umat子程序

### UMAT 子程序在 Abaqus 中的应用详解 #### 一、引言 UMAT 子程序是在 Abaqus/Explicit 和 Abaqus/Standard 中实现材料模型自定义的有效方式之一，它允许用户根据实际需求来定义材料的本构关系。通过编写 UMAT 子程序，用户可以实现更加复杂的材料行为模拟，比如非线性弹性、塑性、蠕变、损伤等高级材料模型。本文将结合一个简单的实例——单轴拉伸杆件的线弹性模型，详细介绍如何在 Abaqus 中实现 UMAT 子程序，并进行基本的操作。 #### 二、实例介绍 ##### 2.1 材料本构模型 以最简单的杆件单轴拉伸为例，材料本构模型采用线弹性模型，具体参数如下： - 弹性模量 \( E = 206000 \) MPa - 泊松比 \( \nu = 0.3 \) 在 Abaqus 中定义这种材料模型时，需要在“Property”中选择“User Material”，并输入相应的材料参数。在这个例子中，输入的数值代表了弹性模量 \( E \) 和泊松比 \( \nu \)，分别对应 UMAT 子程序中的 `PROPS(1)` 和 `PROPS(2)`。 此外，在“General”设置下还需要选择“Depvar”，尽管此例中未使用到状态变量，但仍然需要输入一个大于 0 的数值。 ##### 2.2 ABAQUS 调用用户子程序 为了使 Abaqus 能够识别并调用 UMAT 子程序，需要进行如下步骤： - 在 Job Manager 中点击“Edit”选项，在“General”选项的最后一项中选择已创建好的 UMAT 文件。 - 用户子程序文件可以使用文本编辑器或者 Fortran 编译器进行编辑。如果对 UMAT 文件的语法有疑问，可以在 Fortran 编译器中先进行编译验证。 完成上述配置后，点击“Submit”即可开始分析。 #### 三、结果展示 比较使用 UMAT 子程序和 Abaqus 自带材料模型得到的结果，可以发现两者产生的应力云图完全一致，这表明用户自定义的材料模型正确无误地实现了预期的功能。 #### 四、UMAT 子程序代码详解 UMAT 子程序的实现通常涉及到 FORTRAN 语言，下面是一段简单的 UMAT 子程序示例代码： ```fortran SUBROUTINE UMAT(STRESS, STATEV, DDSDDE, SSE, SPD, SCD, RPL, DDSDDT, & DRPLDE, DRPLDT, STRAN, DSTRAN, TIME, DTIME, TEMP, DTEMP, & PREDEF, DPRED, CMNAME, NDI, NSHR, NTENS, NSTATV, PROPS, & NPROPS, COORDS, DROT, PNEWDT, CELENT, DFGRD0, DFGRD1, NOEL, & NPT, LAYER, KSPT, KSTEP, KINC) include 'aba_param.inc' CHARACTER*8 CMNAME DIMENSION STRESS(NTENS), STATEV(NSTATV), DDSDDE(NTENS,NTENS), & DDSDDT(NTENS), DRPLDE(NTENS), STRAN(NTENS), DSTRAN(NTENS), & TIME(2), PREDEF(1), DPRED(1), PROPS(NPROPS), COORDS(3), DROT(3,3), & DFGRD0(3,3), DFGRD1(3,3) ! UMAT FOR ISOTROPIC ELASTICITY ! CANNOT BE USED FOR PLANE STRESS !----------------------------------------------------------------- ! PROPS(1) - E ! PROPS(2) - NU !----------------------------------------------------------------- IF (NDI .NE. 3) THEN WRITE(6,*) 'THIS UMAT MAY ONLY BE USED FOR ELEMENTS WITH THREE DIRECT STRESS COMPONENTS' CALL XIT ENDIF ! ELASTIC PROPERTIES EMOD = PROPS(1) ENU = PROPS(2) EBULK3 = EMOD / (1 - 2 * ENU) EG2 = EMOD / (1 + ENU) EG = EG2 / 2 EG3 = 3 * EG ELAM = (EBULK3 - EG2) / 3 ! ELASTIC STIFFNESS DO K1 = 1, NDI DO K2 = 1, NDI DDSDDE(K2,K1) = ELAM ENDDO DDSDDE(K1,K1) = EG2 + ELAM ENDDO DO K1 = NDI + 1, NTENS DDSDDE(K1,K1) = EG ENDDO ! CALCULATE STRESS DO K1 = 1, NTENS DO K2 = 1, NTENS STRESS(K2) = STRESS(K2) + DDSDDE(K2,K1) * DSTRAN(K1) ENDDO ENDDO RETURN END ``` ##### 4.1 UMAT 子程序关键点解释 1. **参数说明**：`UMAT` 子程序包含多个输入和输出参数，其中最重要的是 `STRESS`、`STATEV`、`DDSDDE`、`PROPS` 等。 - `STRESS`: 输出变量，用于返回计算出的应力值。 - `STATEV`: 状态变量数组，用于存储和传递状态变量的信息。 - `DDSDDE`: 弹性刚度矩阵。 - `PROPS`: 输入数组，用于获取用户在 Abaqus 中定义的材料属性，如弹性模量和泊松比。 2. **弹性性质计算**：在子程序中，通过 `EMOD` 和 `ENU` 来表示弹性模量和泊松比，并据此计算出其他弹性常数。 3. **弹性刚度矩阵构造**：根据材料的弹性性质，构造弹性刚度矩阵 `DDSDDE`。 4. **应力计算**：利用 `DDSDDE` 和应变增量 `DSTRAN` 计算出新的应力值。 #### 五、INP 输入文件 提供一段 INP 输入文件示例，用于定义作业名称、模型名称以及其他必要的配置信息。 ```plaintext *Heading ** Job name: Job-1 Model name: Model-1 ** Generated by: Abaqus/CAE 6.10-1 *Preprint, echo=NO, model=NO, history=NO, contact= ``` #### 六、总结 UMAT 子程序为用户提供了极大的灵活性，能够实现复杂材料特性的模拟。通过上述实例，我们可以了解到 UMAT 子程序的基本结构以及如何在 Abaqus 中实现和调用这些子程序。对于需要模拟非常规材料特性的工程问题而言，掌握 UMAT 子程序的编写方法是非常重要的。希望本文能够帮助初学者快速入门并熟练掌握 UMAT 子程序的应用技巧。