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Abaqus生物力学HGO各向异性超弹本构与UMAT/VUMAT开发

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导读:大家好,我是九千CAE仿真秀专栏作者,博士毕业于985高校,现从事力学仿真研究,有9年有限元仿真经验,擅长材料本构开发,ABAQUS子程序开发,ABAQUS-Python二次开发,Hypermesh-ABAQUS联合仿真。我原创首发独家频教程ABAQUS UMAT 材料子程序开发59讲:经典材料本构UMAT编程实例详解ABAQUS VUMAT材料子程序开发48讲:自学线弹性、线性粘弹、弹塑性和热力耦合JC弹塑性本构》已入选了仿真秀平台原创精品课,超过上百人订阅,深受用户好评。
近日,我在仿真秀直播间做UMAT精品课加餐摄动法在ABAQUS全量超弹本构UMAT编写中的应用》的过程中,向朋友们介绍了HGO本构,引发了不少用户的好奇。为此我又制作了生物力学HGO各向异性超弹本构及其UMAT/VUMAT开发56讲,冀以帮助学习者掌握这个能力,欢迎大家来到订阅用户VIP群与我们一起讨论,共同进步。

一、写在文前

HGO是一个经典的描述生物组织力学行为的各向异性超弹本构,包括ABAQUS在内的众多的商用有限元软件都内置了HGO本构模型。但ABAQUS只内置了一个版本的HGO本构,无法考虑本构的变式,或无法进一步耦合其它力学特性,从而难以满足广大相关生物力学研究人员的需求。所幸ABAQUS提供了UANISOHYPER、UMAT、VUMAT等子程序来方便用户自行实现HGO本构。
本文是笔者围绕ABAQUS UMAT实现各向异性超弹HGO本构的实例展开,给出了实现HGO各向异性超弹UMAT的所有理论推导,分享给大家。该实例收录于仿真秀官网-九千CAE创作的精品课程——生物力学HGO各向异性超弹本构及其UMAT/VUMAT开发56讲的第3章,完整课程中分6章依次讲解了HGO本构理论及ABAQUS内置HGO用法、UANISOHYPER实现HGO本构、UMAT实现HGO本构、UMAT实现2D HGO本构、VUMAT实现HGO本构、VUMAT实现2D HGO本构,欢迎大家点击文尾阅读原文试看。以下是正文:
目录:

1、HGO超弹本构及应力应变关系

  • 应变能密度函数

  • 应力推导

2、摄动法计算切线刚度矩阵

3、ABAQUS UMAT中变形梯度的处理

  • 局部坐标系下的变形梯度描述

  • ABAQUS UMAT中变形梯度

二、HGO超弹本构及应力应变关系

1、应变能密度函数

超弹模型假设一应变能密度函数 若该函数与取向有关,则相应的本构为各向异性超弹本构。HGO超弹本构的应变能密度函数如下
注意

2、应力推导

考虑

(1)不变量关于变形梯度的偏导

由于应变能密度函数是表示为不变量的函数,所以先推导不变量关于变形梯度的偏导。

(2)应变能密度关于不变量的偏导

应力表达式

三、摄动法计算切线刚度矩阵

由于HGO的切线刚度矩阵推导复杂,采用数值方法(摄动法)计算切线刚度矩阵。ABAQUS UMAT中采用Jaumann应力客观率
表明上述变形梯度的摄动只引起变形,不引起刚性转动。

四、ABAQUS UMAT中变形梯度的处理

1、局部坐标系下的变形梯度描述
系统坐标系描述下,变形梯度张量定义为
2、ABAQUS UMAT中变形梯度
最后,笔者基于前述理论实现了HGO本构UMAT,将UMAT应用于血管受内压变形的仿真案例中,并且与ABAQUS内置的HGO模型计算结果对比如下,两者同样具有一致的计算结果。



五、HGO各向异性超弹UMAT/VUMAT开发教程

生物力学中,HGO作为经典的各向异性超弹本构,应用十分广泛。因此,讲师精心录制了生物力学HGO各向异性超弹本构及其UMAT/VUMAT开发课程生物力学HGO各向异性超弹本构及其UMAT/VUMAT开发56讲,课程总计6章:

  • 第一章:HGO各向异性超弹本构理论及ABAQUS内置HGO本构用法
  • 第二章:UANISOHYPER实现HGO各向异性超弹
  • 第三章:UMAT实现HGO各向异性超弹
  • 第四章:UMAT实现2D HGO各向异性超弹(平面应力)
  • 第五章:VUMAT实现HGO各向异性超弹
  • 第六章:VUMAT实现2D HGO各向异性超弹(平面应力)


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1、主讲内容有哪些

第一章主要讲解HGO各向异性超弹本构的理论,同时讲解如何利用ABAQUS内置的HGO进行仿真分析,由于HGO本构的特殊性,需要通过手动修改inp来实现模型使用,这点将在课程中做详细讲解;

第二章主要讲解利用UANISOHYPER这个子程序来实现HGO本构,UANISOHYPER是ABAQUS提供的一个专用子程序,目的在于方便用户在了解初步的本构理论的基础上就能比较快速的实现各向异性超弹本构,本章则着重讲解用UANISOHYPER来实现HGO本构的细节;

第三章主要讲解HGO的UMAT实现,虽然前述UANISOHYPER能快速实现HGO,但其通用性较差,无法叠加其它的材料力学特性,因此有必要采用更为通用的UMAT子程序,本章则主要讲解UMAT实现HGO的所有理论推导和编程实现。

第四章主要讲解2D HGO的UMAT实现,我们在仿真中经常使用壳单元来计算,前述HGO UMAT无法直接适用于壳单元,需要耦合平面应力假设,本章则主要讲解2D HGO的UMAT实现中,理论公式的修正和编程实现。

第五章主要讲解HGO的VUMAT实现,前述子程序开发主要针对ABAQUS静力通用分析步,属隐式分析,如果涉及到强接触、动态问题,我们就需要采用显式分析,这就要求相应的本构采用VUMAT开发实现,本章则主要讲解VUMAT实现HGO的所有理论推导和编程实现。

第六章主要讲解2D HGO的VUMAT实现,与第四章类似,本章主要讲解动力显式分析中2D HGO的VUMAT实现中,理论公式的修正和编程实现。

2、为什么值得学习

程规划力求细致,做到每一个公式都给出详尽推导过程,每一句代码都讲解理论依据:

(1)本构理论及详细公式推导详解:无论是针对HGO本构理论本身,还是UMAT/VUMAT实现的理论基础,课程都会给出详尽的step-by-step的推导过程,便于用户掌握理论的推导细节。

(2)HGO UMAT编程实现详解:基于前述理论公式的推导和讲解,逐条代码解释UMAT的编程实现过程和细节,将代码与理论公式对照起来,帮助用户理解子程序实现的每一处细节。

(3)UMAT调用实例:详细讲解了如何在ABAQUS中调用子程序,列出了需要注意的细节。同时,将子程序的计算结果与ABAQUS自带的HGO模型计算结果进行对比,两者在拉伸变形、血管受内压变形等的仿真上,表现出一致的应力应变结果和相当的收敛性。

(4)课程关键操作基本都是Step-By-Step方式录制,购买整套课程提供原始子程序代码+理论推导讲义,便于快速学习。同时,购课用户可加入VIP交流群,讲师将在群内针对课程内容进行答疑。

(5)全程高清语音,视频分辨率1920x1080。独家课程,提供VIP群答疑服务和交流,另外可以申请奖学金,加餐等更多服务。

欢迎识别下方二维码试看

生物力学HGO各向异性超弹本构及其UMAT/VUMAT开发56讲

(完)  

来源:仿真秀App
HyperMeshAbaqus二次开发通用pythonUM理论材料
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:2024-11-26
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