ABAQUS用戶材料子程序UMAT介紹課件

ABAQUS用戶材料子程序UMAT介紹報(bào)告人：裴華富ABAQUS用戶材料子程序UMAT介紹報(bào)告人：裴華富1（一）UMAT簡介ABAQUS不僅提供標(biāo)準(zhǔn)的有限元分析程序，而且具有良好的開放性，可利用它提供的用戶子程序接口生成非標(biāo)準(zhǔn)的分析程序來滿足用戶的需要，在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。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（UtilityRoutine），ABAQUS一共有42個(gè)用戶子程序接口，15個(gè)應(yīng)用程序接口。（一）UMAT簡介ABAQUS不僅提供標(biāo)準(zhǔn)的有限元分2（一）UMAT簡介用戶可以定義包括：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。這些用戶子程序接口使得用戶解決一些問題時(shí)有很大的靈活性，同時(shí)大大的擴(kuò)充了ABAQUS的功能。（一）UMAT簡介用戶可以定義包括：邊界條件、荷載條件3（一）UMAT簡介通過用戶材料子程序（User-definedMaterialMechanicalBehavior，簡稱UMAT）接口，用戶可定義任何補(bǔ)充的材料模型，不但任意數(shù)量的材料常數(shù)都可以作為資料被讀取，而且ABAQUS對于任何數(shù)量的與解相關(guān)的狀態(tài)變量在每一材料計(jì)數(shù)點(diǎn)都提供了存儲功能，以便在這些子程序中應(yīng)用。（一）UMAT簡介通過用戶材料子程序（User-def4（二）用戶材料子程序功能UMAT子程序具有強(qiáng)大的功能，使用UMAT子程序：(1)可以定義材料的本構(gòu)關(guān)系，使用ABAQUS材料庫中沒有包含的材料進(jìn)行計(jì)算，擴(kuò)充程序功能。(2)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；（二）用戶材料子程序功能UMAT子程序具有強(qiáng)大的功能，使用5（二）用戶材料子程序功能(3)必須在UMAT中提供材料本構(gòu)模型的雅可比（Jacobian）矩陣，即應(yīng)力增量對應(yīng)變增量的變化率。（二）用戶材料子程序功能(3)必須在UMAT中提供材料本6（三）編程思路由于主程序與UMAT之間存在數(shù)據(jù)傳遞，甚至共用一些變量，因此必須遵守有關(guān)UMAT的書寫格式，UMAT中常用的變量在文件開頭予以定義，通常格式為：（三）編程思路由于主程序與UMAT之間存在數(shù)據(jù)傳遞，甚7（三）編程思路SUBROUTINEUMAT(STRESS,STATEV,DDSDDE,SSE,SPD,SCD,1RPL,DDSDDT,DRPLDE,DRPLDT,2STRAN,DSTRAN,TIME,DTIME,TEMP,DTEMP,PREDEF,DPRED,CMNAME,3NDI,NSHR,NTENS,NSTATV,PROPS,NPROPS,COORDS,DROT,PNEWDT,4CELENT,DFGRD0,DFGRD1,NOEL,NPT,LAYER,KSPT,KSTEP,KINC)CINCLUDE'ABA_PARAM.INC'CCHARACTER*80CMNAMEDIMENSIONSTRESS(NTENS),STATEV(NSTATV),1DDSDDE(NTENS,NTENS),DDSDDT(NTENS),DRPLDE(NTENS),2STRAN(NTENS),DSTRAN(NTENS),TIME(2),PREDEF(1),DPRED(1),3PROPS(NPROPS),COORDS(3),DROT(3,3),DFGRD0(3,3),DFGRD1(3,3)usercodingtodefineDDSDDE,STRESS,STATEV,SSE,SPD,SCDand,ifnecessary,RPL,DDSDDT,DRPLDE,DRPLDT,PNEWDTRETURNEND（三）編程思路SUBROUTINEUMAT(STRESS,8（三）編程思路UMAT中的應(yīng)力矩陣、應(yīng)變矩陣以及矩陣DDSDDE，DDSDDT，DRPLDE等，都是直接分量存儲在前，剪切分量存儲在后。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。下面對UMAT中用到的一些變量進(jìn)行說明：（三）編程思路UMAT中的應(yīng)力矩陣、應(yīng)變矩陣以及矩陣DDS9（三）編程思路DDSDDE(NTENS,NTENS)是一個(gè)NTENS維的方陣，稱作雅可比矩陣。STRESS(NTENS)應(yīng)力張量矩陣，對應(yīng)NDI個(gè)直接分量和NSHR個(gè)剪切分量。STATEV(NSTATEV)用于存儲狀態(tài)變量的矩陣，在增量步開始時(shí)將數(shù)值傳遞到UMAT中。（三）編程思路DDSDDE(NTENS,NTENS)是一個(gè)N10（三）編程思路狀態(tài)變量矩陣的維數(shù)，等于關(guān)鍵字“*DEPVAR”定義的數(shù)值。狀態(tài)變量矩陣的維數(shù)通過ABAQUS輸入文件中的關(guān)鍵字“*DEPVAR”定義，關(guān)鍵字下面數(shù)據(jù)行的數(shù)值即為狀態(tài)變量矩陣的維數(shù)。材料常數(shù)的個(gè)數(shù)，等于關(guān)鍵字“*USERMATERIAL”中“CONSTANTS”常數(shù)設(shè)定的值。（三）編程思路狀態(tài)變量矩陣的維數(shù)，等于關(guān)鍵字“*DEPVAR11（三）編程思路PROPS(NPROPS)材料常數(shù)矩陣，矩陣中元素的數(shù)值對應(yīng)于關(guān)鍵字“*USERMATERIAL”下面的數(shù)據(jù)行。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。它們對計(jì)算結(jié)果沒有影響，僅僅作為能量輸出。（三）編程思路PROPS(NPROPS)材料常數(shù)矩陣，矩陣中12（三）編程思路其他變量：STRAN(NTENS)

：應(yīng)變矩陣；DSTRAN(NTENS)：應(yīng)變增量矩陣；DTIME：增量步的時(shí)間增量；NDI：直接應(yīng)力分量的個(gè)數(shù)；NSHR：剪切應(yīng)力分量的個(gè)數(shù)；NTENS：總應(yīng)力分量的個(gè)數(shù)，NTENS=NDI+NSHR。（三）編程思路其他變量：13（三）編程思路UMAT子程序的設(shè)計(jì)和FORTRAN程序設(shè)計(jì)完全一樣，它可由若干個(gè)子程序段組成，每個(gè)程序段可獨(dú)立編寫，實(shí)現(xiàn)不同的功能，然后將各程序單位連接起來即成為一個(gè)整體。這就是結(jié)構(gòu)化程序的設(shè)計(jì)思想。（三）編程思路UMAT子程序的設(shè)計(jì)和FORTRAN程序14（三）編程思路編制用戶子程序時(shí)應(yīng)注意：(1)用戶子程序相互之間不能調(diào)用，但可以調(diào)用用戶自己編寫的Fortran子程序和ABAQUS應(yīng)用程序。(2)當(dāng)用戶在用戶子程序中利用OPEN打開外部文件時(shí)，要注意以下兩點(diǎn)：一是設(shè)備號的選擇是有限制的，只能取15～18和大于100的設(shè)備號，其余的都已被ABAQUS占用；二是用戶需提供外部文件的絕對路徑而不是相對路徑。（三）編程思路編制用戶子程序時(shí)應(yīng)注意：15（三）編程思路(3)對于不同的用戶子程序ABAQUS調(diào)用的時(shí)間是不同的，有的是在每個(gè)STEP的開始，有的是STEP的結(jié)尾，有的是在每個(gè)INCREMENT的開始等等。ABAQUS調(diào)用用戶子程序時(shí)，都會把當(dāng)前的STEP和INCREMENT利用用戶子程序的兩個(gè)實(shí)參KSTEP和KINC傳給用戶子程序，用戶可把它們輸出到外部文件中，這樣就可清楚的知道ABAQUS何時(shí)調(diào)用該用戶子程序。為保證用戶子程序的正確執(zhí)行，子程序的書寫必須遵循ABAQUS的相關(guān)規(guī)定。（三）編程思路(3)對于不同的用戶子程序ABAQUS調(diào)16（四）子程序的調(diào)用將這兩個(gè)文件拷貝到分析目錄D:>Temp下，將子程序的后綴改為.for，然后在D:\Temp下面用運(yùn)行在command中：

abaqusjob=yourjobnameuser=yourumat

在cae中調(diào)用子程序可以采用以下方法：打開job下面的edit菜單，點(diǎn)general，點(diǎn)擊usersubroutine后面的select，即可選擇你所需要的用戶子程序。（四）子程序的調(diào)用將這兩個(gè)文件拷貝到分析目錄D:>Te17（五）需要解決的關(guān)鍵問題UMAT編程的關(guān)鍵幾點(diǎn)：提供準(zhǔn)確的雅可比距陣，程序收斂速度快；非對稱雅可比矩陣的處理；必須用增量法更新應(yīng)力；（五）需要解決的關(guān)鍵問題UMAT編程的關(guān)鍵幾點(diǎn)：18（六）總結(jié)殷-Graham粘彈塑性本構(gòu)模型與其他本構(gòu)模型存在很大的差異，在編制UMAT的過程中，需要對本構(gòu)模型了解清晰的基礎(chǔ)上，熟悉力學(xué)概念，對雅可比矩陣的非對稱性進(jìn)行處理，提供精確的雅克比矩陣，尋找解決耦合問題的方法。（六）總結(jié)殷-Graham粘彈塑性本構(gòu)模型與其他本構(gòu)模19老師和同學(xué)們：謝謝你們的支持和幫助！老師和同學(xué)們：謝謝你們的支持和幫助！20ABAQUS用戶材料子程序UMAT介紹報(bào)告人：裴華富ABAQUS用戶材料子程序UMAT介紹報(bào)告人：裴華富21（一）UMAT簡介ABAQUS不僅提供標(biāo)準(zhǔn)的有限元分析程序，而且具有良好的開放性，可利用它提供的用戶子程序接口生成非標(biāo)準(zhǔn)的分析程序來滿足用戶的需要，在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。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（UtilityRoutine），ABAQUS一共有42個(gè)用戶子程序接口，15個(gè)應(yīng)用程序接口。（一）UMAT簡介ABAQUS不僅提供標(biāo)準(zhǔn)的有限元分22（一）UMAT簡介用戶可以定義包括：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。這些用戶子程序接口使得用戶解決一些問題時(shí)有很大的靈活性，同時(shí)大大的擴(kuò)充了ABAQUS的功能。（一）UMAT簡介用戶可以定義包括：邊界條件、荷載條件23（一）UMAT簡介通過用戶材料子程序（User-definedMaterialMechanicalBehavior，簡稱UMAT）接口，用戶可定義任何補(bǔ)充的材料模型，不但任意數(shù)量的材料常數(shù)都可以作為資料被讀取，而且ABAQUS對于任何數(shù)量的與解相關(guān)的狀態(tài)變量在每一材料計(jì)數(shù)點(diǎn)都提供了存儲功能，以便在這些子程序中應(yīng)用。（一）UMAT簡介通過用戶材料子程序（User-def24（二）用戶材料子程序功能UMAT子程序具有強(qiáng)大的功能，使用UMAT子程序：(1)可以定義材料的本構(gòu)關(guān)系，使用ABAQUS材料庫中沒有包含的材料進(jìn)行計(jì)算，擴(kuò)充程序功能。(2)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；（二）用戶材料子程序功能UMAT子程序具有強(qiáng)大的功能，使用25（二）用戶材料子程序功能(3)必須在UMAT中提供材料本構(gòu)模型的雅可比（Jacobian）矩陣，即應(yīng)力增量對應(yīng)變增量的變化率。（二）用戶材料子程序功能(3)必須在UMAT中提供材料本26（三）編程思路由于主程序與UMAT之間存在數(shù)據(jù)傳遞，甚至共用一些變量，因此必須遵守有關(guān)UMAT的書寫格式，UMAT中常用的變量在文件開頭予以定義，通常格式為：（三）編程思路由于主程序與UMAT之間存在數(shù)據(jù)傳遞，甚27（三）編程思路SUBROUTINEUMAT(STRESS,STATEV,DDSDDE,SSE,SPD,SCD,1RPL,DDSDDT,DRPLDE,DRPLDT,2STRAN,DSTRAN,TIME,DTIME,TEMP,DTEMP,PREDEF,DPRED,CMNAME,3NDI,NSHR,NTENS,NSTATV,PROPS,NPROPS,COORDS,DROT,PNEWDT,4CELENT,DFGRD0,DFGRD1,NOEL,NPT,LAYER,KSPT,KSTEP,KINC)CINCLUDE'ABA_PARAM.INC'CCHARACTER*80CMNAMEDIMENSIONSTRESS(NTENS),STATEV(NSTATV),1DDSDDE(NTENS,NTENS),DDSDDT(NTENS),DRPLDE(NTENS),2STRAN(NTENS),DSTRAN(NTENS),TIME(2),PREDEF(1),DPRED(1),3PROPS(NPROPS),COORDS(3),DROT(3,3),DFGRD0(3,3),DFGRD1(3,3)usercodingtodefineDDSDDE,STRESS,STATEV,SSE,SPD,SCDand,ifnecessary,RPL,DDSDDT,DRPLDE,DRPLDT,PNEWDTRETURNEND（三）編程思路SUBROUTINEUMAT(STRESS,28（三）編程思路UMAT中的應(yīng)力矩陣、應(yīng)變矩陣以及矩陣DDSDDE，DDSDDT，DRPLDE等，都是直接分量存儲在前，剪切分量存儲在后。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。下面對UMAT中用到的一些變量進(jìn)行說明：（三）編程思路UMAT中的應(yīng)力矩陣、應(yīng)變矩陣以及矩陣DDS29（三）編程思路DDSDDE(NTENS,NTENS)是一個(gè)NTENS維的方陣，稱作雅可比矩陣。STRESS(NTENS)應(yīng)力張量矩陣，對應(yīng)NDI個(gè)直接分量和NSHR個(gè)剪切分量。STATEV(NSTATEV)用于存儲狀態(tài)變量的矩陣，在增量步開始時(shí)將數(shù)值傳遞到UMAT中。（三）編程思路DDSDDE(NTENS,NTENS)是一個(gè)N30（三）編程思路狀態(tài)變量矩陣的維數(shù)，等于關(guān)鍵字“*DEPVAR”定義的數(shù)值。狀態(tài)變量矩陣的維數(shù)通過ABAQUS輸入文件中的關(guān)鍵字“*DEPVAR”定義，關(guān)鍵字下面數(shù)據(jù)行的數(shù)值即為狀態(tài)變量矩陣的維數(shù)。材料常數(shù)的個(gè)數(shù)，等于關(guān)鍵字“*USERMATERIAL”中“CONSTANTS”常數(shù)設(shè)定的值。（三）編程思路狀態(tài)變量矩陣的維數(shù)，等于關(guān)鍵字“*DEPVAR31（三）編程思路PROPS(NPROPS)材料常數(shù)矩陣，矩陣中元素的數(shù)值對應(yīng)于關(guān)鍵字“*USERMATERIAL”下面的數(shù)據(jù)行。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。它們對計(jì)算結(jié)果沒有影響，僅僅作為能量輸出。（三）編程思路PROPS(NPROPS)材料常數(shù)矩陣，矩陣中32（三）編程思路其他變量：STRAN(NTENS)

：應(yīng)變矩陣；DSTRAN(NTENS)：應(yīng)變增量矩陣；DTIME：增量步的時(shí)間增量；NDI：直接應(yīng)力分量的個(gè)數(shù)；NSHR：剪切應(yīng)力分量的個(gè)數(shù)；NTENS：總應(yīng)力分量的個(gè)數(shù)，NTENS=NDI+NSHR。（三）編程思路其他變量：33（三）編程思路UMAT子程序的設(shè)計(jì)和FORTRAN程序設(shè)計(jì)完全一樣，它可由若干個(gè)子程序段組成，每個(gè)程序段可獨(dú)立編寫，實(shí)現(xiàn)不同的功能，然后將各程序單位連接起來即成為一個(gè)整體。這就是結(jié)構(gòu)化程序的設(shè)計(jì)思想。（三）編程思路UMAT子程序的設(shè)計(jì)和FORTRAN程序34（三）編程思路編制用戶子程序時(shí)應(yīng)注意：(1)用戶子程序相互之間不能調(diào)用，但可以調(diào)用用戶自己編寫的Fortran子程序和ABAQUS應(yīng)用程序。(2)當(dāng)用戶在用戶子程序中利用OPEN打開外部文件時(shí)，要注意以下兩點(diǎn)：一是設(shè)備號的選擇是有限制的，只能取15～18和大于100的設(shè)備號，其余的都已被ABAQUS占用；二是用戶需提供外部文件的絕對路徑而不是相對路徑。（三）編程思路編制用戶子程序時(shí)應(yīng)注意：35（三）編程思路(3)對于不同的用戶子程序ABAQUS調(diào)用的時(shí)間是不同的，有的是在每個(gè)STEP的