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ABAQUS-材料本构模型及编程

作者:高考题库网
来源:https://www.bjmy2z.cn/gaokao
2021-02-10 23:55
tags:

-

2021年2月10日发(作者:costumes)


___________________________________________ __________________________________________________ _________________


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< /p>


、什么时候用用户定义材料(


User- defined



material,



UMAT


)?



很简单,



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?


< /p>


先看一下


ABAQUS


手册(

< p>
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



constit


utive



model



requires



extensive



development



and



testing.



Initial



testing



on



a



single



element



model



with



prescribed



traction



loading



is



strongly



rec


ommended.


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(


Const itutive



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



par t



deviatoric



part


;模量



mo dulus




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

< br>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(S TRESS,STATEV,DDSDDE,SSE,SPD,SCD,RPL,DDSDDT,



1



DRP LDE,DRPLDT,STRAN,DSTRAN,TIME,DTIME,TEMP,DTEMP,PRED EF,DPRED,



2



CMNAME,NDI,NSHR,NTENS,NSTATV,PROPS,NPROPS,C OORDS,DROT,



3



PNEWDT,CELENT,DFGRD0,DFGRD1,NOEL,NPT,LAYE R,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。


< /p>


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。



NTENS=NTENS



NSHR


,已知。



精品资料



____________ __________________________________________________ ________________________________________________ < /p>


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



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_'


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



DDS DDT(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.D 0,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


C



--------------- -------------------------------------------------


精品资料



____________ __________________________________________________ ________________________________________________


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< /p>


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< /p>


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



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





EQPLAS=STATEV(1 2*NTENS)


精品资料



____________ __________________________________________________ ________________________________________________


先假设没有发生塑性流动,按完全弹性变形计算试算应力



C


C



CALCULATE



PREDICTOR



STRESS



AND



ELASTIC



STRAIN


C



DO



K1=1,NTENS



DO



K2=1,NTENS



STRESS(K2)=STRESS(K2) DDSDDE(K2,K1)*DSTRAN(K1)



END



DO



EELAS(K1)=EELAS(K1) DSTRAN(K1)



END



DO


C


计算


Mises


应力



C



CALCULATE



EQUIVALENT



VON



MISES



STRESS


C



SMISES=(STRESS(1)-STRESS(2))**2 (STRESS(2)-STRESS(3))**2



1



(STRESS(3)-STRESS(1))**2



DO



K1=NDI 1,NTENS



SMISES=SMISES SIX*STRESS(K1)**2



END



DO



SMISES=SQRT(SMISES/TWO)


C



根据当前等效塑性应变,调用


HARDSUB


得到对应的屈服应力



C



GET



YIELD



STRESS



FROM



THE



SPECIFIED



HARDENING



CURVE


C



NVALUE=NPROPS/2-1



CALL



HARDSUB(SYIE L0,HARD,EQPLAS,PROPS(3),NVALUE)


C


C



DETERMINE



IF



ACTIVELY



YIELDING


C



如果


Mi ses


应力大余屈服应力,屈服发生,计算流动方向




IF



(.(ONE TOLER)*SYIEL0)



THEN


C


C



ACTIVELY



YIELDING


C



SEPARATE



THE



HYDROSTATIC



FROM



THE



DEVIATORIC



STRESS


C



CALCULATE



THE



FLOW



DIRECTION


C



SHYDRO=(STRESS(1) STRESS(2) STRESS(3))/THREE



DO



K1=1,NDI



FLOW(K1)=(STRESS(K1)-SHYDRO)/SMISES



END



DO



DO



K1=NDI 1,NTENS



FLOW(K1)=STRESS(K1)/SMISES


精品资料


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