UEL——ABAQUS非線性用戶單元的開發(fā)

1、ABAQUS非線性用戶單元的開發(fā)郭永進(jìn) 莊 茁清華大學(xué)工程力學(xué)系北京 99年11月8日ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系A(chǔ)BAQUS的用戶子程序ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系用戶子程序u用戶子程序?yàn)榉治鎏峁┝艘粋€(gè)非常強(qiáng)大、靈活的工具。u用戶子程序：l可以提高幾個(gè)ABAQUS選項(xiàng)的功能，僅用數(shù)據(jù)行的方式使用這些選項(xiàng)可能太過嚴(yán)格；l用FORTRAN語(yǔ)言寫成；l在某些情況下可以利用ABAQUS的功能程序。ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系A(chǔ)BAQUSABAQUS中的用戶子程序：uCR

2、EEP定義時(shí)間相關(guān)的粘塑性行為（蠕變和膨脹）的用戶子程序uDFLOW在壓實(shí)分析中定義非均勻孔隙 流體速度的用戶子程序uDFLUX在熱傳導(dǎo)或質(zhì)量擴(kuò)散分析中定義非均勻分布流的用戶子程序uDISP定義邊界條件的用戶子程序ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系uDLOAD定義非均勻分布載荷的用戶子程序uFILM在熱傳導(dǎo)分析中定義非均勻膜系數(shù)和相關(guān)的下沉溫度的用戶子程序uFLOW在壓實(shí)分析中定義非均勻滲流系數(shù)和相關(guān)的下沉孔隙壓力的用戶子程序uFRIC定義接觸面摩擦行為的用戶子程序uGAPCON在溫度位移耦合或者純熱傳導(dǎo)分析中定義接觸面或節(jié)點(diǎn)之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)的用戶子程序A

3、BAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系uGAPELECTR在熱電耦合分析中定義表面間導(dǎo)電系數(shù)的用戶子程序uHARDINI定義初始等效塑性應(yīng)變和初始背應(yīng)力張量的用戶子程序uHETVAL在熱傳導(dǎo)分析中定義內(nèi)部熱產(chǎn)生的用戶子程序uMPC定義多點(diǎn)約束的用戶子程序uORIENT為運(yùn)動(dòng)耦合約束定義局部方向或者定義局部材料取向的用戶子程序ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系uRSURFU定義剛性表面的用戶子程序uSDVINI 定義依賴于解的狀態(tài)變量場(chǎng)初始值的用戶子程序uSIGINI定義初應(yīng)力場(chǎng)的用戶子程序uUCORR定義隨機(jī)響應(yīng)載荷的交叉

4、相關(guān)屬性的用戶子程序uUEL定義單元的用戶子程序ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系非線性用戶單元的開發(fā)u動(dòng)機(jī)u定義用戶單元uUEL接口u例：具有非線性截面行為的平面梁?jiǎn)卧猽例：新開發(fā)的兩種用戶單元ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系概要ABAQUS/Standard提供接口，允許用戶實(shí)現(xiàn)線性和非線性有限單元。非線性有限單元在用戶子程序UEL中實(shí)現(xiàn)。接口允許定義任意復(fù)雜的單元。如果編寫適當(dāng)，用戶單元可以在ABAQUS/Standard的大部分程序中應(yīng)用?？梢栽谝粋€(gè)UEL子程序中實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶單元，這些單元可以同時(shí)使用。這里只

5、討論非線性用戶單元的實(shí)現(xiàn)，并采用實(shí)例說明。ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系動(dòng)機(jī)ABAQUS/Standard是一個(gè)功能強(qiáng)大的分析工具，擁有一個(gè)大單元庫(kù)，有500多種單元可以進(jìn)行絕大部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題的分析。然而，在有些情況下需要開發(fā)用戶單元來補(bǔ)充ABAQUS的單元庫(kù)：所需的單元幾何信息與ABAQUS已有的單元不同模擬與結(jié)構(gòu)行為耦合的非結(jié)構(gòu)物理過程施加依賴于解的載荷模擬主動(dòng)控制機(jī)理ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系在分析程序如ABAQUS中開發(fā)用戶單元而不是編寫一個(gè)完全的分析程序的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的：ABAQUS提供大量的結(jié)

6、構(gòu)單元、分析程序和建模工具。ABAQUS提供前處理和后處理。許多第三方軟件提供帶有ABAQUS接口的前后處理器。維護(hù)和移植子程序比維護(hù)和移植一個(gè)完全的有限元程序容易的多。ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系定義用戶單元用戶單元的主要特征在編寫UEL子程序前，必須先定義單元的以下主要特征：?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)數(shù)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的自由度數(shù)ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系其它重要的單元性質(zhì)另外，必須定義下面的單元性質(zhì)：需要在UEL外定義的單元性質(zhì)數(shù)目每一個(gè)單元需要存儲(chǔ)的依賴于解的狀態(tài)變量數(shù)目（SDVs）可能會(huì)作用于單元上的（分

7、布）載荷類型數(shù)目這些數(shù)目不必立即定義：它們可以很容易地在完成基本的UEL子程序后加入。ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系定義用戶單元行為在一般的分析步中單元對(duì)模型的主要貢獻(xiàn)是提供作用于節(jié)點(diǎn)上的“力”FN依賴于節(jié)點(diǎn)的自由度uN的值。如果自由度是位移，那么相關(guān)的“力”為節(jié)點(diǎn)力。類似地，旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)矩，溫度對(duì)應(yīng)于熱流。在非線性用戶單元中“力”常常依賴于自由度的增量uN和內(nèi)部狀態(tài)變量H。狀態(tài)變量必須在用戶子程序中進(jìn)行更新。ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系在一般分析步中求解（非線性）方程組需要你定義單元的剛度矩陣：剛度矩陣應(yīng)包

8、含 FN對(duì)uN所有的直接和間接的依賴性，例如在一般分析步中剛度矩陣定義的越精確，收斂性就越好。剛度矩陣確定線性擾動(dòng)分析步的解，所以其定義必須精確。剛度矩陣可以為對(duì)稱或非對(duì)稱。MNNMdudFKMNuHHFABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系用戶單元的復(fù)雜程度可以變化很大。在由常規(guī)單元構(gòu)成的分析中可以采用簡(jiǎn)單的用戶單元來達(dá)到“控制”和“反饋”的功能。復(fù)雜的非線性結(jié)構(gòu)單元的編制常常需要很大的工作量。如果單元由非線性材料構(gòu)成，你最好用單獨(dú)的子程序描述材料行為。如果材料模型是在子程序UMAT中實(shí)現(xiàn)的，那么可以在UEL中包含對(duì)UMAT的調(diào)用。前面對(duì)UMAT中積分的討論

9、同樣適用于UEL中的材料模型。ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系UEL接口ABAQUS選項(xiàng)用戶單元是用*USER ELEMENT選項(xiàng)定義的。在輸入文件中這個(gè)選項(xiàng)必須出現(xiàn)在引用用戶單元的*ELEMENT選項(xiàng)的前面。輸入文件中用于UEL的語(yǔ)法如下：*USER ELEMENT, TYPE=Un, NODES=, COORDINATES=, PROPERTIES=, I PROPERTIES=, VARIABLES=, UNSYMMData lines(s)*ELEMENT,TYPE=Un, ELSET=UELData line(s)*UEL PROPERTY,E

10、LSET=UELData line(s)*USER SUBROUTINE, (INPUT=file_name)*USER SUBROUTINE選項(xiàng)在ABAQUS 6.1版本中將不再用。ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系UEL接口用戶子程序UEL的接口如下： SUBROUTINE UEL(RHS,AMATRX,SVARS,ENERGY,NDOFEL,NRHS,NSVARS, 1 PROPS,NPROPS,COORDS,MCRD,NNODE,U,DU,V,A,JTYPE,TIME,DTIME, 2 KSTEP,KINC,JELEM,PARAMS,NDLOAD,

11、JDLTYP,ADLMAG,PREDEF, 3 NPREDF,LFLAGS,MLVARX,DDLMAG,MDLOAD,PNEWDT,JPROPS,NJPROP, 4 PERIOD)C INCLUDE ABA_PARAM.INCC DIMENSION RHS(MLVARX,*),AMATRX(NDOFEL,NDOFEL), 1 SVARS(NSVARS),ENERGY(8),PROPS(*),COORDS(MCRD,NNODE), 2 U(NDOFEL),DU(MLVARX,*),V(NDOFEL),A(NDOFEL),TIME(2), 3 PARAMS(3),JDLTYP(MDLOAD,*),

12、ADLMAG(MDLOAD,*), 4 DDLMAG(MDLOAD,*),PREDEF(2,NPREDF,NNODE),LFLAGS(*),JPROPS(*)“INCLUDE”聲明語(yǔ)句為浮點(diǎn)變量設(shè)置合適的精度（大部分機(jī)器上為REAL*8）。ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系UEL變量ABAQUS為用戶單元UEL提供下面的變量：坐標(biāo)、位移、增量位移，對(duì)于動(dòng)態(tài)，還有速度和加速度增量開始時(shí)刻的狀態(tài)變量SDVs總時(shí)間和增量時(shí)間、溫度以及用戶定義的場(chǎng)變量用戶單元性質(zhì)載荷類型及當(dāng)前總載荷值和載荷增量值單元類型和用戶定義的單元號(hào)分析類型標(biāo)志，對(duì)于動(dòng)態(tài)，積分算子值當(dāng)前所在

13、的分析步數(shù)和增量步數(shù)ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系必須定義下面的變量：右手端矢量（節(jié)點(diǎn)流或力）剛度矩陣依賴于解的狀態(tài)變量可以定義下面的變量：?jiǎn)卧哪芰浚☉?yīng)變能、塑性耗散、動(dòng)能等）建議的新時(shí)間增量所有參數(shù)的詳細(xì)描述請(qǐng)參見ABAQUS/Standard用戶手冊(cè)的第6.2.18節(jié)。ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系編寫和測(cè)試UEL編寫ABAQUS用戶子程序的基本規(guī)則：遵從FORTRAN 77或C的語(yǔ)法。確保所有的變量都定義和初始化過。為狀態(tài)變量分配足夠的存儲(chǔ)空間。ABAQUS 5.8-10版本要求FORTRAN編譯器的版

14、本為5.0；從ABAQUS 5.8-14開始，要求FORTRAN編譯器的版本為6.0。ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系復(fù)雜的UELs可能會(huì)存在很多潛在的問題，調(diào)試一個(gè)不收斂的包含UEL的大模型會(huì)帶來不必要的困難。用只有一個(gè)單元的輸入文件驗(yàn)證UEL：首先，用一般分析步進(jìn)行測(cè)試將所有的解變量都賦值，用來驗(yàn)證總流（力）。其次，用線性擾動(dòng)步進(jìn)行測(cè)試將所有的載荷都賦值，用來驗(yàn)證單元的剛度矩陣。最后，用一般分析步進(jìn)行測(cè)試將所有的載荷都賦值，用來驗(yàn)證剛度矩陣和流矢量的匹配。逐漸增大測(cè)試問題的復(fù)雜程度。如果可能，與標(biāo)準(zhǔn)ABAQUS單元的結(jié)果進(jìn)行比較。ABAQUS 6.1

15、版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系例1：具有非線性截面行為的平面梁?jiǎn)卧繕?biāo)分析一個(gè)平面混凝土框架結(jié)構(gòu)。這個(gè)框架所受載荷很大，混凝土內(nèi)已有明顯的非線性，但位移仍然很小，可以不考慮幾何非線性。建立一個(gè)模型：直接用軸向力和彎矩描述非線性截面行為。這與選項(xiàng)*BEAM SECTION, SECTION=NONLINEAR GENERAL類似，但是允許軸向和彎曲項(xiàng)之間的耦合。忽略橫向剪切變形。ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系編程要求單元采用數(shù)值積分；因此，需要在UEL中定義下面的量：?jiǎn)卧狟矩陣，用于聯(lián)系軸向應(yīng)變、曲率與單元位移ue:本構(gòu)律矩陣D，用

16、于聯(lián)系軸向力F、彎矩M與軸向應(yīng)變、曲率 ： euB DMFABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系單元?jiǎng)偠染仃嚕簡(jiǎn)卧κ噶浚翰捎脭?shù)值積分：其中n為積分點(diǎn)數(shù)，li為與積分點(diǎn)i相關(guān)聯(lián)的長(zhǎng)度。 dlBDBKlTe0 dlMFBFlTe0niiillAAdl10ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系評(píng)論這個(gè)UEL所采用的描述和簡(jiǎn)單的B23單元用于幾何線性分析時(shí)所采用的描述基本相同。這個(gè)程序可以和*TRANSFORM一起使用。這個(gè)程序可以比較簡(jiǎn)單地推廣到三維分析。將這個(gè)程序發(fā)展應(yīng)用于幾何非線性分析要復(fù)雜的多。即使是線性分析，每一個(gè)增量步至少調(diào)用這個(gè)程序兩次（對(duì)于每一個(gè)單元）：一次用于組集，一次用于恢復(fù)。然后，每一次迭代至少調(diào)用一次：組集和恢復(fù)同時(shí)進(jìn)行。ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)暨99中國(guó)地區(qū)用戶會(huì)議 清華大學(xué)工程力學(xué)系EPZ單元單元u界面單元，用于裂紋自主擴(kuò)展起裂、加速、減速、止裂都是計(jì)算的結(jié)果 ABAQUS 6.1版本發(fā)布會(huì)