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CPE8/CPS8用户自定义单元二次开发(1)

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概述

       

有限元法编写二维四边形二阶用户自定义单元,采用abaqus提供的uel二次开发平台,包括单元的刚度矩阵K、质量矩阵M和阻尼矩阵C,uel需要向abaqus主程序输出AMARTIX、RHS等矩阵。

编写的uel子程序适用于静动力计算、频域计算等等,帖子分为两个部分



->理论部分CPE8/CPS8 UEL用户自定义单元开发(1结果部分CPE8/CPS8 UEL用户自定义单元开发(2
 

形函数/位移插值函数

     

在经典的三角形单元中,位移的插值是直接在子单元中进行,但是随着单元形状的复杂,直接在子单元进行计算回带来计算的困难的公式推导的困难,因此等参单元法应运而生。在等参元中,单元形状映射中的参数和位移场插值的参数数目相等,因此得名等参元。

采用等参单元法计算二维八节点单元,其中,母单元为

   

子单元,即我们绘制的网格真实形状为

   

假设的坐标映射函数为

   

将母单元中八个节点的坐标导入上述式子,求解出16个系数a0~a15,然后求得八节点等参元的形函数

   

这是形状映射中x坐标的映射,对于y方向得映射,将上述所有x替换为y即可。

   

写成求和形式

   

写成矩阵形式为

   

其中,对于边角点有

   

对于边中点有

   

上述公式,对于位移插值同样适用。

雅各比矩阵

       

等参元中的数值积分中涉及到自然坐标和局部坐标的转换,这种转换通过雅各比矩阵实现。

根据链式求导法则有

   

写成矩阵形式

   

雅各比矩阵为

   

将式

   

代入雅各比矩阵有

   

形函数对母单元坐标的导数,可以直接求导,因此,等参元的雅各比矩阵可以求得。

则有

   

因此,雅各比矩阵的逆矩阵也可求得。

B矩阵

       

有限元中,单元的刚度矩阵为

   

D矩阵是弹性矩阵,在线弹性问题中,D矩阵为常数矩阵,根据物理方程可以推导出。B矩阵是应变-位移矩阵,用作将位移转化为应变,下面重点求解B矩阵。

应变与位移有如下关系

   

其中算子L

   

单元的位移u

   

则应变与位移的关系可表示为

   

B矩阵为B=LN,具体表达式为

   

B矩阵写成一个矩阵为

   

其中Bi

   

在求B矩阵的时候,我们的目标是求得形函数对xy的倒数,这时候我们已经求得了形函数对局部坐标的倒数,因此,通过雅各比矩阵我们就可有求得形函数对xy的倒数,首先,引入以下矩阵

   

通过雅各比矩阵,上述矩阵可以表示为

   

上面等式右面的雅各比逆矩阵,我们已经求得,形函数对st坐标的导数也已经求得,因此,上面引入的矩阵就可以求出来,然后再按照元素对应的规律将上述矩阵以此存放到B矩阵中。

在计算质量矩阵的时候,首先计算单元的额协调质量矩阵,然后将行质量集中到对角元,让后将非对角元素置为零,具体可参考帖子:

质量矩阵的求解

   
有限元先生,公 众号:有限元先生C3D8 BBAR UEL用户自定义单元二次开发(1)    

      单元的阻尼矩阵可按照比例阻尼求解,即刚度矩阵和质量矩阵的线性组合。

       求解刚度矩阵的主程序为






      subroutine KKmartix(KK,coords,DMatx,mcrd,nnode,jelem)          INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'      double precision coords(mcrd,nnode),dmatx(3,3)      double precision INTEGERPOINT(3),wgt(3)      double precision KK(2*nnode,2*nnode)      double precision B(3,2*NNODE),J(2,2)      double precision DETJ,G,H,COFF      double precision NPXY(2,NNODE)                 INTEGERPOINT(1)= 0.D0      INTEGERPOINT(2)= 0.7745966692D0      INTEGERPOINT(3)=-0.7745966692D0                  wgt(1)=0.8888888889D0      wgt(2)=0.5555555556D0      wgt(3)=0.5555555556D0                  B=0.d0      J=0.d0      DETJ=0.d0      G=0.d0      H=0.d0      COFF=0.d0      NPXY=0.d0                               do I=1,3        do II=1,3            G=INTEGERPOINT(I)            H  =INTEGERPOINT(II)            call CalBJ(B,J,DETJ,G,H,MCRD,NNODE,JELEM,COORDS)            COFF=DETJ*WGT(I)*WGT(II)                                          KK=KK+MATMUL(MATMUL(TRANSPOSE(B),DMatx),B)*COFF        enddo          enddo               return       end  
   

       求解质量矩阵的主程序为






      subroutine MMmartix(MM,COORDS,PROPS,MCRD,NNODE,JELEM)      INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'            INTEGER MCRD,NNODE,JELEM      DOUBLE PRECISION MM(2*NNODE,2*NNODE),COORDS(MCRD,NNODE)      DOUBLE PRECISION NN(2,16)      DOUBLE PRECISION INTEGERPOINT(3),WGT(3)      DOUBLE PRECISION G,H,DETJ,DENSITY,COFF      DOUBLE PRECISION J(2,2),PROPS(*)            MM=0.D0      wgt=0.D0      JJ=0.D0        NN=0.D0            G=0.D0      H=0.D0        j=0.D0                 DETJ=0.D0            Coff=0.D0        DENSITY=0.D0                                  INTEGERPOINT(1)= 0.D0      INTEGERPOINT(2)= 0.7745966692D0      INTEGERPOINT(3)=-0.7745966692D0                  wgt(1)=0.8888888889D0      wgt(2)=0.5555555556D0      wgt(3)=0.5555555556D0               DENSITY=PROPS(3)                              DO I=1,3        DO II=1,3          G  =INTEGERPOINT(I)          H  =INTEGERPOINT(II)              CALL CalDETJ(J,DETJ,G,H,MCRD,NNODE,JELEM,COORDS)          CALL CalNN(NN,G,H)                                COFF=DETJ*WGT(I)*WGT(II)*DENSITY                      MM  =MM+(MATMUL(TRANSPOSE(NN),NN))*COFF        ENDDO       ENDDO            return      end  
   


       至此,单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵已经求得,uel程序的核心部分已经完成,下一个帖子会更新自编CPE8/CPS8 uel程序的计算结果。

    


来源:有限元先生
Abaqus二次开发理论
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-10-14
最近编辑:2月前
外太空土豆儿
博士 我们穷极一生,究竟在追寻什么?
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