UEL——ABAQUS非線性用戶單元的開發(fā)

1、ABAQUS非線性用戶單元的開發(fā)郭永進 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A(chǔ)BAQUS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u用戶子程序為分析提供了一個非常強大、靈活的工具。u用戶子程序：l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(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A(chǔ)BAQUSABAQUS中的用戶子程序：uCR

2、EEP定義時間相關(guān)的粘塑性行為（蠕變和膨脹）的用戶子程序uDFLOW在壓實分析中定義非均勻孔隙 流體速度的用戶子程序uDFLUX在熱傳導(dǎo)或質(zhì)量擴散分析中定義非均勻分布流的用戶子程序uDISP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uDLOAD定義非均勻分布載荷的用戶子程序uFILM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uFLOW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uFRIC定義接觸面摩擦行為的用戶子程序uGAPCON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A

3、BAQUS 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uGAPELECTR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uHARDINI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uHETVAL在熱傳導(dǎo)分析中定義內(nèi)部熱產(chǎn)生的用戶子程序uMPC定義多點約束的用戶子程序uORIENT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uRSURFU定義剛性表面的用戶子程序uSDVINI 定義依賴于解的狀態(tài)變量場初始值的用戶子程序uSIGINI定義初應(yīng)力場的用戶子程序uUCORR定義隨機響應(yīng)載荷的交叉

4、相關(guān)屬性的用戶子程序uUEL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)u動機u定義用戶單元uUEL接口u例：具有非線性截面行為的平面梁單元u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?？梢栽谝粋€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

5、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)物理過程施加依賴于解的載荷模擬主動控制機理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)

6、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。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

7、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

8、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。MNNMdudFKMNuHHFABAQUS 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

9、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 lines(s)*ELEMENT,TYPE=Un, ELSET=UELData line(s)*UEL PROPERTY,E

10、LSET=UELData line(s)*USER SUBROUTINE, (INPUT=file_name)*USER SUBROUTINE選項在ABAQUS 6.1版本中將不再用。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,

11、JDLTYP,ADLMAG,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,*),

12、ADLMAG(MDLOAD,*), 4 DDLMAG(MDLOAD,*),PREDEF(2,NPREDF,NNODE),LFLAGS(*),JPROPS(*)“INCLUDE”聲明語句為浮點變量設(shè)置合適的精度（大部分機器上為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

13、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 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

14、本為5.0；從ABAQUS 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)果進行比較。ABAQUS 6.1

15、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：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

16、于聯(lián)系軸向力F、彎矩M與軸向應(yīng)變、曲率 ： euB DMFABAQUS 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。 dlBDBKlTe0 dlMFBFlTe0niiillAAdl10ABAQUS 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單元單元u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(jié)果 ABAQUS 6.1版本發(fā)布會