非线性用户单元的开发

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1、ABAQUS非 线 性 用 户 单 元 的 开 发 ABAQUS的 用 户 子 程 序 用 户 子 程 序u用 户 子 程 序 为 分 析 提 供 了 一 个 非 常 强 大 、灵 活 的 工 具 。u用 户 子 程 序 ：l可 以 提 高 几 个 ABAQUS选 项 的 功 能 ，仅 用 数 据 行 的 方 式 使 用 这 些 选 项 可能 太 过 严 格 ；l用 FORTRAN语 言 写 成 ；l在 某 些 情 况 下 可 以 利 用 ABAQUS的功 能 程 序 。 ABAQUS中 的 用 户 子 程 序 ：uCREEP 定 义 时 间 相 关 的 粘 塑 性 行 为（ 蠕 变 和 膨

2、胀 ） 的 用 户 子 程 序uDFLOW 在 压 实 分 析 中 定 义 非 均 匀 孔 隙 流 体 速 度 的 用 户 子 程 序uDFLUX 在 热 传 导 或 质 量 扩 散 分 析 中 定义 非 均 匀 分 布 流 的 用 户 子 程 序uDISP 定 义 边 界 条 件 的 用 户 子 程 序 uDLOAD 定 义 非 均 匀 分 布 载 荷 的 用 户 子 程 序uFILM 在 热 传 导 分 析 中 定 义 非 均 匀 膜 系 数 和相 关 的 下 沉 温 度 的 用 户 子 程 序uFLOW 在 压 实 分 析 中 定 义 非 均 匀 渗 流 系 数和 相 关 的 下 沉 孔

3、 隙 压 力 的 用 户 子 程 序uFRIC 定 义 接 触 面 摩 擦 行 为 的 用 户 子 程 序uGAPCON 在 温 度 位 移 耦 合 或 者 纯 热 传 导分 析 中 定 义 接 触 面 或 节 点 之 间 的 热 传 导 系 数的 用 户 子 程 序 uGAPELECTR 在 热 电 耦 合 分 析 中 定 义表 面 间 导 电 系 数 的 用 户 子 程 序uHARDINI 定 义 初 始 等 效 塑 性 应 变 和 初始 背 应 力 张 量 的 用 户 子 程 序uHETVAL 在 热 传 导 分 析 中 定 义 内 部 热产 生 的 用 户 子 程 序uMPC 定 义

4、多 点 约 束 的 用 户 子 程 序uORIENT 为 运 动 耦 合 约 束 定 义 局 部 方 向或 者 定 义 局 部 材 料 取 向 的 用 户 子 程 序 uRSURFU 定 义 刚 性 表 面 的 用 户 子 程 序uSDVINI 定 义 依 赖 于 解 的 状 态 变 量 场 初始 值 的 用 户 子 程 序uSIGINI 定 义 初 应 力 场 的 用 户 子 程 序uUCORR 定 义 随 机 响 应 载 荷 的 交 叉 相 关 属 性 的 用 户 子 程 序uUEL 定 义 单 元 的 用 户 子 程 序 非 线 性 用 户 单 元 的 开 发u动 机u定 义 用 户 单

5、 元uUEL接 口u例 ： 具 有 非 线 性 截 面 行 为 的 平 面 梁 单 元u例 ： 新 开 发 的 两 种 用 户 单 元 概 要ABAQUS/Standard提 供 接 口 ， 允 许 用 户 实 现 线 性 和 非线 性 有 限 单 元 。 非 线 性 有 限 单 元 在 用 户 子 程 序 UEL中 实 现 。接 口 允 许 定 义 任 意 复 杂 的 单 元 。 如 果 编 写 适 当 ， 用 户 单 元 可 以 在ABAQUS/Standard的 大 部 分 程 序 中 应 用 。 可 以 在 一 个 UEL子 程 序 中 实 现 多 个 用 户 单 元 ， 这些 单 元

6、 可 以 同 时 使 用 。这 里 只 讨 论 非 线 性 用 户 单 元 的 实 现 ， 并 采 用 实 例 说 明 。 动 机ABAQUS/Standard是 一 个 功 能 强 大 的 分 析 工具 ， 拥 有 一 个 大 单 元 库 ， 有 500多 种 单 元 可 以 进 行 绝 大 部 分 复 杂 结 构 问 题 的 分 析 。然 而 ， 在 有 些 情 况 下 需 要 开 发 用 户 单 元 来 补充 ABAQUS的 单 元 库 ： 所 需 的 单 元 几 何 信 息 与 ABAQUS已 有 的 单 元不 同 模 拟 与 结 构 行 为 耦 合 的 非 结 构 物 理 过 程 施

7、 加 依 赖 于 解 的 载 荷 模 拟 主 动 控 制 机 理 在 分 析 程 序 如 ABAQUS中 开 发 用 户 单 元 而不 是 编 写 一 个 完 全 的 分 析 程 序 的 优 点 是很 明 显 的 ： ABAQUS提 供 大 量 的 结 构 单 元 、 分 析程 序 和 建 模 工 具 。 ABAQUS提 供 前 处 理 和 后 处 理 。许 多 第 三 方 软 件 提 供 带 有 ABAQUS接 口 的 前 后 处 理 器 。 维 护 和 移 植 子 程 序 比 维 护 和 移 植 一 个完 全 的 有 限 元 程 序 容 易 的 多 。 定 义 用 户 单 元用 户 单 元

8、 的 主 要 特 征在 编 写 UEL子 程 序 前 ， 必 须 先 定 义 单 元 的以 下 主 要 特 征 ： 单 元 的 节 点 数 节 点 的 坐 标 数 每 一 个 节 点 处 的 自 由 度 数 其 它 重 要 的 单 元 性 质另 外 ， 必 须 定 义 下 面 的 单 元 性 质 ： 需 要 在 UEL外 定 义 的 单 元 性 质 数 目 每 一 个 单 元 需 要 存 储 的 依 赖 于 解 的 状态 变 量 数 目 （ SDVs） 可 能 会 作 用 于 单 元 上 的 （ 分 布 ） 载 荷类 型 数 目这 些 数 目 不 必 立 即 定 义 ： 它 们 可 以 很 容

9、 易地 在 完 成 基 本 的 UEL子 程 序 后 加 入 。 定 义 用 户 单 元 行 为在 一 般 的 分 析 步 中 单 元 对 模 型 的 主 要 贡 献是 提 供 作 用 于 节 点 上 的 “ 力 ” FN 依 赖于 节 点 的 自 由 度 uN的 值 。 如 果 自 由 度 是 位 移 ， 那 么 相 关 的 “ 力 ” 为 节点 力 。 类 似 地 ， 旋 转 对 应 于 转 矩 ， 温 度 对 应于 热 流 。 在 非 线 性 用 户 单 元 中 “ 力 ” 常 常 依 赖 于 自 由度 的 增 量 uN和 内 部 状 态 变 量 H。 状 态 变 量 必 须 在 用 户

10、 子 程 序 中 进 行 更 新 。 在 一 般 分 析 步 中 求 解 （ 非 线 性 ） 方 程 组 需 要 你 定义 单 元 的 刚 度 矩 阵 ： 刚 度 矩 阵 应 包 含 FN对 uN所 有 的 直 接 和 间 接 的依 赖 性 ， 例 如 在 一 般 分 析 步 中 刚 度 矩 阵 定 义 的 越 精 确 ， 收敛 性 就 越 好 。 刚 度 矩 阵 确 定 线 性 扰 动 分 析 步 的 解 ， 所 以 其定 义 必 须 精 确 。 刚 度 矩 阵 可 以 为 对 称 或 非 对 称 。MNNM dudFK MN uHHF 用 户 单 元 的 复 杂 程 度 可 以 变 化 很

11、 大 。 在 由 常 规 单 元 构 成 的 分 析 中 可 以 采 用 简 单 的用 户 单 元 来 达 到 “ 控 制 ” 和 “ 反 馈 ” 的 功 能 。 复 杂 的 非 线 性 结 构 单 元 的 编 制 常 常 需 要 很 大的 工 作 量 。如 果 单 元 由 非 线 性 材 料 构 成 ， 你 最 好 用 单独 的 子 程 序 描 述 材 料 行 为 。 如 果 材 料 模 型 是 在 子 程 序 UMAT中 实 现 的 ，那 么 可 以 在 UEL中 包 含 对 UMAT的 调 用 。 前 面 对 UMAT中 积 分 的 讨 论 同 样 适 用 于 UEL中 的 材 料 模

12、型 。 UEL接 口ABAQUS选 项用 户 单 元 是 用 *USER ELEMENT选 项 定 义 的 。 在 输 入文 件 中 这 个 选 项 必 须 出 现 在 引 用 用 户 单 元 的*ELEMENT选 项 的 前 面 。输 入 文 件 中 用 于 UEL的 语 法 如 下 ：*USER ELEMENT, TYPE=Un, NODES=, COORDINATES=, PROPERTIES=, I PROPERTIES=, VARIABLES=, UNSYMMData lines(s) *ELEMENT,TYPE=Un, ELSET=UELData line(s)*UEL PROPE

13、RTY,ELSET=UELData line(s)*USER SUBROUTINE, (INPUT=file_name) *USER SUBROUTINE选 项 在 ABAQUS 6.1版 本 中 将 不 再 用 。 UEL接 口用 户 子 程 序 UEL的 接 口 如 下 ： SUBROUTINE UEL(RHS,AMATRX,SVARS,ENERGY,NDOFEL,NRHS,NSVARS, 1 PROPS,NPROPS,COORDS,MCRD,NNODE,U,DU,V,A,JTYPE,TIME,DTIME, 2 KSTEP,KINC,JELEM,PARAMS,NDLOAD,JDLTYP,A

14、DLMAG,PREDEF, 3 NPREDF,LFLAGS,MLVARX,DDLMAG,MDLOAD,PNEWDT,JPROPS,NJPROP, 4 PERIOD)C INCLUDE ABA_PARAM.INCC DIMENSION RHS(MLVARX,*),AMATRX(NDOFEL,NDOFEL), 1 SVARS(NSVARS),ENERGY(8),PROPS(*),COORDS(MCRD,NNODE), 2 U(NDOFEL),DU(MLVARX,*),V(NDOFEL),A(NDOFEL),TIME(2), 3 PARAMS(3),JDLTYP(MDLOAD,*),ADLMAG(M

15、DLOAD,*), 4 DDLMAG(MDLOAD,*),PREDEF(2,NPREDF,NNODE),LFLAGS(*),JPROPS(*)“ INCLUDE” 声 明 语 句 为 浮 点 变 量 设 置 合 适 的精 度 （ 大 部 分 机 器 上 为 REAL*8） 。 UEL变 量ABAQUS为 用 户 单 元 UEL提 供 下 面 的 变 量 ： 坐 标 、 位 移 、 增 量 位 移 ， 对 于 动 态 ， 还 有 速 度 和加 速 度 增 量 开 始 时 刻 的 状 态 变 量 SDVs 总 时 间 和 增 量 时 间 、 温 度 以 及 用 户 定 义 的 场 变 量 用 户

16、单 元 性 质 载 荷 类 型 及 当 前 总 载 荷 值 和 载 荷 增 量 值 单 元 类 型 和 用 户 定 义 的 单 元 号 分 析 类 型 标 志 ， 对 于 动 态 ， 积 分 算 子 值 当 前 所 在 的 分 析 步 数 和 增 量 步 数 必 须 定 义 下 面 的 变 量 ： 右 手 端 矢 量 （ 节 点 流 或 力 ） 刚 度 矩 阵 依 赖 于 解 的 状 态 变 量可 以 定 义 下 面 的 变 量 ： 单 元 的 能 量 （ 应 变 能 、 塑 性 耗 散 、 动能 等 ） 建 议 的 新 时 间 增 量所 有 参 数 的 详 细 描 述 请 参 见ABAQUS

17、/Standard用 户 手 册 的 第 6.2.18节 。 编 写 和 测 试 UEL编 写 ABAQUS用 户 子 程 序 的 基 本 规 则 ： 遵 从 FORTRAN 77或 C的 语 法 。 确 保 所 有 的 变 量 都 定 义 和 初 始 化 过 。 为 状 态 变 量 分 配 足 够 的 存 储 空 间 。ABAQUS 5.8-10版 本 要 求 FORTRAN编 译 器的 版 本 为 5.0； 从 ABAQUS 5.8-14开 始 ，要 求 FORTRAN编 译 器 的 版 本 为 6.0。 复 杂 的 UELs可 能 会 存 在 很 多 潜 在 的 问 题 ， 调试 一 个

18、 不 收 敛 的 包 含 UEL的 大 模 型 会 带 来 不必 要 的 困 难 。用 只 有 一 个 单 元 的 输 入 文 件 验 证 UEL： 首 先 ， 用 一 般 分 析 步 进 行 测 试 将 所 有 的 解 变量 都 赋 值 ， 用 来 验 证 总 流 （ 力 ） 。 其 次 ， 用 线 性 扰 动 步 进 行 测 试 将 所 有 的 载 荷都 赋 值 ， 用 来 验 证 单 元 的 刚 度 矩 阵 。 最 后 ， 用 一 般 分 析 步 进 行 测 试 将 所 有 的 载 荷都 赋 值 ， 用 来 验 证 刚 度 矩 阵 和 流 矢 量 的 匹 配 。逐 渐 增 大 测 试 问

19、 题 的 复 杂 程 度 。 如 果 可 能 ，与 标 准 ABAQUS单 元 的 结 果 进 行 比 较 。 例 1： 具 有 非 线 性 截 面 行 为 的平 面 梁 单 元目 标分 析 一 个 平 面 混 凝 土 框 架 结 构 。 这 个 框 架 所 受 载 荷 很 大 ， 混 凝 土 内 已 有 明 显 的 非线 性 ， 但 位 移 仍 然 很 小 ， 可 以 不 考 虑 几 何 非 线 性 。 建 立 一 个 模 型 ： 直 接 用 轴 向 力 和 弯 矩 描 述 非 线 性截 面 行 为 。 这 与 选 项 *BEAM SECTION, SECTION=NONLINEAR GEN

20、ERAL类 似 ， 但是 允 许 轴 向 和 弯 曲 项 之 间 的 耦 合 。 忽 略 横 向 剪 切 变 形 。 编 程 要 求单 元 采 用 数 值 积 分 ； 因 此 ， 需 要 在 UEL中定 义 下 面 的 量 ： 单 元 B矩 阵 ， 用 于 联 系 轴 向 应 变 、 曲率 与 单 元 位 移 ue: 本 构 律 矩 阵 D， 用 于 联 系 轴 向 力 F、弯 矩 M与 轴 向 应 变 、 曲 率 ： euB DMF 单 元 刚 度 矩 阵 ： 单 元 力 矢 量 ： 采 用 数 值 积 分 ：其 中 n为 积 分 点 数 ， li为 与 积 分 点 i相 关 联 的长 度

21、。 dlBDBK l Te 0 dlMFBF l Te 0 ni iil lAAdl 10 评 论这 个 UEL所 采 用 的 描 述 和 简 单 的 B23单 元 用 于 几 何线 性 分 析 时 所 采 用 的 描 述 基 本 相 同 。 这 个 程 序 可 以 和 *TRANSFORM一 起 使 用 。 这 个 程 序 可 以 比 较 简 单 地 推 广 到 三 维 分 析 。 将 这 个 程 序 发 展 应 用 于 几 何 非 线 性 分 析 要 复杂 的 多 。 即 使 是 线 性 分 析 ， 每 一 个 增 量 步 至 少 调 用 这 个程 序 两 次 （ 对 于 每 一 个 单

22、元 ） ： 一 次 用 于 组 集 ，一 次 用 于 恢 复 。 然 后 ， 每 一 次 迭 代 至 少 调 用 一次 ： 组 集 和 恢 复 同 时 进 行 。 EPZ单 元u界 面 单 元 ， 用 于 裂 纹 自 主 扩 展 起 裂 、 加 速 、 减 速 、 止 裂 都 是 计 算 的 结 果 MSG和 TNT应 变 梯 度 塑 性 单 元u引 入 高 阶 应 变 应 变 的 梯 度 需 要 形 函 数 对 坐 标 的 二 阶 导 数在 经 典 的 单 元 中 只 有 形 函 数 对 坐 标的 一 阶 导 数 非 局 部 加 权 积 分 kijijkjikijk , ji xx N2ixN ABAQUS/explicit的 用 户 子 程 序u1、 VDLOAD： 非 均 匀 分 布 的 荷 载u2、 VFRIC： 定 义 接 触 表 面 的 摩 擦 性 质u3、 VUMAT： 定 义 材 料 本 构u没 有 用 户 单 元 接 口 谢 谢 !THE END