應(yīng)力組件數(shù)。,NTENS：總應(yīng)力分量個(gè)數(shù)，（=NDI+NSHR）。,NSTATV：存儲(chǔ)與解有關(guān)的狀態(tài)變量數(shù)組個(gè)數(shù)。,PROPS (NPROPS)：材料常數(shù)數(shù)組。,COORDS：當(dāng)前積分點(diǎn)坐標(biāo)。DROT(3,3) ：旋轉(zhuǎn)增量矩陣。,CELENT：特征元素長(zhǎng)

9、度。,DFGRD0(3,3)：增量步開始時(shí)變形梯度數(shù)組。,DFGRD1(3,3)：增量步結(jié)束時(shí)變形梯度增量數(shù)組。,NOEL：?jiǎn)卧獢?shù)；NPT：積分點(diǎn)數(shù)； KSTEP：步數(shù)。,LAYER：復(fù)合殼和層狀固體的層數(shù)； KINC：增量數(shù)量。,KSPT：在當(dāng)前層部分點(diǎn)數(shù)量。,UMAT應(yīng)用實(shí)例,1、驗(yàn)證Abaqus 6.13 Verification Guide 中UMAT實(shí)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(shí)間后，結(jié)果如下圖所示。,點(diǎn)擊Submit之后，結(jié)果如下圖所示。,最后查看可視化后處理，得到如下云圖。,2、驗(yàn)證利用UMAT進(jìn)行二次開發(fā)的實(shí)例,實(shí)例：最簡(jiǎn)單的桿件單軸拉伸，材料本構(gòu)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(gè)簡(jiǎn)單的杠桿拉伸模型，ABAQUS內(nèi)部就有這種模型，但也可以使