非线性用户单元的开发ppt课件

1、ABAQUS非线性用户单元的开发非线性用户单元的开发郭永进 庄 茁清华大学工程力学系北京 99年11月8日ABAQUS的用户子程序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、灵敏的工具。u用户子程序：u可以提高几个ABAQUS选项的功能，仅用数据行的方式运用这些选项能够太过严厉；u用FORTRAN言语写成；u在某些情况下可以利用ABAQUS的功能程序。ABAQUSABAQUS中的用户子程序：中的用户子程序：CREEPCREEP定义时间相关的粘塑性行定义时间相关的粘塑性行为蠕变和膨胀的用户子程序为蠕变和膨胀的用户子程序DFLOWDFLOW在压实分析中定义非均匀在压实分析中定义非均

2、匀孔隙孔隙 流体速度的用户子程序流体速度的用户子程序DFLUXDFLUX在热传导或质量分散分析在热传导或质量分散分析中定义非均匀分布流的用户子程中定义非均匀分布流的用户子程序序DISPDISP定义边境条件的用户子程定义边境条件的用户子程序序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外表间导

3、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定义多点约束的用户子程序uORIENT为运动耦合约束定义部分方向或者定义部分资料取向的用户子程序uRSURFU定义刚性外表的用户子程序uSDVINI 定义依赖于解的形状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定义随机呼应载荷的交叉 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/Stand

4、ard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。接口允许定义恣意复杂的单元。假设编写适当，用户单元可以在ABAQUS/Standard的大部分程序中运用。可以在一个UEL子程序中实现多个用户单元，这些单元可以同时运用。这里只讨论非线性用户单元的实现，并采用实例阐明。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多种单元可以进展绝大部分复杂构造问题的分析。然而，在有些情况下需求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构造行为耦合的非构造物理过程施加依赖于解的载荷模

5、拟自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提供大量的构造单元、分析程序和建模工具。ABAQUS提供前处置和后处置。许多第三方软件提供带有ABAQUS接口的前后处置器。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的主要特征在编写UEL子程序前，必需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在度数其它重要的单元性质另外，必需定义下面的单元性质：需求在UEL外定义的单元性质数目每一个单元需求存储的依赖于解的形状变量数目SDVs能够会作用于单元上的分布载荷类型数目这些数目不用立

6、刻定义：它们可以很容易地在完成根本的UEL子程序后参与。定义用户单元行为在普通的分析步中单元对模型的主要奉献是提供作用于节点上的“力FN依赖于节点的自在度uN的值。假设自在度是位移，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“力经常依赖于自在度的增量uN和内部形状变量H。形状变量必需在用户子程序中进展更新。在普通分析步中求解非线性方程组需求他定义单元的刚度矩阵：刚度矩阵应包含 FN对uN一切的直接和间接的依赖性，例如在普通分析步中刚度矩阵定义的越准确，收敛性就越好。刚度矩阵确定线性扰动分析步的解，所以其定义必需准确。刚度矩阵可以为对称或非对称。MNNMd

7、udFKMNuHHF用户单元的复杂程度可以变化很大。在由常规单元构成的分析中可以采用简单的用户单元来到达“控制和“反响的功能。复杂的非线性构造单元的编制经常需求很大的任务量。假设单元由非线性资料构成，他最好用单独的子程序描画资料行为。假设资料模型是在子程序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中的资料模型。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需出如今援用用户单元的*ELEMENT选项的前面。输入文件中用于UEL的语法如下：*USER ELEMENT, TYPE=Un, N

8、ODES=, COORDINATES=, PROPERTIES=, I PROPERTIES=, VARIABLES=, UNSYMMData lines(s)*ELEMENT,TYPE=Un, ELSET=UELData line(s)*UEL PROPERTY,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,NSV

9、ARS, 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, 4 PERIOD)C INCLUDE ABA_PARAM.INCC DIMENSION RHS(MLVARX,*),AMATRX(NDOFEL,NDOFEL), 1 SVARS(NSVARS),ENERGY(8),PROPS(*),COORD

10、S(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(*),JPROPS(*)“INCLUDE声明语句为浮点变量设置适宜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场时辰的形状变量SDVs总时间和增量时间、温度以及用户定义的场

11、变量用户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需定义下面的变量：右手端矢量节点流或力刚度矩阵依赖于解的形状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一切参数的详细描画请参见ABAQUS/Standard用户手册的第6.2.18节。编写和测试UEL编写ABAQUS用户子程序的根本规那么：服从FORTRAN 77或C的语法。确保一切的变量都定义和初始化过。为形状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.

12、8-14开场，要求FORTRAN编译器的版本为6.0。复杂的UELs能够会存在很多潜在的问题，调试一个不收敛的包含UEL的大模型会带来不用要的困难。用只需一个单元的输入文件验证UEL：首先，用普通分析步进展测试将一切的解变量都赋值，用来验证总流力。其次，用线性扰动步进展测试将一切的载荷都赋值，用来验证单元的刚度矩阵。最后，用普通分析步进展测试将一切的载荷都赋值，用来验证刚度矩阵和流矢量的匹配。逐渐增大测试问题的复杂程度。假设能够，与规范ABAQUS单元的结果进展比较。例1：具有非线性截面行为的平面梁单元目的分析一个平面混凝土框架构造。这个框架所受载荷很大，混凝土内已有明显的非线性，但位移依然很

13、小，可以不思索几何非线性。建立一个模型：直接用轴向力和弯矩描画非线性截面行为。这与选项*BEAM SECTION, SECTION=NONLINEAR GENERAL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，需求在UEL中定义下面的量：单元B矩阵，用于联络轴向应变、曲率与单元位移ue:本构律矩阵D，用于联络轴向力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。 dlBDBKlTe0 dlMFBFlTe0niiillAAdl10评论这个UEL所采用的描画和简单的B23单元用于几何线性分析时所采用的描画根本一样。这个程序可以和*TRANSFORM一同运用。这个程序可以比较简单地推行到三维分析。将这个程序开展运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：组集和恢复同时进展。EPZ单元单元u界面单元，用于裂纹自主扩展u起裂、加速、减速、止