ABAQUS用戶材料子程序UMAT介紹課件

ABAQUS用戶材料子程序UMAT介紹報告人：裴華富ABAQUS用戶材料子程序UMAT介紹報告人：裴華富1（一）UMAT簡介ABAQUS不僅提供標準的有限元分析程序，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準的分析程序來滿足用戶的需要，在實際工程中得到廣泛應用。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（UtilityRoutine），ABAQUS一共有42個用戶子程序接口，15個應用程序接口。（一）UMAT簡介ABAQUS不僅提供標準的有限元分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用軟件進行數值交換等等。這些用戶子程序接口使得用戶解決一些問題時有很大的靈活性，同時大大的擴充了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，用戶可定義任何補充的材料模型，不但任意數量的材料常數都可以作為資料被讀取，而且ABAQUS對于任何數量的與解相關的狀態(tài)變量在每一材料計數點都提供了存儲功能，以便在這些子程序中應用。（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子程序具有強大的功能，使用UMAT子程序：(1)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。(2)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；（二）用戶材料子程序功能UMAT子程序具有強大的功能，使用5（二）用戶材料子程序功能(3)必須在UMAT中提供材料本構模型的雅可比（Jacobian）矩陣，即應力增量對應變增量的變化率。（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之間存在數據傳遞，甚至共用一些變量，因此必須遵守有關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之間存在數據傳遞，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。下面對UMAT中用到的一些變量進行說明：（三）編程思路UMAT中的應力矩陣、應變矩陣以及矩陣DDS9（三）編程思路DDSDDE(NTENS,NTENS)是一個NTENS維的方陣，稱作雅可比矩陣。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)用于存儲狀態(tài)變量的矩陣，在增量步開始時將數值傳遞到UMAT中。（三）編程思路DDSDDE(NTENS,NTENS)是一個N10（三）編程思路狀態(tài)變量矩陣的維數，等于關鍵字“*DEPVAR”定義的數值。狀態(tài)變量矩陣的維數通過ABAQUS輸入文件中的關鍵字“*DEPVAR”定義，關鍵字下面數據行的數值即為狀態(tài)變量矩陣的維數。材料常數的個數，等于關鍵字“*USERMATERIAL”中“CONSTANTS”常數設定的值。（三）編程思路狀態(tài)變量矩陣的維數，等于關鍵字“*DEPVAR11（三）編程思路PROPS(NPROPS)材料常數矩陣，矩陣中元素的數值對應于關鍵字“*USERMATERIAL”下面的數據行。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。（三）編程思路PROPS(NPROPS)材料常數矩陣，矩陣中12（三）編程思路其他變量：STRAN(NTENS)

：應變矩陣；DSTRAN(NTENS)：應變增量矩陣；DTIME：增量步的時間增量；NDI：直接應力分量的個數；NSHR：剪切應力分量的個數；NTENS：總應力分量的個數，NTENS=NDI+NSHR。（三）編程思路其他變量：13（三）編程思路UMAT子程序的設計和FORTRAN程序設計完全一樣，它可由若干個子程序段組成，每個程序段可獨立編寫，實現不同的功能，然后將各程序單位連接起來即成為一個整體。這就是結構化程序的設計思想。（三）編程思路UMAT子程序的設計和FORTRAN程序14（三）編程思路編制用戶子程序時應注意：(1)用戶子程序相互之間不能調用，但可以調用用戶自己編寫的Fortran子程序和ABAQUS應用程序。(2)當用戶在用戶子程序中利用OPEN打開外部文件時，要注意以下兩點：一是設備號的選擇是有限制的，只能取15～18和大于100的設備號，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應注意：15（三）編程思路(3)對于不同的用戶子程序ABAQUS調用的時間是不同的，有的是在每個STEP的開始，有的是STEP的結尾，有的是在每個INCREMENT的開始等等。ABAQUS調用用戶子程序時，都會把當前的STEP和INCREMENT利用用戶子程序的兩個實參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何時調用該用戶子程序。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的相關規(guī)定。（三）編程思路(3)對于不同的用戶子程序ABAQUS調16（四）子程序的調用將這兩個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下面用運行在command中：

abaqusjob=yourjobnameuser=yourumat

在cae中調用子程序可以采用以下方法：打開job下面的edit菜單，點general，點擊usersubroutine后面的select，即可選擇你所需要的用戶子程序。（四）子程序的調用將這兩個文件拷貝到分析目錄D:>Te17（五）需要解決的關鍵問題UMAT編程的關鍵幾點：提供準確的雅可比距陣，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力；（五）需要解決的關鍵問題UMAT編程的關鍵幾點：18（六）總結殷-Graham粘彈塑性本構模型與其他本構模型存在很大的差異，在編制UMAT的過程中，需要對本構模型了解清晰的基礎上，熟悉力學概念，對雅可比矩陣的非對稱性進行處理，提供精確的雅克比矩陣，尋找解決耦合問題的方法。（六）總結殷-Graham粘彈塑性本構模型與其他本構模19老師和同學們：謝謝你們的支持和幫助！老師和同學們：謝謝你們的支持和幫助！20ABAQUS用戶材料子程序UMAT介紹報告人：裴華富ABAQUS用戶材料子程序UMAT介紹報告人：裴華富21（一）UMAT簡介ABAQUS不僅提供標準的有限元分析程序，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準的分析程序來滿足用戶的需要，在實際工程中得到廣泛應用。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（UtilityRoutine），ABAQUS一共有42個用戶子程序接口，15個應用程序接口。（一）UMAT簡介ABAQUS不僅提供標準的有限元分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用軟件進行數值交換等等。這些用戶子程序接口使得用戶解決一些問題時有很大的靈活性，同時大大的擴充了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，用戶可定義任何補充的材料模型，不但任意數量的材料常數都可以作為資料被讀取，而且ABAQUS對于任何數量的與解相關的狀態(tài)變量在每一材料計數點都提供了存儲功能，以便在這些子程序中應用。（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子程序具有強大的功能，使用UMAT子程序：(1)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。(2)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；（二）用戶材料子程序功能UMAT子程序具有強大的功能，使用25（二）用戶材料子程序功能(3)必須在UMAT中提供材料本構模型的雅可比（Jacobian）矩陣，即應力增量對應變增量的變化率。（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之間存在數據傳遞，甚至共用一些變量，因此必須遵守有關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之間存在數據傳遞，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。下面對UMAT中用到的一些變量進行說明：（三）編程思路UMAT中的應力矩陣、應變矩陣以及矩陣DDS29（三）編程思路DDSDDE(NTENS,NTENS)是一個NTENS維的方陣，稱作雅可比矩陣。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)用于存儲狀態(tài)變量的矩陣，在增量步開始時將數值傳遞到UMAT中。（三）編程思路DDSDDE(NTENS,NTENS)是一個N30（三）編程思路狀態(tài)變量矩陣的維數，等于關鍵字“*DEPVAR”定義的數值。狀態(tài)變量矩陣的維數通過ABAQUS輸入文件中的關鍵字“*DEPVAR”定義，關鍵字下面數據行的數值即為狀態(tài)變量矩陣的維數。材料常數的個數，等于關鍵字“*USERMATERIAL”中“CONSTANTS”常數設定的值。（三）編程思路狀態(tài)變量矩陣的維數，等于關鍵字“*DEPVAR31（三）編程思路PROPS(NPROPS)材料常數矩陣，矩陣中元素的數值對應于關鍵字“*USERMATERIAL”下面的數據行。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。（三）編程思路PROPS(NPROPS)材料常數矩陣，矩陣中32（三）編程思路其他變量：STRAN(NTENS)

：應變矩陣；DSTRAN(NTENS)：應變增量矩陣；DTIME：增量步的時間增量；NDI：直接應力分量的個數；NSHR：剪切應力分量的個數；NTENS：總應力分量的個數，NTENS=NDI+NSHR。（三）編程思路其他變量：33（三）編程思路UMAT子程序的設計和FORTRAN程序設計完全一樣，它可由若干個子程序段組成，每個程序段可獨立編寫，實現不同的功能，然后將各程序單位連接起來即成為一個整體。這就是結構化程序的設計思想。（三）編程思路UMAT子程序的設計和FORTRAN程序34（三）編程思路編制用戶子程序時應注意：(1)用戶子程序相互之間不能調用，但可以調用用戶自己編寫的Fortran子程序和ABAQUS應用程序。(2)當用戶在用戶子程序中利用OPEN打開外部文件時，要注意以下兩點：一是設備號的選擇是有限制的，只能取15～18和大于100的設備號，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應注意：35（三）編程思路(3)對于不同的用戶子程序ABAQUS調用的時間是不同的，有的是在每個STEP的