1、ABAQUS非線性用戶單元的開發ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系ABAQUS的用戶子程序用戶子程序 用戶子程序為分析提供了一個非常強大、靈敏的工具。 用戶子程序：l可以進步幾個ABAQUS選項的功能，僅用數據行的方式使用這些選項可能太過嚴格；l用FORTRAN語言寫成；l在某些情況下可以利用ABAQUS的功能程序。ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系ABAQUSABAQUS中的用戶子程序： CREEP定義時間相關的粘塑性行為蠕變和膨脹的用戶子程序 DFLOW在壓實分析中定義非均勻孔隙 流體速度的用戶子程序 DFLUX在

2、熱傳導或質量擴散分析中定義非均勻分布流的用戶子程序 DISP定義邊界條件的用戶子程序ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系 DLOAD定義非均勻分布載荷的用戶子程序 FILM在熱傳導分析中定義非均勻膜系數和相關的下沉溫度的用戶子程序 FLOW在壓實分析中定義非均勻滲流系數和相關的下沉孔隙壓力的用戶子程序 FRIC定義接觸面摩擦行為的用戶子程序 GAPCON在溫度位移耦合或者純熱傳導分析中定義接觸面或節點之間的熱傳導系數的用戶子程序 GAPELECTR在熱電耦合分析中定義外表間導電系數的用戶

3、子程序 HARDINI定義初始等效塑性應變和初始背應力張量的用戶子程序 HETVAL在熱傳導分析中定義內部熱產生的用戶子程序 MPC定義多點約束的用戶子程序 ORIENT為運動耦合約束定義部分方向或者定義部分材料取向的用戶子程序ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系 RSURFU定義剛性外表的用戶子程序 SDVINI定義依賴于解的狀態變量場初始值的用戶子程序 SIGINI定義初應力場的用戶子程序 UCORR定義隨機響應載荷的穿插 相關屬性的用戶子程序 UEL定義單元的用戶子程序非線性用戶單

4、元的開發 動機 定義用戶單元 UEL接口 例：具有非線性截面行為的平面梁單元 例：新開發的兩種用戶單元ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系概要ABAQUS/Standard提供接口，允許用戶實現線性和非線性有限單元。 非線性有限單元在用戶子程序UEL中實現。接口允許定義任意復雜的單元。 假如編寫適當，用戶單元可以在ABAQUS/Standard的大部分程序中應用。 可以在一個UEL子程序中實現多個用戶單元，這些單元可以同時使用。這里只討論非線性用戶單元的實現，并采用實例說明。ABAQUS

5、 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系動機ABAQUS/Standard是一個功能強大的分析工具，擁有一個大單元庫，有500多種單元可以進展絕大部分復雜構造問題的分析。然而，在有些情況下需要開發用戶單元來補充ABAQUS的單元庫： 所需的單元幾何信息與ABAQUS已有的單元不同 模擬與構造行為耦合的非構造物理過程 施加依賴于解的載荷 模擬主動控制機理ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系在分析程序如ABAQUS中開發用戶單元而不是編寫一個完全的分析程序的優點是很明顯的： ABAQUS提供大量的構造單元、分析程序和建模工具。 ABAQUS提

6、供前處理和后處理。 許多第三方軟件提供帶有ABAQUS接口的前后處理器。 維護和移植子程序比維護和移植一個完全的有限元程序容易的多。定義用戶單元用戶單元的主要特征在編寫UEL子程序前，必須先定義單元的以下主要特征： 單元的節點數 節點的坐標數 每一個節點處的自由度數ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系其它重要的單元性質另外，必須定義下面的單元性質： 需要在UEL外定義的單元性質數目 每一個單元需要存儲的依賴于解的狀態變量數目SDVs 可能會作用于單元上的分布載荷類型數目這些數目不必立即定義：它們可以很容易地在完成根本的UEL子程序后參加。ABAQUS 6.1

7、版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系定義用戶單元行為在一般的分析步中單元對模型的主要奉獻是提供作用于節點上的“力FN依賴于節點的自由度uN的值。 假如自由度是位移，那么相關的“力為節點力。類似地，旋轉對應于轉矩，溫度對應于熱流。 在非線性用戶單元中“力常常依賴于自由度的增量uN和內部狀態變量H。狀態變量必須在用戶子程序中進展更新。ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系在一般分析步中求解非線性方程組需要你定義單元的剛度矩陣： 剛度矩陣應包含 FN對uN所有的直接和間接的依賴性

8、，例如 在一般分析步中剛度矩陣定義的越準確，收斂性就越好。 剛度矩陣確定線性擾動分析步的解，所以其定義必須準確。剛度矩陣可以為對稱或非對稱。MNNMdudFKMNuHHFABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系用戶單元的復雜程度可以變化很大。 在由常規單元構成的分析中可以采用簡單的用戶單元來到達“控制和“反響的功能。 復雜的非線性構造單元的編制常常需要很大的工作量。假如單元由非線性材料構成，你最好用單獨的子程序描繪材料行為。 假如材料模型是在子程序UMAT中實現的，那么可以在UEL中包含對UMAT的調用。 前面對UMAT中積分的討論同樣適用于UEL中的材料模型。

9、UEL接口ABAQUS選項用戶單元是用*USER ELEMENT選項定義的。在輸入文件中這個選項必須出如今引用用戶單元的*ELEMENT選項的前面。輸入文件中用于UEL的語法如下：*USER ELEMENT, TYPE=Un, NODES=, COORDINATES=, PROPERTIES=, I PROPERTIES=, VARIABLES=, UNSYMMData liness*ELEMENT,TYPE=Un, ELSET=UELData lines*UEL PROPERTY,ELSET=UELData lines*USER SUBROUTINE, INPUT=file_name *US

10、ER SUBROUTINE選項在ABAQUS 6.1版本中將不再用。ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系UEL接口用戶子程序UEL的接口如下： SUBROUTINE UELRHS,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,ADLMAG,PREDEF, 3

11、 NPREDF,LFLAGS,MLVARX,DDLMAG,MDLOAD,PNEWDT,JPROPS,NJPROP, 4 PERIODC INCLUDE ABA_PARAM.INCC DIMENSION RHSMLVARX,*,AMATRXNDOFEL,NDOFEL, 1 SVARSNSVARS,ENERGY8,PROPS*,COORDSMCRD,NNODE, 2 UNDOFEL,DUMLVARX,*,VNDOFEL,ANDOFEL,TIME2, 3 PARAMS3,JDLTYPMDLOAD,*,ADLMAGMDLOAD,*, 4 DDLMAGMDLOAD,*,PREDEF2,NPREDF,NN

12、ODE,LFLAGS*,JPROPS*“INCLUDE聲明語句為浮點變量設置適宜的精度大部分機器上為REAL*8。ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系UEL變量ABAQUS為用戶單元UEL提供下面的變量： 坐標、位移、增量位移，對于動態，還有速度和加速度 增量開場時刻的狀態變量SDVs 總時間和增量時間、溫度以及用戶定義的場變量 用戶單元性質 載荷類型及當前總載荷值和載荷增量值 單元類型和用戶定義的單元號 分析類型標志，對于動態，積分算子值 當前所在的分析步數和增量步數ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系必須定義下面的變量

13、： 右手端矢量節點流或力 剛度矩陣 依賴于解的狀態變量可以定義下面的變量： 單元的能量應變能、塑性耗散、動能等 建議的新時間增量所有參數的詳細描繪請參見ABAQUS/Standard用戶手冊的第6.2.18節。編寫和測試UEL編寫ABAQUS用戶子程序的根本規那么： 遵從FORTRAN 77或C的語法。 確保所有的變量都定義和初始化過。 為狀態變量分配足夠的存儲空間。ABAQUS 5.8-10版本要求FORTRAN編譯器的版本為5.0；從ABAQUS 5.8-14開場，要求FORTRAN編譯器的版本為6.0。ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系ABAQUS

14、6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系復雜的UELs可能會存在很多潛在的問題，調試一個不收斂的包含UEL的大模型會帶來不必要的困難。用只有一個單元的輸入文件驗證UEL： 首先，用一般分析步進展測試將所有的解變量都賦值，用來驗證總流力。 其次，用線性擾動步進展測試將所有的載荷都賦值，用來驗證單元的剛度矩陣。 最后，用一般分析步進展測試將所有的載荷都賦值，用來驗證剛度矩陣和流矢量的匹配。逐漸增大測試問題的復雜程度。假如可能，與標準ABAQUS單元的結果進展比較。例1：具有非線性截面行為的平面梁單元目的分析一個平面混凝土框架構造。 這個框架所受載荷很大，混凝土內已有明顯的非線性，

15、但位移仍然很小，可以不考慮幾何非線性。 建立一個模型：直接用軸向力和彎矩描繪非線性截面行為。這與選項*BEAM SECTION, SECTION=NONLINEAR GENERAL類似，但是允許軸向和彎曲項之間的耦合。 忽略橫向剪切變形。ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系編程要求單元采用數值積分；因此，需要在UEL中定義下面的量： 單元B矩陣，用于聯絡軸向應變、曲率與單元位移ue: 本構律矩陣D，用于聯絡軸向力F、彎矩M與軸向應變、曲率 ： euB DMFABAQUS 6.1版本發布會

16、暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系 單元剛度矩陣： 單元力矢量： 采用數值積分：其中n為積分點數，li為與積分點i相關聯的長度。 dlBDBKlTe0 dlMFBFlTe0niiillAAdl10ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系評論這個UEL所采用的描繪和簡單的B23單元用于幾何線性分析時所采用的描繪根本一樣。 這個程序可以和*TRANSFORM一起使用。 這個程序可以比較簡單地推廣到三維分析。將這個程序開展應用于幾何非線性分析要復雜的多。 即使是線性分析，每一個增量步至少調用這個程序兩次對于每一個單元：一次用于組集，一次用于恢復。然后，每一次迭代至少調用一次：組集和恢復同時進展。ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國地區用戶會議 清華大學工程力學系EPZ單元單元 界面單元，用于裂紋自主擴展 起裂、加速、減速、止裂都是計算的結果 ABAQUS 6.1版本發布會暨99中國