《工程科技UEL》PPT課件.ppt

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1、ABAQUS非線性用戶單元的開發(fā),郭永進(jìn) 莊 茁 清華大學(xué)工程力學(xué)系 北京 99年11月8日,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,ABAQUS的用戶子程序,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,用戶子程序,用戶子程序為分析提供了一個非常強(qiáng)大、靈活的工具。 用戶子程序： 可以提高幾個ABAQUS選項的功能，僅用數(shù)據(jù)行的方式使用這些選項可能太過嚴(yán)格； 用FORTRAN語言寫成； 在某些情況下可以利用ABAQUS的功能程序。,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議

2、 清華大學(xué)工程力學(xué)系,ABAQUS中的用戶子程序： CREEP定義時間相關(guān)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在熱傳導(dǎo)或質(zhì)量擴(kuò)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(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,DLOAD定義非均勻分布載荷的用戶子程序 FILM在熱傳導(dǎo)分析中定義非均勻膜系數(shù)和相關(guān)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(shù)和相關(guān)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 GAPCO

3、N在溫度位移耦合或者純熱傳導(dǎo)分析中定義接觸面或節(jié)點之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)的用戶子程序,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,GAPELECTR在熱電耦合分析中定義表面間導(dǎo)電系數(shù)的用戶子程序 HARDINI定義初始等效塑性應(yīng)變和初始背應(yīng)力張量的用戶子程序 HETVAL在熱傳導(dǎo)分析中定義內(nèi)部熱產(chǎn)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局部方向或者定義局部材料取向的用戶子程序,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,RSURFU定義剛性表面的用戶子程序 SDVIN

4、I定義依賴于解的狀態(tài)變量場初始值的用戶子程序 SIGINI定義初應(yīng)力場的用戶子程序 UCORR定義隨機(jī)響應(yīng)載荷的交叉 相關(guān)屬性的用戶子程序 UEL定義單元的用戶子程序,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,非線性用戶單元的開發(fā),動機(jī) 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(fā)的兩種用戶單元,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,概要,ABAQUS/Standard提供接口，允許用戶實現(xiàn)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(xiàn)。 接口允許

5、定義任意復(fù)雜的單元。 如果編寫適當(dāng)，用戶單元可以在ABAQUS/Standard的大部分程序中應(yīng)用。 可以在一個UEL子程序中實現(xiàn)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(xiàn)，并采用實例說明。,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,動機(jī),ABAQUS/Standard是一個功能強(qiáng)大的分析工具，擁有一個大單元庫，有500多種單元可以進(jìn)行絕大部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題的分析。 然而，在有些情況下需要開發(fā)用戶單元來補(bǔ)充ABAQUS的單元庫： 所需的單元幾何信息與ABAQUS已有的單元不同 模擬與結(jié)構(gòu)行為耦合的非結(jié)構(gòu)物理過程 施加依賴

6、于解的載荷 模擬主動控制機(jī)理,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,在分析程序如ABAQUS中開發(fā)用戶單元而不是編寫一個完全的分析程序的優(yōu)點是很明顯的： ABAQUS提供大量的結(jié)構(gòu)單元、分析程序和建模工具。 ABAQUS提供前處理和后處理。 許多第三方軟件提供帶有ABAQUS接口的前后處理器。 維護(hù)和移植子程序比維護(hù)和移植一個完全的有限元程序容易的多。,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,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(jié)點

7、數(shù) 節(jié)點的坐標(biāo)數(shù) 每一個節(jié)點處的自由度數(shù),ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,其它重要的單元性質(zhì) 另外，必須定義下面的單元性質(zhì)： 需要在UEL外定義的單元性質(zhì)數(shù)目 每一個單元需要存儲的依賴于解的狀態(tài)變量數(shù)目（SDVs） 可能會作用于單元上的（分布）載荷類型數(shù)目 這些數(shù)目不必立即定義：它們可以很容易地在完成基本的UEL子程序后加入。,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)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貢獻(xiàn)是提供作用于節(jié)點上的“力”FN依賴于節(jié)點的自由度uN的值。 如果

8、自由度是位移，那么相關(guān)的“力”為節(jié)點力。類似地，旋轉(zhuǎn)對應(yīng)于轉(zhuǎn)矩，溫度對應(yīng)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(nèi)部狀態(tài)變量H。 狀態(tài)變量必須在用戶子程序中進(jìn)行更新。,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)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(yīng)包含 FN對uN所有的直接和間接的依賴性，例如 在一般分析步中剛度矩陣定義的越精確，收斂性就越好。 剛度矩陣確定線性擾動分析步的解，所以其定義必須精確。 剛度矩陣可以為對稱或非對稱。,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議

9、 清華大學(xué)工程力學(xué)系,用戶單元的復(fù)雜程度可以變化很大。 在由常規(guī)單元構(gòu)成的分析中可以采用簡單的用戶單元來達(dá)到“控制”和“反饋”的功能。 復(fù)雜的非線性結(jié)構(gòu)單元的編制常常需要很大的工作量。 如果單元由非線性材料構(gòu)成，你最好用單獨的子程序描述材料行為。 如果材料模型是在子程序UMAT中實現(xiàn)的，那么可以在UEL中包含對UMAT的調(diào)用。 前面對UMAT中積分的討論同樣適用于UEL中的材料模型。,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,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現(xiàn)在引

10、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=, UNSYMM Data lines(s) *ELEMENT,TYPE=Un, ELSET=UEL Data line(s) *UEL PROPERTY,ELSET=UEL Data line(s) *USER SUBROUTINE, (INPUT=file_name) *USER SUBROUTINE選項在ABAQUS 6.1版本中將不再用。,ABA

11、QUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,UEL接口 用戶子程序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,ADLMAG,PREDEF, 3 NPREDF,LFLAGS,MLVARX,DDLMAG,MDLOAD,PNEWDT,JPROPS,NJPROP

12、, 4 PERIOD) C INCLUDE ABA_PARAM.INC C 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(MDLOAD,*), 4 DDLMAG(MDLOAD,*),PREDEF(2,NPREDF,NNODE),LFLAGS(*

13、),JPROPS(*) “INCLUDE”聲明語句為浮點變量設(shè)置合適的精度（大部分機(jī)器上為REAL*8）。,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,UEL變量 ABAQUS為用戶單元UEL提供下面的變量： 坐標(biāo)、位移、增量位移，對于動態(tài)，還有速度和加速度 增量開始時刻的狀態(tài)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(zhì) 載荷類型及當(dāng)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(biāo)志，對于動態(tài)，積分算子值 當(dāng)前所在的分析步數(shù)和增量步數(shù),ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議

14、清華大學(xué)工程力學(xué)系,必須定義下面的變量： 右手端矢量（節(jié)點流或力） 剛度矩陣 依賴于解的狀態(tài)變量 可以定義下面的變量： 單元的能量（應(yīng)變能、塑性耗散、動能等） 建議的新時間增量 所有參數(shù)的詳細(xì)描述請參見ABAQUS/Standard用戶手冊的第6.2.18節(jié)。,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,編寫和測試UEL,編寫ABAQUS用戶子程序的基本規(guī)則： 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(tài)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

15、 5.8-14開始，要求FORTRAN編譯器的版本為6.0。,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,復(fù)雜的UELs可能會存在很多潛在的問題，調(diào)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(jìn)行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(jìn)行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(jìn)行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(fù)雜程度。如果可能，與標(biāo)準(zhǔn)ABAQUS單元的結(jié)果進(jìn)行比較。,ABAQUS

16、 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,例1：具有非線性截面行為的平面梁單元,目標(biāo) 分析一個平面混凝土框架結(jié)構(gòu)。 這個框架所受載荷很大，混凝土內(nèi)已有明顯的非線性，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述非線性截面行為。 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(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,編程要求 單元采用數(shù)值積分；因此，需要在UEL中定義下面的量：

17、單元B矩陣，用于聯(lián)系軸向應(yīng)變、曲率與單元位移ue: 本構(gòu)律矩陣D，用于聯(lián)系軸向力F、彎矩M與軸向應(yīng)變、曲率 ：,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,單元剛度矩陣： 單元力矢量： 采用數(shù)值積分： 其中n為積分點數(shù)，li為與積分點i相關(guān)聯(lián)的長度。,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,評論 這個UEL所采用的描述和簡單的B23單元用于幾何線性分析時所采用的描述基本相同。 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。 將這個程序發(fā)展應(yīng)用于幾何非線性分析

18、要復(fù)雜的多。 即使是線性分析，每一個增量步至少調(diào)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(fù)。然后，每一次迭代至少調(diào)用一次：組集和恢復(fù)同時進(jìn)行。,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,EPZ單元,界面單元，用于裂紋自主擴(kuò)展 起裂、加速、減速、止裂都是計算的結(jié)果,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,MSG和TNT應(yīng)變梯度塑性單元,引入高階應(yīng)變應(yīng)變的梯度 需要形函數(shù)對坐標(biāo)的二階導(dǎo)數(shù) 在經(jīng)典的單元中只有形函數(shù)對坐標(biāo)的一階導(dǎo)數(shù) 非局部加權(quán)積分,ABAQUS 6.1版本發(fā)布會暨99中國地區(qū)用戶會議 清華大學(xué)工程力學(xué)系,ABAQUS/explicit的用戶子程序,1、VDLOAD：非均勻分布的荷載 2、VFRIC：定義接觸表面的摩擦性質(zhì) 3、VUMAT：定義材料本構(gòu) 沒有用戶單元接口,謝謝!THE END,