（固体力学专业论文）基于UMAT子程序的织物片变形的几何非线性分析.pdf

摘要 织物变形是织物力学研究的热点问题，其模拟技术在服装c a d 、虚拟现实等 领域有着广泛的应用。从2 0 世纪8 0 年代开始，研究人员首先把编织物看作是 正交异性连续体，用有限元方法进行模拟发现，模拟的精度与实验相比存在较 大的误差，某些变形很难模拟出来。为此国内学者张义同等建立了织物的细观 本构模型，得到了广泛的应用。 a b a q u s 是国际著名的非线性有限元软件，其功能强大，具有很强的非线性 计算能力。它对用户的本构关系的对称性未加限制，同时具有良好的开放性， 提供了若干个用户子程序接口，允许用户以代码的形式来扩展主程序的功能。 虽然a b a q u s 包含了丰富的材料库，但其没有提供织物的本构模型，本文利用该 软件提供的用户材料子程序u m a t 接口，对其进行织物本构模型的二次开发。 本文基于a b a q u s 有限元软件，应用f o r t r a n 语言开发了织物细观本构模型 的u m a t 子程序。分别对各向同性材料和正交各向异性材料进行了单向拉伸的单 元测试，验证了u m a t 接口的正确性和精度；同时采用几何非线性算法，分析了 一端固定一端自由和一端固定一端滑动两种情况下织物片的应力场和u 3 位移 场，并模拟了方布铺在方桌上的悬垂效果。由计算结果可知，本文所开发的l m a t 接口通用可行，精度较高，数值模拟真实可信。 关键词：a b a q u s ，u m a t ， 织物材料，几何大变形。 第i 页 a b s t r a c t t h ed e f o r m a t i o no ff a b r i c ，w h o s es i m u l a t i o ni sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c h a sc a df 0 rg a r m e n t sa n dv i r t u a lr e a l i t y , i sah o tt o p i ci nt h ef i e l do ff a b r i cm e c h a n i c s s i n c et h ee i g h t i e so ft h et w e n t i e t hc e n t u r y , f a b r i cw a s m o d e l e d 嬲t h eo r t h o t r o p i c c o n t i n u u m , w h o s es i m u l a t i o nw a ss t u d i e dw i t hf e mm e t h o d t h r o u g hm a n yc o m p a r e w o r k , i tw a sf o u n dt h a tt h es i m u l a t i o n sd i dn o tw e l la g r e ew i 也也ee x p e r i m e n t o b s e r v a t i o n s a n ds o m ed e f o r m a t i o n sc o u l dn o t ：e v e nb e e np r e d i c t e d f i n a l l yyt z h a n gf o u n d e df a b r i cc o n s t i t u t i o n , w h i c hw a sw i d e l yu s e dl a t e r a b a q u si s o n eo ft h em o s tc a p a b l es o f t w a r e e s p e c i a l l yf o rs i m u l a t i n g n o n l i n e a rp r o b l e m s w h i c hd o e sn o tc o n f i n e 也es y m m e t r yo fc o n s t i t u t i o nr e l a t i o n s h i p i tp r o v i d e sa no p e ni n t e r f a c ea n ds o m eu s e rs u b r o u t i n e st h a ta 1 1 0 wu s c i st oe x p a n dt h e m a i nf u n c t i o ni nt h ef o r mo fc o d e a l t h o u g hm a n yk i n d so fm a t e r i a lc o n s t i t u t i o n sa r e g i v e ni na b a q u s 也ec o n s t i t u t i v em o d e io ff a b r i cm a t e r i a ln e e d e di nt h i sr e s e a r c hi s n o tp r o v i d e da n di t i sn e c e s s a r yt or e d e v e l o pi tb yu s e r - d e f i n e dm a t e r i a ls u b r o u t i n e i n t e r f a c e b a s e do na b a q u ss o f t w a r e t h eu m a to ff a b r i cm a t e r i a li sd e v e l o p e dw i m f o r t r a n t h eu ma ts u b r o u t i n es h o w sc o r r e c t n e s sa n da c c u r a c yb ye l e m e n tt e s t s f o ri s o t r o p i ca n da n i s o t r o p i cm a t e r i a lu n d e rt e n s i o n w i t hg e o m e t r i cn o n l i n e a r a l g o r i t h m ，t h es t r e s sf i e l da n du 3d i s p l a c e m e n tf i e l do f f a b r i cs h e e td r a p i n gf o rt w o b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，f i x e dt of r e ea n df i x e dt os l i d i n g ，a l eg i v e n 1 1 1 ed r a p i n go f f a b r i co v e rar e c t a n g u l a rd e s ki ss i m u l a t e d t h r o u g hm a n yr e s u l t s c o m p a r i n g ，t h e i n t e r f a c ed e v e l o p e di so ff e a s i b i l i t ya n da c c u r a c ya n dt h es i m u l a t i o ni sc r e d i b l e k e y w o r d s ：a b a q u s ，u m a t , f a b r i cm a t e r i a l ，g e o m e t r i c n o n l i n e a r 第i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他久西经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 侔了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：唐普青 签字丑期- 2 唧年z 月，谚宙 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨望盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采篇影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校 向国家有关部门礞机构送交论文魄复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：廖鞲 签字白期：2 彩7 年石月f 够日 导师签名： 乏疚 祥醐：节 占月肛 f 第一章绪论 11 引言 第一章绪论 织物有着悠久的历史，纺织与人类的生活和生产有着极为密切的关系，纺 织材料和技术随着人类的历史进步而发展。早在七千年前，我国就用葛布纤维 来织布造衣，从出土的芦席残片可以看出席纹规整、均匀、紧密。殷周时更 是采用了提花的技术到了两汉时期纺织技术更是有了很大改进，明清时黄道 婆的纺织技术已相当成熟并且生产了大量各种用途的精美纺织品其中包括 用织物增强胶漳的漆器和编织铜丝增强陶瓷的景泰蓝等纺织复合纺织材料。十 九世纪的工业革命的发生更带动了纺织工业的巨大发展。随着棉、麻、丝、 毛等天然纤维和合成纤维等原材料和纺织机械技术的进展，纺织材料到2 0 世纪 有了飞跃的发展，人们日常穿着的各式各样的服饰无不得益于各种纺织材料的 进步。 科技的进步改变了人类的生活状况但人们的基本需求衣、食、住、行水 远不会变。编制材料以其高强度的拉伸性、舒适性、良好的透气性，以及很好 的保暖性赢得了人们的青昧。为了给人们创造出更加舒服的制衣材料，科学家 进行了不懈的探索。科学家们发现织物这些优良的力学和物理性质源于纱线的 纤维丛结构和织物的编织结构“1 。图卜1 给出了平纹织物的纱线以及其编织结 构示意图。纤维丛结构纵横交错。纤维之间有空隙，这使得织物具有良好的透 气性以及很好的编织程度。 图1 一l 平纹织物的纱线以及其编织结构 第1 页 第一苹绪论 人们对更好制衣材料的需求推动了科学家更加深入的研究织物材料的物理 和力学特性，同时一些虚拟的试穿系统更是促进了织物力学仿真技术的发展。 伴随着计算机技术的发展而出现的仿真技术席卷了几乎各个行业，穿在模特身 上的时装通过精确的计算可以逼真的模拟。然而服装穿在人们的身上会出现各 种的褶皱，模拟出这些褶皱就没有那么的简单，恰恰是这种褶增添了服装的美 感，如何把这些褶精确的模拟出来，成为了织物力学科技工作者共同努力的目 标。 1 2 织物力学的研究进展 织物力学的研究始于二十世纪二十年代，其发展过程大致可以分为三个阶 段圆，第一阶段为起始阶段，这时主要研究纺织品的各种纺织特性，并开始涉及 其力学性质：第二阶段为发展阶段，在这一阶段，开始研究织物在拉伸、面内 剪切、弯曲中表现出来的力学性质，对织物的撕裂特性、拉伸强度进行了理论 与试验研究，同时开始用织物的力学参数( 如纯弯曲、剪切、拉伸曲线等) 作为 织物的手感指标，出现了如k e s ( k a w a b a t ae v a l u a t i o ns y s t e mf o rf a b r i c l 和 f a s t ( f a b r i ca s s u r a n c cb ys i m p l et e s t i i l g ) 等的织物试验装置口1 ，用于对织物进行拉 伸、剪切、纯弯和表面性质测定等试验；从二十世纪八十年代末至今，是织物 力学发展的第三阶段，也是织物力学发展的成熟时期，此时对织物的研究领域 除了第二阶段所进行的研究继续深入之外，出现了两个前沿的研究热点对 织物悬垂和织物屈曲的模拟h 刊。对织物屈曲现象的模拟促进了织物细观本构理 论的研究盯1 ，并最终导致了织物细观本构理论n2 。1 朝的建立，这一理论真实地反 应了织物自身特有细观编织结构，更好地描述了织物的力学性质，使织物与普 通的正交各向异性材料相区别，在这一模型的基础之上，很多学者采用试验的 方法对织物的一些屈曲现象进行了成功地模拟，一些学者又给出了解析的结果， 这些工作为织物力学的进一步发展奠定了基础。 1 3 有限元软件的二次开发研究现状 随着计算机仿真技术的快速发展，有限元软件日渐丰富，功能日益强大1 6 ； 1 7 1 。目前国际上被广泛采用的通用有限元软件有m s c 系列、a n s y s 、a b a q u s 第2 页 第章绪论 等【1 8 】，这些有限元软件各有各的优点，其中a b a q u s 被广泛地认为是功能最强 的非线性有限元软件之一，可以分析复杂的固体力学、结构力学系统，特别是 能够驾驭非常庞大的复杂问题和模拟高度非线性问题i 】9 】。目前利用商业软件进 行计算已是科学研究中的一项重要手段。由予工程问题的复杂多样，不同的用 户有不同的专业背景和发展方向，通用软件不免在某些具体的专业问题当中有 所欠缺。针对这些不足，大部分通用软件都提供了二次开发功能，以帮助用户 减少重复性的工作、提高开发起点、缩短研发周期、降低开发成本，为用户带 来很多方便。基于通用软件平台进行二次开发，是目前研究的一个重要发展方 向【2 0 1 。 j 不同软件集成不同的二次开发的接口形式。如m s c n a s t r a n 定义了自己 的程序设计d m a p 语言和界面开发语言p c l ，a n a s y s 的接口语言为a p d l ( 参 数化设计语言) 。这些语言虽然提供了用户对软件进行二次开发的途径，但它 们也无形中为用户带来了语言障碍。a b a q u s 则是以传统的科学计算语言 f o r t r a n 为二次开发的接口语言，为多数用户带来了方便，大大缩短了开发时 间。a b a q u s 常用的接口程序有，u m a t ( u s e r - d e f i n e dm a t e r i a lm e c h a n i c a l b e h a v i o r ) 用于定义材料的力学行为，u e l ( u s e r - d e f i n e de l m e n t ) 用于定义不同 的单元模型，u s d f l d 用于定义不同的物理场，u h a r d 用于定义硬化变量， f r i c 用于定义摩擦特性等【2 l 】。 ， 目前国内学者围绕a b a q u s 的二次开发进行了一些探索【2 2 ：2 3 1 ，特别是徐远 杰等【2 4 】在a b a q u s 中利用u m a t 开发d u n c a n - - c h a n g 材料本构模型，并给出 了两个典型常规三轴压缩模型问题数值测试；岑威钧【2 5 】利用a b a q u s 提供的用 户材料子程序u m a t 的二次开发平台开发土石料的沈珠江双屈服面模型，并以 一面板堆石坝为例坝体施工和水库蓄水的仿真分析；邱智学等【2 6 】利用a b a q u s 对话器插脚采用不同的壳单元类型进行了有限元分析和比较，结果表明， a b a q u s 的完全积分线性单元s 4 是一个通用的有限薄膜应变壳单元，它适合于 大多数问题的分析，它对单元变形不敏感，没有沙漏模式；任艳荣【2 7 】采用 a b a q u s 软件处理管土相互作用中的接触问题，利用a b a q u s 软件中的主控 一从属接触算法使管道和海床形成个接触对，并且建立了管土系统有限单元 模型；堪勇【2 8 】在a b a q u s 上实现了双重渐近近似法( d a a ) ，同时对从基本理 论到数值方法、编程实现及稳定性等一系列问题进行了探讨。本文围绕u m a t 进行了织物力学上的应用，对现实中一些现象进行了数值模拟。 第3 页 第一章绪论 1 4 本文的主要工作 a b a q u s 软件丰富的材料库中没有提供织物材料，本文基于织物的细观本 构模型，通过u m a t ( u s e r - m a t e r i a l ) 接口导入织物材料本构关系，采用a b a q u s 非线性有限元的隐式( s t a n d a r d ) 求解模块，模拟了织物在受不同载荷作用下的 应力场和u 3 方向位移场。具体工作归纳如下， ( 1 ) 研究了a b a q u s 的用户材料子程序( u m a t ) 的接口形式以及书写规则。 ( 2 ) 开发了织物的用户材料子程序，并通过单元测试验证。 ( 3 ) 采用a b a q u s s t a n d a r d 几何非线性模块，模拟了织物材料在几种不同载 荷作用下的变形。： 第4 页 第二章织物材料的本构模型 第二章织物材料的本构模型 ? ： 提到织物，最容易想到的就是布。从广义上讲，编织或纺织的材料都可以 称为织物，它与人类的生活和生产有着极为密切的关系，是千百年来人们日常 生活必不可少的一种材料。本章对织物力学的一些基本概念进行简要介绍。 2 1 织物的编制结构与力学模型 通常所说的织物，从纹路上来讲，包括平纹织物、斜纹织物、缎纹织物等， 从编织方式来讲包括两大类， 1 编织物，它是由经线和纬线交叉编织而成的； 2 针织物，它是由一根纱线勾织互相连接的圆环所组成。 编织物和针织物在宏观上也有明显不同的性质，由同样的纱线织成的编织 物和针织物，在同样载荷作用下，针织物的变形比编织物大许多，针织物比编织 物更容易褶皱( 屈曲，织物力学中褶皱就是屈曲) 。本文所述的织物本构模型 是针对平纹织物的细观编织结构而建立起来的，这里做一下简要的介绍，这一 理论的更多论述参见文酬扪。 图2 1 平纹织物的编织结构 平纹织物是由纱线纵横交错而成，给出织物结构的示意图，我们把织物的 最小编织单元称为“胞”，如图2 1 的a b c d 所示，为分析方便，我们假设胞为 第5 页 第二章织物材料的本构模型 正方形。分析织物变形的特点，可知织物的纤维在它们的交叉点处可以相互转 动和相互滑动，但是滑动比转动小得多，因而可以忽略不计。 _ t w f 。- 。_ 。_ l 。_ 。_ 。_ 。 图2 2 织物单胞受力图 为分析模型的受力特点，我们以纯剪切为例进行讨论。当织物胞受纯剪切 时，相当于沿其一对节点的拉伸和沿另一对节点的压缩，如图2 3 所示，四段纤 维首先绕铰点自由转动，直到纤维之间的空隙消失，然后对角拉伸被纤维之间 的挤压所抗拒，在纤维之间产生压缩，产生压应力，且纤维被压缩方向和胞被 拉伸的方向相垂直。 图2 3 织物单胞变形图 通过上面的分析，我们可以得出一个重要的结论：织物由于其细观的编织 结构，当在纯剪切( 与单向拉伸是同样的应力状态) 应力状态时、，织物内部会 存在一个“额外的”压应力。在没有编织结构的固体受到同样的应力状态时， 不存在这个压应力。织物胞实际上就是靠纤维之间的挤压来承受剪切的，织物 的“剪切刚度”实际就是织物之间的压缩刚度。这样我们可以猜想，在织物的 本构方程中，传统的“剪切模量”应该被织物纤维之间的“压缩模量”所代替。 第6 页 第二章织物材料的本构模型 图2 - 4 织物胞桁架模型和纯剪切变形 2 2 细观织物结构的力学分析 当胞受纯剪的时候，图2 2 中的胞内压应力受力不均匀，为了分析方便，我 们假设它是均匀分布的，并认为这些压应力的合力作用在两个对角点上。于是 我们把织物胞简化为一个在内部一对节点之间装有压缩弹簧的四杆桁架，如图 2 - 4 所示，当受到剪切力的作用后，一对对角点受到拉伸而向胞外方向深长，一 对节点受到挤压有压缩弹簧相平衡。 通过分析我们可以知道胞是织物承受荷载和变形的最小单位。设胞是平面 应力状态，设桁架的长和宽都是口，织物的厚度为单位1 ，建立固定的直角坐标 系o x , x , ，原点在胞的中心，置轴和丘轴分别和织物未变形构形的经向和纬向 平行，这个坐标系为o w f 坐标系。我们用正，和巨，表示基尔霍夫应力和格林应 变，在织物力学中，采用z ，和e ，建立本构关系。 若采用传统的的正交各向异性板的模型俚引，建立织物的本构关系，可以表 示为 f 乃1 e 。e ：0 fe w1 弓 = i 也。0i t 乓 ( 2 1 ) l j 【0 0 b 6 。j 【j 其中e 。，蜀：，如，比为织物的弹性常数，当织物受到沿径向和纬向的正应力时， 方程( 2 1 ) 对织物是适用的，当织物受到沿径向和纬向的剪切力时，方程( 2 1 ) 对织 物就不再适用了，此时，上节中所述的额外的应力需要添加到织物的本构模型 中。为精确得到的额外应力的表达形式，下一节中会讨论。 第7 页 第二章织物材料的本构模型 2 3 织物的本构方程的建立 艮”降 谁2 ， 疋= 去( 一乓+ 艮) ( 2 5 ) 我们将拉应力五和拉应b 变二者联系起来，可以写为 五= 寺( 艮乓一& c 足) ( 2 6 ) 即卜 - b c c b c c 嗣 亿7 ， 根据坐标变换，在坐标系d 阡下，( 2 7 ) 式可以写为 第8 页 第二章织物材料的本构模型 ：旧 0 ：0 00 o o 昙 t 。 ( 2 8 ) 织物没有一般固体介质所具有的剪切模量的概念，它靠纤维之间的积压来承 受剪切的，我们称2 为织物的宏观剪切模量。织物受到沿径向纬向方向的 拉伸压缩时，本构关系和正交异性是一样的，把这一关系补充n ( 2 8 ) 式，并引 进记号r o 得到 f 乃1 p 三训2 且。局：0 b 2 1 蜀1 0 o o 委 ( 2 9 ) 我们再在这个本构关系上，叠加上应力r ，便可以得到织物的细观本构方 程。在坐标系o w f 写出应力丁。为 ! 再由( 2 3 ) 式和( 2 8 ) 式，可以表示 t 。兰 1 ， 一j 2 盯 1 ， 一j l 耵 三7 21 ，陌 织物胞的总的应力场可以表示为 t 。= 一b r r 4 “ 一三b ， 4 “ 1 r 百d c c 三乙 委乙 ； 扣 = 0 0 1 b 。f 4 “ 00 一b r r 4 “ o o 丢 ( 2 1 0 ) f q 1 1 ) 第9 页 第二章织物材料的本构模型 z ；7 0 + r 。= 马，蜀： 马， 0 o 1 一i b c c 1 。 一i 占c c 3 。 i ( 2 1 2 ) 我们称3 4 为织物的细观剪切模量。以上推到过程中，仅对 o 进行的， 当 0 时，推到过程类似，可以得到织物的本构关系为( 2 1 3 ) ，这里不再累 述。 r ：丁o + r e ： 且，且：i 1b 岛，专艮 o o 三 因而织物的本构方程可以写为统一的形式为 t = 且，且： 一 b 2 ib 砭一 0o i 。 i 吨 三，船， 4 “ 云 这里，聊= 占劬( 岛) ，其中s i g n 为通常的符号函数。 2 4 织物材料的力学特眭参数 f 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 织物比较柔软，在通过测定它的力学特性参数时，试件需要经过一些特殊处 理才能进行测试。试件的大小一般有以下几种选择，2 0 0 m m 2 0 0 r a m 的正方形试 件、2 0 0 r a m 5 0 r a m 的长方形试件、1 3 0 r a m 5 0 r a m 的长方形试件，试件的选择试件 的选择一般视试验而定，试件的尺寸要保证完整性，试件裁减一般要距离边缘 5 0 r a m 。关于试验的具体过程详见文献，这里只给出试验测试得到织物材料的参 数，见表2 - 1 。 第1 0 页 第二章织物材料的本构模型 表2 1 织物材料的力学参数试验结果 34 5 67 l1 2 p , m m 2 0 0 i 0 06 6 75 04 03 3 32 5 m i | 0 0 4 70 0 7 30 0 8 8o 1 0 80 1 2 70 1 4 7o 1 7 8 e ：m v a 1 6 5 8 2 0 8 82 3 6 22 5 0 32 6 3 82 7 7 42 7 2 5 k 衄 0 1 1 4 40 0 9 4 7 4 0 0 8 2 2 70 0 7 6 6 40 0 7 2 4 70 0 6 9 3 60 0 6 3 8 3 砥 龇 0 5 3 5 60 5 5 3 30 5 6 7 2 0 5 7 3 4 0 5 7 7 50 5 8 0 60 5 8 6 2 e ：m p a 0 7 5 6 90 5 0 3 20 3 6 5 80 3 4 2 3o 3 1 9 80 3 0 6 60 2 7 9 1 爵( 1 0 之) 0 0 5 70 0 9 50 1 2 40 1 5 3o 1 8 10 0 2 80 2 5 5 丐( 1 0 之) 0 2 6 8 0 5 5 5 0 8 5 0 1 1 5 1 4 4 1 7 42 3 5 其中，e 和耳为拉伸模量和压缩模量，p , m m 为织物弯曲的曲率，和为 拉伸模量和拉伸模量对应的最大拉应变和最大拉应力。蟛和圬分别为拉伸层的 厚度和压缩层的厚度。通过换算，本文对织物的计算分析选择如下的材料参数3 表2 2 织物材料的力学性能参数 径向纬向 弹性模量 4 6 0 0 0 0 p a4 6 0 0 0 0 p a 剪切模量 3 6 5 0 0 0 p a 厚度 0 4 m m 密度 0 3 9 c m 3 第l l 页 第三章a b a q u s 介绍及用户子程序接口 第三章a b a q u s 介绍及用户子程序接口 目前有限元软件的功能非常强大，能够处理多种多样的问题，并且包含丰 富的单元库和材料库。然而现实中的工程问题千差万别，所需要的单元类型、 材料本构、边界条件、加载形式也是多种多样，任何一种软件也不可能把用户 所需要的所有问题的原型都囊括在软件里面。有限元软件提供一个可以使用户 定义自己问题的能力，会提高软件的操作性。针对这样一种情况，大部分的通 用软件都具备二次开发功能，一般都会提供单元接口、材料库接口、边界条件 接口、以及加载形式接口，这将大大减少用户的工作量，提高开发起点、缩短 研发周期、降低开发成本，更加适应时代高速发展的要求。 成立于1 9 7 8 年的a b a q u s 是国际上公认的最先进的c a e 大型通用有限元 计算分析软件之一，具有广泛的模拟性能。它主要由自己的前后处理程序 a b a q u s c a e 、功能强大的核心计算模块a b a q u s s t a n d a r d 、以及作为补充的 a b a q u s e x p l i c i t 显式计算模块等组成。他具备众多的单元模型、材料模型、分 析过程等，可以模拟和研究各种领域的问题，如力学、电学、声学和热学等， 特别是它能够驾驭非常庞大的复杂问题，其模拟高度非线性闯题的能力在所有 的商用软件中独占鳌头。正是a b a q u s 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠 性能使它在各国的工业领域和研究中被广泛地采用【3 1 1 。同其他有限元软件相比， a b a q u s 具有如下优势， ( 1 ) a b a q u s 是功能强大的有限元软件。可以分析复杂的固体力学和结 构力学系统，模拟非常庞大的模型，处理高度非线性问题。a b a q u s 不但可以 做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以完成系统级的分析和研究。 ( 2 ) 高度的非线性分析能力。a b a q u s 的核心计算模块是 a b a q u s s t a n d a r d ，属于隐式求解，可求解各种复杂的非线性问题，包括不同材 料本构、承受复杂的机械或热载荷，包含变化接触条件等。对于静态的问题， a b a q u s 将荷载分解成一系列增量的荷载步，在每一荷载步内进行一系列线性 第1 2 页 第三章a b a o u s 介绍及用户子程序接口 逼近以达到平衡；对于动态问题，a b a q u s 能自动地将荷载分解为连续的随时 间变化的荷载增量，选择合适的增量步和收敛准则，并在分析过程中不断地调 整这些参数值，确保获得精确的解答。同时，用户也可以自己定义载荷增量步 和收敛精度。 ( 3 ) a b a q u s 使用起来十分简便，可以很容易地为复杂问题建立模型。例 如，对于多部件问题，可以首先为每个部件定义材料参数，划分网格，然后将 他们组装成完整模型。对于大多数模拟( 包括高度非线性的问题) ，用户仅需要 提供结构的几何形状i 材料特性、边界条件和载荷工况等工程数据。a b a q u s 所提供的前后处理程序a b a q u s c a e 具有友好的界面环境，复杂问题只需用户 通过选项模块的不同组合就很容易地模拟出来。对于高级用户来讲，在开发界 面中，用户可以直接与k e y w o r d s 关联的m p 文件对话；在d o s 下面，用户也可 以对a b a q u s 进行调用，这极大的方便高级用户。由于a b a q u s c a e 与 a b a q u s s t a n d a r d ，a b a q u s e x p l i c i t 是集成在一起的，它们可以实现无缝的连 接，具备很好的兼容性。 ( 4 ) 丰富的单元库和材料库。a b a q u s 具备十分丰富的单元库，可以模拟 任意几何形状，单元种类多达4 3 3 种。同时包含大量材料模型，包括金属、橡 胶、聚合物、复合材料、钢筋混凝土、可压缩的弹性泡沫以及地质材料( 例如 土壤、岩石) 等，并且给出了多种材料本构关系及失效准则模型，包括弹性模 型、正交各向异性、粘弹性模型等；塑性模型包括扩展的d m k e r - p r a g e r 模型、 m o h r - c o u l o m b 模型、混凝土材料模型、蠕变模型等。因此，a b a q u s 具有模拟 大多数典型工程材料的能力。作为一种通用的模拟工具，a b a q u s 不仅能够解 决结构分析( 应力位移) 问题，而且能够分析热传导、质量扩散、电子元器件 的热控制( 热电耦合分析) 、声学、土壤力学( 渗流应力耦合分析) 和压电分 析等广泛领域中的问题。 ( 5 ) 良好的开放性。a b a q u s 建立了相对开放的体系结构，提供了多种二 次开发的接口，包括u n m t ，v u m a t ，u e l 等，利用其强大的分析求解平台，可使 困难的分析简单化，使复杂的过程层次化。二次开发的语言选择为科学计算常 用的f o r t r a n 语言，这使得设计人员不仅使工程分析和优化设计更快更好，同时 能使a b a q u s 具备更广泛的适用性。 第1 3 页 第三章a b a q u s 介绍及用户子程序接口 3 2a b a o u s 分析模块和步骤 a b a q u s 包含一个全面支持求解器的前后处理模块a b a q u s c a e ，以 及两个主求解器模块a b a q u s s t 姐d a r d ( 通用分析模块) 和 a b a q u s e x p l i c i t ( 显式分析模块) 。同时a b a q u s 还提供了一些专用模块， 包括a b a q u s d e s i g n 、a b a q u s a q u a 、a b a q u s f o u n d a t i o n 、m o l d f l o w 接 口、a d a m s 接口等。 ，- 同所有的有限元计算软件一样，一个完整酌a b a q u s 分析包括三个基本步 骤，前处理( p r e - p r o c e s s i n g ) 、分析计算( c o m p u t a t i o n ) 、后处理( p o s t - p r o c e s s i n g ) 。 这三个步骤的联系及生成的相关文件如图3 1 所示。 前处理( a b a q u s ，c a e )在前处理阶段必须定义物理问题的模型，并且生 成一个a b a q u s 输入文件。a b a q u s c a e 模块是完整的a b a q u s 运行环境， 可以生成a b a q u s 模型、交互式地提交和监控分析作业，并显示分析结果。 a b a q u s c a e 分成若看功能模块，每一个模块定义了模拟过程的一个方面，例 如定义几何形状、材料参数、截面特性、装配特性、单元网格划分、边界条件、 载荷工况、有限元分析计算的类型和确定输出变量要求。建模完成后， a b a q u s c a e 可以生成a b a q u s 输入文件，提交给a b a q u s s t a n d r d 或 a b a q u s e x p l i c i t 。同时用户也可以使用其它前处理器( 例如m s c p a t r a n 、 h y p e r m e s h 、f e m a p 等) 来创建模型。- 模拟计算( a b a q u s s t a n d a r d 或a b a q u s e x p l i d t )a b a q u s s t a n d a r d 是一个通用分析模块，它使用隐式求解方法，能够求解广泛领域的线性和非线 性问题，包括静态分析、动态分析，以及复杂的非线性耦合物理场分析。 a b a q u s e x p l i c i t 可以进行显式动态分析，它使用显式求解方法，、适用于求解复 杂非线性动力学问题和准静态问题，特别是用于模拟短暂、瞬时的动态时间， 如冲击和爆炸问题。模拟计算阶段，使用a b a q u s s t a n d a r d 或a b a q u s e x p l i c i t 求解输入文件中所定义的数值模型，通常以后台方式在内存中运行，算例的分 析结果( 包括位移和应力) 保存在二进制文件中，以便于后处理。 后处理( a b a q u s c a e )a b a q u s c a e 的后处理部分又称为 a b a q u s f v i e w e r ，可以用来读入分析结果数据，以多种方法显式分析结果，包 括彩色云纹图、动画、变形图和x y 曲线图等，同时还可以以文本的格式输出变 形前后的应力、应变、载荷幅度等数据。 第1 4 页 第三章a b a q u s 介绍及用户子程序接口 图3 1a b a q u s 文件组织形式 从分析的类型来将来讲，a b a q u s s t a n d a r d 提供了大量的时域和频域分析 的程序。这些程序分为两类：一类是通用分析( g e n e r a la n a l y s i s ) ，其响应既可 以是线性的，也可以是非线性的；另一类是线性摄动分析( l m e 2 u r p e r t u r b a t i o n ) ， 由在某一特定的基准状态基础上计算结构的响应给予一个通用的可能是非线性 的基态计算出线性响应。一次计算分析流程中可以包括多个分析步骤和多种分 析类型。对于织物材料的力学特性分析，由于其具有非线性的本构关系、不对 称的刚度矩阵，并且含有几何非线性的分析过程，因此采用a b a q u s s t a n d a r d 分析模块。 。 通用分析包括耦合的热位移分析，耦合的电磁分析，显式、隐式的动力分 析等等；线性摄动分析包括特征值屈曲分析频率分析、静态分析、稳态相应 分析；这里需要强调的是，线性摄动分析不能计算非线性问题。对于织物的不 对称刚度阵及其非线性本构关系，a b a q u s 中的线性摄动分析也是不能直接去 实现的。 第1 5 页 第三章a b a q u s 介绍及用户子程序接口 3 3 用户材料子程序d m a t 接口 虽然a b a q u s 为用户提供了大量的单元库、材料库和求解模型，使用户能 够利用这些模型处理绝大多数问题，但是依然不可能把所有可能出现的问题都 包含进去。为此a b a q u s 提供了一些用户子程序( u s e rs u b r o u t i n e s ) ，允许用户 在找不到合适模型的情况下自行定义符合自己问题的模型，这些用户子程序涵 盖了建模中从单元到载荷的几乎各个部分【3 2 】。 a b a q u s 用户子程序具备以下的功能和特点， 1 如果a b a q u s 的一些固有选项模型功能有限，用户子程序可以提高 a b a q u s 中这些选项的功能： 2 通常用户子程序是用f o r t r a n 语言代码写成； 3 用户子程序可以以几种不同的方式包含在模型中； 4 在某些情况下用户子程序可以利用a b a q u s 允许的已有程序。 用户子程序大大增强了a b a q u s 的应用面和灵活性，其中与材料本构关系 直接相关的子程序是u m a t 。它提供给用户自定义材料属性的f o r t r a n 接口， 以代码的形式来扩展主程序的功能，通过编程实现用户使用a b a q u s 材料库中 没有的材料模型。用户子程序u m a t 具有如下特点： 1 可以定义材料的本构关系； 2 当材料的定义包含用户自定义材料模型，每一个计算单元的材料积分点 都可以调用i m a t ： 3 可以用于力学行为分析的任何分析过程； 4 。可以使用状态变量； 5 对于力学本构关系，必须在u m a t 中提供材料本构模型的雅可比 ( j a e o b i a n ) 矩阵，即应力增量对应变增量的变化率。 6 可以和用户子程序u s d f l d 联合使用，通过u s d f l d 重新定义单元每 一个积分点传递到u m a t 中的场变量数值。 3 3 1 u m a t 用户子程序和主程序的结合 l n v i a t 用户子程序是根据a b a q u s 提供的相应接口形式，按照f o r t r a n 语法规则，用户自己编写代码形成f o r 文件来导入用户定义的材料模型。它是一 个独立的程序单元，可以被其它程序单元引用，也可以独立的存储和编译，因 此，利用这一接口可以返回数据供u m a t 子程序使用，也可以用它来完成各种 第1 6 页 第三章a b a q u s 介绍及用户子程序接口 特殊的功能。根据a b a q u s 的约定，用户子程序体结构应该至少包括六部分， 它们分别是，a b a q u s 约定的子程序提名说明、a b a q u s 定义的参数说明表、 开发者定义的局部变量说明表、开发者编写的程序代码段和子程序返回与结束 语句等。关于u m a t 的书写格式完全符合f o r t r a n 语法规则，u m a t 中常用 的变量在文件开头予以定义，通常格式为， s u b ro i 丌d mu m a t ( s t r e s s ，s t a t e v , d d s d d e ，s s e ，s p d ，s c d ， li 心l ，d d s d d t d r p l d e ，d r p l d t , 2s t ra n ，d s t ra n ，t i m e ，d t i m e ，t e m p , d t e m p , p r e d e f , d p r e d ， c 1 、o i a m e 3n d i ，n s h r , n t e n s ，n s t a t v , p r o p s ，n p r o p s ，c o o r d s ，d r o t ， p n e w d t , 4c e l e n t , d f g r d 0 ，d f g 】r d1 ，n o e l ，n p t , l a y e r ，k s p t ，k s t e p , 壬 矾c ) 矾c u 巾e a b a p a r a m i n c c h a r a c t e r * 8 0c m n a m 匝 d i m e n s i o ns t r e s s ( n t e n s ) ，s t a t e v ( n s t a t v ) ， ld d s d d e ( n t e n s ，n t e n s ) ，d d s d d t ( n t e n s ) ，d r p l d e ( n t e n s ) ， 2s t r a n ( n t e n s ) ，d s t r a n ( n t e n s ) ，1 r i m e ( 2 ) ，p r e d e f ( 1 ) ，d p r e d ( 1 ) ， 3p r o p s ( n p r o p s ) ，c o o l s ( 3 ) ，d r o t ( 3 ，3 ) ，d f g r d 0 ( 3 ，3 ) ，d f g r d1 ( 3 ，3 ) u s e rc o d i n gt od e f i n ed d s d d e ，s t r e s s ，s t a t e vs s e ，s p d ，s c d a n d , i f n e c e s s a r y , r p l ，d d s d d t , d r p l d e ，d r p l d t , p n e w d t r e n n e n d i m a t 的核心内容就是给出定义材料本构模型的雅可比矩阵，即应力增量 对应变增量的变化率a 酬a 占。文件a b ap a r a m i n c 和v a b ap a r a m i n c 是随a b a q u s 软件的安装而包含在操作系统中的，它们含有重要的参数，帮助 a b a q u s 主求解程序对用户子程序进行编译和链接，它们相当于程序设计语言 中的头文件一样。当程序遇到r e t u r n 语句时便返回到引用程序单元中去，e n d 语句是用户子程序结束的标志。在一个算例中，用户可以用到多个用户子程序， 但必须把它们放在一个以f o r 为扩展名的文件中。下面对u m a t 中用到的一些 变量进行说明， d d s d d e ( n t e n s ，n t e n s ) ，称作本构关系的雅可比( j a c o b i a n ) 矩阵，即 a 卅a 占。a c t 是应力的增量，占是应变的增量，d d s d d e ( i ，j ) 表示增量步 结束时第j 个应变分量的