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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 2014 12 31 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 definedMaterialMechanicalBehavior 简称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 NTENSNTENS 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 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Abaqus6 13VerificationGuide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