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1、ABAQUS材料用户子程序UMAT学习报告,原子核科学技术研究所,刘龙,目录,用户子程序介绍,ABAQUS允许用户通过子程序以代码的形式来扩展主程序的功能，并给用户提供了强大而又灵活的用户子程序接口和应用程序接口，用户可以定义包括边界条件、荷载条件、接触条件、材料特性以及利用用户子程序和其它应用软件进行数值交换等等。,用户子程序大致可以分为 7 类，下面为具体的分类及用户常用子程序。,1、用户定义的初始条件,利用此类子程序可以在分析时定义初始条件。,2、用户定义的边界条件,例如：初始应力场的定义，可以采用SIGINI 用户子程序来定义；在渗流场分析时定义初始孔隙水压力分析可采用UPOREP 用
2、户子程序；多孔介质初始孔隙度分布的定义可采用 VOIDRI 用户子程序。,利用此类子程序可以在结构分析或耦合分析时定义特殊类型的边界条件，如定义节点位移，定义分布机械载荷，定义流体流速和流量等。,例如：非均布的渗流流速和流量的 DFLOW 和DFLUX，非均布的渗流系数的 FLOW；特殊类型的位移边界的 DISP；面力载荷可采用 DLOAD；特殊分布的牵引力的 UTRACLOAD；温度场边界的 UTEMP。,3、定义输出量的用户子程序,此类用户子程序可以定义提取单元结果，将单元量输出，写到后处理结果文件中，如 UVARM子程序；此外，读取结果文件可采用 URDFIL 子程序。,4、用户定义的单
3、元,对于特殊类型的单元，可采用 UEL 子程序进行定义。,5、用户定义的材料特性和本构关系,利用此类子程序可以定义各种本构模型，如各向异性或正交各向异性的弹性应力-应变关系，各种非线性弹塑性本构关系、也可以定义蠕变应变率演化方程、定义非线性应力-应变关系，定义加工硬化或应变硬化曲线等。,例如：采用 UMAT 子程序可以定义各类本构模型，包括非线性弹性、弹塑性以及蠕变等模型；采用 CREEP 子程序可以定义各类蠕变或膨胀演化方程；关于材料的热力学特性可以采用 UMATHT 子程序；定义粘弹性材料或超弹性材料可以采用 UHYPEL 和 UHYPER子程序；,6、用户定义的状态变量,状态变量主要包括
4、定义场变量、与求解过程相关的状态变量，以后重新定义材料点的状态变量，主要有 UFIELD 子程序、SDVINI 子程序和 USDFLD 子程序。此外还包括定义摩擦接触属性的子程序，如定义摩擦接触行为的 FRIC 子程序，以及接触面行为定义的 UINTER 子程序等。,7、其他用户子程序,此外，还包括特殊类型用途的子程序，如定义多点约束的子程序 MPC，定义局部坐标的 ORIENT子程序等。上述子程序的分类仅限于在岩土工程领域，其他领域有不同的分类方法。,UMAT使用方法,1、UMAT简介,用户材料子程序（User-defined Material Mechanical Behavior，简称
5、UMAT）是 ABAQUS 提供给用户定义自己的材料属性的 Fortran 程序接口，使用户能使用ABAQUS 材料库中没有定义的材料模型。用户材料子程序 UMAT 通过与 ABAQUS 主求解程序的接口实现与 ABAQUS 的资料交流。,UMAT 子程序具有强大的功能，具体功能如下：,可以定义材料的本构关系，使用 ABAQUS 材料库中 没有包含的材料进行计算，扩充程序功能。几乎可以用于力学行为分析的任何分析过程，几乎可以把用户材料属性赋予 ABAQUS 中的任何单元。必须在 UMAT 中提供材料本构的雅可比（Jacobian）矩阵，即应力增量对应变增量的变化率。,2、UMAT书写格式,定义
6、了一些相关参数与变量的精确度，从 ABAQUS 安装目录下可找到,UMAT 中的应力矩阵、应变矩阵以及矩阵 DDSDDE、DDSDDT、DRPLDE 等，都是直接分量存储在前，剪切分量存储在后。直接分量有 NDI 个，剪切分量有 NSHR 个。各分量之间的顺序根据单元自由度的不同有一些差异，所以编写 UMAT 时要考虑到所使用单元的类别。,DDSDDE(NTENS NTENS)：一个 NTENS NTENS 的矩阵，称作 Jacobian 矩阵，即(/)。DDSDDE(I,J)定义了第 J 个应变分量的微小变化对第 I 个应力分量带来的影响变化。,STRESS(NTENS)：应力张量矩阵，对应
7、NDI 个直接分量和 NSHR 个剪切分量,STATEV(NSTATEV)：用于存储与解有关的状态变量的数组。,SSE,SPD,SCD：分别定义每一增量步的弹性应变能，塑性 耗散和蠕变耗散。它们对计算结果没有影响，仅仅作为能量输出。,RPL：单位时间增量内产生的体积热。,DDSDDT(NTENS)：应力增量随温度的变化。,DRPLDE(NTENS)：变化的RPL对应的应变增量。,DRPLDT：变化的RPL对应的温度。,STRAN(NTENS)：增量开始时的总压变数组。,DSTRAN(NTENS)：应变增量数组。,DSTRAN(NTENS)：应变增量数组。,TIME：当前增量开始时总时间的值。,
8、DTIME：增量步的时间增量。,TEMP：开始的温度。,DTEMP：增量步的温度增量。,PREDEF：预定场内变量基于节点处的插值值。,DPRED：预定场内变量的增量。,CMNAME：用户定义材料的名称。,NDI：某一点上直接应力组件数。,NSHR：某一点上剪切应力组件数。,NTENS：总应力分量个数，（=NDI+NSHR）。,NSTATV：存储与解有关的状态变量数组个数。,PROPS(NPROPS)：材料常数数组。,COORDS：当前积分点坐标。DROT(3,3)：旋转增量矩阵。,CELENT：特征元素长度。,DFGRD0(3,3)：增量步开始时变形梯度数组。,DFGRD1(3,3)：增量步
9、结束时变形梯度增量数组。,NOEL：单元数；NPT：积分点数；KSTEP：步数。,LAYER：复合壳和层状固体的层数；KINC：增量数量。,KSPT：在当前层部分点数量。,UMAT应用实例,1、验证Abaqus 6.13 Verification Guide 中UMAT实例,用UMAT户子程序解决各向同性米塞斯塑性模型,载入输入文件umat.inp，得到如下图形。,按下图所示创建作业（Job）,按下图所示操作载入umat.for子程序文件,一段时间后，结果如下图所示。,点击Submit之后，结果如下图所示。,最后查看可视化后处理，得到如下云图。,2、验证利用UMAT进行二次开发的实例,实例：最简单的杆件单轴拉伸，材料本构模型采用线弹性模型，E 206000MPa,=0.3。左端约束，右端施加均布力 q=1MPa。,分析：这是一个简单的杠杆拉伸模型，ABAQUS内部就有这种模型，但也可以使用材料用户子程序UMAT对ABAQUS进行二次开发进行求解。,ABAQUS自带模型求解：,建立模型，进行求解，结果步骤如下图所示。,创建作业，并Submit递交进行分析进行求解，结果如下图所示。,结果云图如下图所示。,UMAT求解：,建立模型，进行求解，结果步骤如下图所示。,结果云图如下图所示。,
