有限元软件-通用二次开发思路 PPT课件

主要内容 1 通用有限元软件二次开发简介 2 用户自定义材料本构关系 3 小结 1 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS二次开发工具用户子程序 Fortran VC自定义载荷 边界 本构关系 后处理脚本语言 PYTHON对ABAQUS功能进行全面的用户更新 2 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序CREEP 定义时相关 黏塑性行为 蠕变和膨胀 DFLOW 定义固结分析中的非均匀空隙流速DFLUX 定义热传导中的非均匀热流DISP 定义非均布边界条件DLOAD 定义非均布载荷FILM 定义固结沉降分析中的非均匀渗流系数FRIC 定义接触面中的摩擦行为 3 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序GAPCON 定义耦合温度 位移分析或纯热传导分析中接触面的导率GAPELECTR 定义耦合热电分析中的导率HARDINI 定义初始等效塑性应变和初始背应力张量HETVAL 提供热传导分析中的内部热生成MPC 定义多点约束ORIENT 提供局部材料方向或运动耦合约束中的局部方向或惯性作用的局部刚体方向 4 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序RSURFU 定义刚体面SDVINI 定义初始求解相关的状态变量SIGINI 定义初始应力场UCORR 定义随机响应载荷的交叉相关性质UEL 定义单元UEXPAN 定义热应变增量UEXTERNALDB 管理用户定义的外部数据库并计算模型无关的历史信息 5 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序UFIELD 定义预定义场变量UFLUID 定义静水流体单元的流密度UFLUIDLEAKOFF 定义空隙压力粘着单元的流体渗漏系数UGENS 定义壳界面的力学行为UHARD 定义各向同性或混合硬化的屈服面尺寸和硬化参数UHYPEL 定义亚弹性应力应变关系 6 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序UHYPER 定义超弹性材料UINTER 定义接触面的面交互行为UMASFL 定义对流 扩散分析中的质量流动率条件UMAT 定义材料的力学行为UMATHT 定义材料热行为UMESHMOTION 指定自适应网格中的网格运动约束UMULLINS 定义Mullins效应材料模型的损伤变量 7 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序UPOREP 定义初始流体空隙压力UPRESS 指定等效压应力条件UPSD 定义随机响应载荷的频率相关性URDFIL 读结果文件USDFLD 指定材料点的域变量UTRACLOAD 指定非均布牵引载荷UTRS 定义粘弹性材料的减缩时间平移函数UVRAM 单元输出 8 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序UWAVE 定义ABAQUS AQUA分析波运动VOIDRI 定义初始空穴比 9 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序示例1 不同载荷步间改变弹性模量 Inputfile HEADING用户自定义损伤弹性模型 USDFLD ELEMENT TYPE T2D2 ELSET ONE1 1 2 NODE1 0 0 2 10 0 SOLIDSECTION ELSET ONE MATERIAL ELASTIC1 10 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序示例1 MATERIAL NAME ELASTIC ELASTIC DEPENDENCIES 12000 0 3 0 0 001500 0 3 0 0 011200 0 3 0 0 021000 0 3 0 0 04 USERDEFINEDFIELD DEPVAR1 11 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序示例1 BOUNDARY1 1 22 2 STEP STATIC0 1 1 0 0 0 0 1 CLOAD2 1 20 ENDSTEP 12 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序示例1 STATIC0 1 1 0 0 0 0 1 CLOAD2 1 0 ENDSTEP STEP INC 20 STATIC0 1 2 0 0 0 0 1 CLOAD2 1 40 ENDSTEP 13 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序示例1 SUBROUTINEUSDFLD FIELD STATEV PNEWDT DIRECT T CELENT TIME DTIME CMNAME ORNAME NFIELD NSTATV NOEL NPT LAYER KSPT KSTEP KINC NDI NSHR COORD JMAC JMATYP MATLAYO LACCFLA INCLUDE ABA PARAM INC CHARACTER 80CMNAME ORNAMECHARACTER 3FLGRAY 15 DIMENSIONFIELD NFIELD STATEV NSTATV DIRECT 3 3 1T 3 3 TIME 2 DIMENSIONARRAY 15 JARRAY 15 JMAC JMATYP 1COORD 14 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序示例1 CAbsolutevalueofcurrentstrain CALLGETVRM E ARRAY JARRAY FLGRAY JRCD JMAC JMATYP MATLAYO LACCFLA EPS ABS ARRAY 1 CMaximumvalueofstrainuptothispointintime CALLGETVRM SDV ARRAY JARRAY FLGRAY JRCD JMAC JMATYP MATLAYO LACCFLA EPSMAX ARRAY 1 CUsethemaximumstrainasafieldvariableFIELD 1 MAX EPS EPSMAX CStorethemaximumstrainasasolutiondependentstateCvariableSTATEV 1 FIELD 1 15 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序示例1 CIferror writecommentto DATfile IF JRCD NE 0 THENWRITE 6 REQUESTERRORINUSDFLDFORELEMENTNUMBER NOEL INTEGRATIONPOINTNUMBER NPTENDIFCRETURNEND 16 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序示例2 定义蠕变模型 17 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序示例2 定义蠕变模型 SUBROUTINECREEP DECRA DESWA STATEV SERD EC ESW P QTILD 1TEMP DTEMP PREDEF DPRED TIME DTIME CMNAME LEXIMP LEND 2COORDS NSTATV NOEL NPT LAYER KSPT KSTEP KINC CINCLUDE ABA PARAM INC CCHARACTER 80CMNAMECDIMENSIONDECRA 5 DESWA 5 STATEV PREDEF DPRED 1TIME 2 COORDS EC 2 ESW 2 18 通用有限元软件二次开发简介 ABAQUS ABAQUS用户子程序示例2 定义蠕变模型 A SIG0 AN T1 EXP QTILD SIG0 T2 EXP QTILD SIG0 DECRA 1 A 5 T1 T2 AN DTIMEIF LEXIMP EQ 1 THENDECRA 5 AN A 5 T1 T2 AN 1 DTIME 1SIG0 5 T1 T2 ENDIFRETURNEND 19 通用有限元软件二次开发简介 ANSYS ANSYS二次开发工具APDL 通过参数化模型来自动完成一些通用性强的任务 UIDL 用户界面设计语言 允许用户设计ANSYS图形界面 UPFs Fortran90函数及例程以扩展或修改程序的功能 包括定义新材料本构 新单元 新的屈服准则 自定义优化算法 将ANSYS作为一个子程序来调用等 20 通用有限元软件二次开发简介 ANSYS ANSYS APDL Do循环 do 起始行 循环语句块 enddo 结束行 不允许用label分支语句 if或 go命令跳出do循环语句 不允许用label将程序跳到另一行 但可以用if then else来实现 do循环结构中 第一次循环后自动禁止命令结果输出 欲得到所有结果输出 在do循环结构中使用 gopr或 go语句 clear命令不会清除do循环的堆栈 但它会删除所有的参数 可在 clear命令前运行 parsav命令来防止 21 通用有限元软件二次开发简介 ANSYS ANSYS APDL do i 0 64 1 采用do循环设置移动载荷 set tim tim 1time timnsel allfdele all allnsel allnsel s loc x 64 i 0 5 施加5个集中载荷f all fy loadnsel allnsel s loc x 64 i 3 0 5 enddo 22 通用有限元软件二次开发简介 ANSYS ANSYS APDL CYC1 2 循环2圈 DO I 1 CYC1 1 DO循环开始LSEL S LOC Y 60TIME 5NSUBST 5AUTOTS 0SFL ALL PRES PEAK1ALLSELLSWRITELSEL S LOC Y 60AUTOTS 0NSUBST 5TIME 10SFL ALL PRES 0ALLSEL 23 通用有限元软件二次开发简介 ANSYS ANSYS APDL LSWRITELSEL S LOC Y 60TIME 12 5NSUBST 5AUTOTS 0SFL ALL PRES VALLEY1ALLSELLSWRITELSEL S LOC Y 60NSUBST 5AUTOTS 0TIME 15SFL ALL PRES 0ALLSELLSWRITE ENDDO DO循环结束 24 通用有限元软件二次开发简介 ANSYS ANSYS APDL Repeat n 1 10 360 nnode 1 0 创建nnode个节点 夹角为360 nnode repeat nnode 1 0 360 nnode 0 重复执行上述命令nnode次 25 通用有限元软件二次开发简介 ANSYS ANSYS UIDL 单行参数输入 ASK Par Query DVAL其中 Par为参数名称 用于存储用户输入的参数 Query是询问信息 用户可以输入最多包含54个字符串的提示信息以方便正确输入参数 DVAL是用户用空响应时程序自动赋给该参数的缺省值 用户用空格响应时则表示删除该参数 ASK RADIUS INPUTTHERADIUSOFCIRCLE 4 26 通用有限元软件二次开发简介 ANSYS ANSYS UIDL 多行参数输入MULTIPRO START PROMPT NUM CSET STRT LOC END LOC PARAM NAME PROMPT STRING DEF VALUEMULTIPRO END 其中 START 为第一个参数 用于标识MULTIPRO指令的开始 PROMPT NUM为一整型数 等于执行 MULTIPRO 命令行后的 CSET参数输入提示行的数目 至少有一个 CSET命令省略了DEF VALUE参数或DEF VALUE为0 才必须用到该参数 27 通用有限元软件二次开发简介 ANSYS ANSYS UIDL 多行参数输入 MULTIPRO START 3 CSET 1 3 EX 1 YOUNGSMODULUS MPa 2 06E5 CSET 4 6 NUXY 1 POISSIONSRATIO 0 3 CSET 7 9 DENS 1 DENSITY 10 3Kg mm 3 7 85e 9 CSET 61 62 ENTERTHEATTRIBUTESOF MATERIAL1 CSET 63 64 NOTE UNITOFLENGHTHISMM MULTIPRO END PREP7MP EX 1 EX 1MP NUXY 1 NUXY 1MP DENS1 1 DENS 1 28 通用有限元软件二次开发简介 ANSYS ANSYS UIDL 多行参数输入 29 通用有限元软件二次开发简介 ANSYS ANSYS UIDL 自定义工具栏 C ProgramFiles AnsysInc v90 ANSYS apdl start90 ans 视安装路径而定用文本编辑器打开后 在最后一行追加如下代码 psearch e ansys 宏文件存放路径 ABBR Config Kconfig ABBR etype Ketype ABBR Mp Kmp ABBR Biso Kbiso ABBR Chaboche kchaboche ABBR Model Kmodel ABBR Load Kload ABBR Solve KSolve ABBR SS center Kscenter ABBR SS edge Kedge ABBR Avi seqv Kflash 30 通用有限元软件二次开发简介 ANSYS ANSYS UIDL 多行参数输入 ANSYS高级工程应用实例与二次开发 31 通用有限元软件二次开发简介 MARC MSC MARC二次开发工具用户子程序 Fortran自定义载荷 边界 本构关系 后处理脚本语言 PYTHON用户开发新的软件功能 仅调用MARC的求解器 32 通用有限元软件二次开发简介 MARC subroutineufxord xord ncrd n implicitreal 8 a h o z dpdimensionxord ncrd r 24 d0 3 14159d0t xord 2 rxord 2 r sin t xord 3 r cos t write 6 1 n xord k k 1 ncrd 1format i5 3e13 5 returnend 33 通用有限元软件二次开发简介 MARC 34 二用户子程序定义本构模型 ABAQUS Plastic模型包括了各向同性硬化 随动硬化混合模型 Prager模型 AF模型等UMATANSYS 刚塑性 双线性 多段线性模型 塑性Chaboche模型 ANADE模型 非线性塑性等USERMATMARC 刚塑性 双线性 多段线性模型 粘塑性Chaboche模型等HYPERLA2 35 本构模型简介 在材料力学行为的数学描述中 通常通过本构方程来表征材料的反应 即在本构方程中给出应力作为物体变形历史的函数 这些本构方程即为本构模型 不同的材料力学行为需要不同的本构模型来描述 如粘性流体 橡胶和混凝土 它们的本构模型截然不同 在一维固体力学中 本构关系经常归属于材料的应力 应变关系 36 本构模型简介 描述固体材料力学行为的本构模型大致归类 弹性 非弹性 率无关弹性 率相关弹性 率无关非弹性 率相关非弹性 线弹性 非线性弹性 粘弹性 亚弹性 超弹性 伪弹性或拟塑性 双线性弹塑性 多线性弹塑性 非线性弹塑性 各向同性硬化 随动硬化 蠕变 粘塑性 各向同性硬化 随动硬化 固体材料唯象本构模型 仅蠕变 体积膨胀蠕变 非金属塑性 混凝土 岩土 1 2 3 4 非各向同性硬化 非各向同性硬化 超塑性 37 线弹性本构模型的有限元实现 路径无关 可逆 无能量耗散 单轴状态下 多轴状态下 38 线弹性本构模型的有限元实现 其中 有81个独立常数 与应力张量的9个分量对应 应力和应变的对称性要求应力的6个独立分量与应变的6个独立分量有关 独立常数减少为36个 即6 6矩阵 又由于矩阵的主对称性 独立弹性常数减少为n n 1 2 21个 39 线弹性本构模型的有限元实现 由广义胡克定律可知 40 线弹性本构模型的有限元实现 本构模型的离散 41 线弹性本构模型的有限元实现 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 C 以ABAQUS为例 调用用户材料子程序UMAT 42 线弹性本构模型的有限元实现 CHARACTER 80CMNAMEDIMENSIONSTRESS NTENS STATEV NSTATV 1DDSDDE NTENS NTENS 2DDSDDT NTENS DRPLDE NTENS 3STRAN NTENS DSTRAN NTENS TIME 2 PREDEF 1 DPRED 1 4PROPS NPROPS COORDS 3 DROT 3 3 DFGRD0 3 3 DFGRD1 3 3 DIMENSIONDSTRES 6 D 3 3 CCPROPS 1 E弹性模量CPROPS 2 NU泊松比C NTENS 总的应力或应变分量个数 三维问题为6个 平面和轴对称问题为4个 一维问题为1个 NTENS NDI NSHR 43 线弹性本构模型的有限元实现 Cif NDI NE 3 THENCWRITE 7 THISUMATBEUSEDFOR3D CCALLXITCENDIFCCELASTICPROPERTIESPARAMETER ONE 1 0D0 TWO 2 0D0 THREE 3 0D0 EMOD PROPS 1 EENU PROPS 2 vEBULK3 EMOD ONE TWO ENU KEG2 EMOD ONE ENU 2GEG EG2 TWOGEG3 THREE EG3GELAM EBULK3 EG2 THREE C计算弹性常数 44 线弹性本构模型的有限元实现 CCELASTICSTIFFNESSCDOK1 1 NDIDOK2 1 NDIDDSDDE K2 K1 ELAMENDDODDSDDE K1 K1 EG2 ELAMENDDODOK1 NDI 1 NTENSDDSDDE K1 K1 EGENDDOC 计算弹性刚度矩阵C DDSDDE ntens ntens 45 线弹性本构模型的有限元实现 CCCALCULATESTRESSCDOK1 1 NTENSDOK2 1 NTENSSTRESS K2 STRESS K2 DDSDDE K2 K1 DSTRAN K1 ENDDOENDDOCRETURNEND 计算当前应力 46 线弹性本构模型的有限元实现 1 8单元验证 C3D8 Heading Jobname LinearelasticModelname C3D8 Preprint echo NO model NO history NO contact NO PARTS Part name PART 1 1 Node1 0 0 0 2 1 0 0 3 1 1 0 4 0 1 0 5 0 0 1 6 1 0 1 7 1 1 1 8 0 1 1 Element type C3D81 1 2 3 4 5 6 7 8 Elset elset ALLE1 SolidSection elset ALLE material ALLE1 EndPart 47 线弹性本构模型的有限元实现 1 8单元验证 C3D8 ASSEMBLY Assembly name Assembly Instance name PART 1 1 part PART 1 1 EndInstance Nset nset ALLN instance PART 1 1 generate1 8 1 Nset nset N1 internal instance PART 1 14 Nset nset N2 internal instance PART 1 15 Nset nset N3 internal instance PART 1 11 Nset nset N4 internal instance PART 1 14 5 8 Elset elset E1 internal instance PART 1 11 Surface type ELEMENT name S1 internalE1 S4 EndAssembly 48 线弹性本构模型的有限元实现 1 8单元验证 C3D8 Amplitude name AMP 10 0 1 1 2 0 MATERIALS Material name ALLE Depvar0 UserMaterial constants 22 e6 0 3 49 线弹性本构模型的有限元实现 1 8单元验证 C3D8 BOUNDARYCONDITIONS Name Disp BC 1Type Displacement Rotation BoundaryN1 3 3 Name Disp BC 2Type Displacement Rotation BoundaryN2 2 2 Name Disp BC 3Type Displacement Rotation BoundaryN3 1 1 Name Disp BC 4Type Displacement Rotation BoundaryN3 2 2 Name Disp BC 5Type Displacement Rotation BoundaryN3 3 3 Name Disp BC 6Type Displacement Rotation BoundaryN4 1 1 50 线弹性本构模型的有限元实现 1 8单元验证 C3D8 STEP Step 1 Step name Step 1 inc 200 Static0 1 2 0 1 0 1 LOADS Name SURFFORCE 1Type Pressure Dsload amplitude AMP 1S1 P 200 51 线弹性本构模型的有限元实现 1 8单元验证 C3D8 OUTPUTREQUESTS Restart write frequency 0 FIELDOUTPUT F Output 1 Output field ElementOutputE S HISTORYOUTPUT H Output 1 Output history variable PRESELECT EndStep 52 弹塑性本构模型的有限元实现 首先以双线性弹塑性本构模型为例 阐述弹塑性有限元实现的过程 应变率分解 弹性本构方程 屈服条件 塑性流动法则 加卸载条件 一致性条件 应力率 应变率关系 连续体弹塑性切线模量 关联流动法则 一般取 53 弹塑性本构模型的有限元实现 径向回退算法 求当前应力 54 弹塑性本构模型的有限元实现 径向回退算法 针对某一具体的屈服面 如 55 弹塑性本构模型的有限元实现 连续体弹塑性切线模量 56 弹塑性本构模型的有限元实现 径向回退算法1 1 设初始值 2 第K次迭代时检查屈服条件 收敛 4 更新塑性应变和内变量 5 计算连续体弹塑性切线模量 Else转到第3步 IF 3 计算塑性参数的增量 k k 1 转到第2步 57 弹塑性本构模型的有限元实现 径向回退算法2 1 设初始值 2 检查屈服条件 弹性状态 4 更新塑性应变和内变量 5 计算连续体弹塑性切线模量 Else转到第3步 IF 3 计算塑性参数的增量 收敛 IF Else转到第3步 ABAQUS 58 弹塑性本构模型的有限元实现 各向同性硬化 SUBROUTINEUMAT STRESS STATEV DDSDDE SSE SPD SCD 1RPL DDSDDT DRPLDE DRPLDT STRAN DSTRAN 2TIME DTIME TEMP DTEMP PREDEF DPRED MATERL NDI NSHR NTENS 3NSTATV PROPS NPROPS COORDS DROT PNEWDT CELENT 4DFGRD0 DFGRD1 NOEL NPT KSLAY KSPT KSTEP KINC CINCLUDE ABA PARAM INC CCHARACTER 80MATERLDIMENSIONSTRESS 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 4DFGRD0 3 3 DFGRD1 3 3 59 弹塑性本构模型的有限元实现 各向同性硬化 CDIMENSIONEELAS 6 EPLAS 6 FLOW 6 PARAMETER ONE 1 0D0 TWO 2 0D0 THREE 3 0D0 SIX 6 0D0 DATANEWTON TOLER 10 1 D 6 CUMATFORISOTROPICELASTICITYANDISOTROPICPLASTICITYCJ2FLOWTHEORYCCANNOTBEUSEDFORPLANESTRESSCCPROPS 1 EECPROPS 2 NUVCPROPS 3 SYIELD yCPROPS 4 HARDENINGMODULUSHC 60 弹塑性本构模型的有限元实现 CIF NDI NE 3 THENWRITE 6 1 1FORMAT 30X ERROR THISUMATMAYONLYBEUSEDFOR ELEMENTSWITHTHREEDIRECTSTRESSCOMPONENTS ENDIFCCELASTICPROPERTIESCEMOD PROPS 1 ENU PROPS 2 SYIEL0 PROPS 3 HARD PROPS 4 IF ENU GT 0 4999 AND ENU LT 0 5001 ENU 0 499EBULK3 EMOD ONE TWO ENU EG2 EMOD ONE ENU EG EG2 TWOEG3 THREE EGELAM EBULK3 EG2 THREE 61 弹塑性本构模型的有限元实现 CELASTICSTIFFNESSCDO20K1 1 NTENSDO10K2 1 NTENSDDSDDE K2 K1 0 010CONTINUECONTINUECDO40K1 1 NDIDO30K2 1 NDIDDSDDE K2 K1 ELAMCONTINUEDDSDDE K1 K1 EG2 ELAM40CONTINUEDO50K1 NDI 1 NTENSDDSDDE K1 K1 EG50CONTINUE 62 弹塑性本构模型的有限元实现 CCALCULATESTRESSFROMELASTICSTRAINSCDO70K1 1 NTENSDO60K2 1 NTENSSTRESS K2 STRESS K2 DDSDDE K2 K1 DSTRAN K1 CONTINUE70CONTINUECRECOVERELASTICANDPLASTICSTRAINSDO80K1 1 NTENSEELAS K1 STATEV K1 DSTRAN K1 EPLAS K1 STATEV K1 NTENS CONTINUEEQPLAS STATEV 1 2 NTENS 弹性应变 塑性应变 等效塑性应变 63 CMISESSTRESSCSMISES STRESS 1 STRESS 2 STRESS 1 STRESS 2 STRESS 2 STRESS 3 STRESS 2 STRESS 3 STRESS 3 STRESS 1 STRESS 3 STRESS 1 DO90K1 NDI 1 NTENSSMISES SMISES SIX STRESS K1 STRESS K1 CONTINUESMISES SQRT SMISES TWO IF SMISES GT 1 0 TOLER1 SYIEL0 THENCFLOWDIRECTIONCSHYDRO STRESS 1 STRESS 2 STRESS 3 THREEONESY ONE SMISESDO110K1 1 NDIFLOW K1 ONESY STRESS K1 SHYDRO CONTINUEDO120K1 NDI 1 NTENSFLOW K1 STRESS K1 ONESY120CONTINUE 弹塑性本构模型的有限元实现 64 CSOLVEFOREQUIVSTRESS N