UMAT4COMSOL—ABAQUS本构模型在COMSOL中实现多物理场仿真
UMAT4COMSOL：用于COMSOL的Abaqus用户材料（UMAT）子程序包装器
摘要：
我们提供了一个包装器，允许Abaqus用户材料子程序（UMAT）用作COMSOL Multiphysics软件中的外部材料库。该包装器用C语言编写，通过一致的变量转换，将COMSOL的外部材料子程序输入和输出转换为Fortran编码的Abaqus UMAT输入和输出。这大大有助于利用固体力学界在过去几十年中发展起来的先进材料模型进行耦合、多物理研究。我们通过在弹塑性、超弹性和晶体塑性领域进行数值实验，举例说明了我们的新框架UMAT4COMSOL的潜力。源代码、详细文档和示例教程可在www.mpaneda.com/codes上免费下载。
源代码链接：
开发目的：
连续固体中多种物理现象的耦合是一个主要的研究热点。结构和工业部件的力学行为在惰性环境中相对而言是众所周知的，但由于材料与环境的相互作用而产生了挑战。氢脆、腐蚀和氧化辅助疲劳等多物理结构完整性问题继续困扰着科学家和工程师。
预测这些结构完整性问题需要将最先进的材料模型与描述化学、电学和热学现象的方程相结合。此外，许多现代设备和概念涉及多物理环境和机械负载，这些环境和负载要么从外部施加，要么由其他物理现象引起，如热膨胀、化学应变或磁力。例子包括锂离子电池、水凝胶、磁流变弹性体以及压电和压阻材料等。因此，迫切需要开发计算工具来表征材料在多物理环境中的耦合行为。
Abaqus和COMSOL可以说分别是材料建模和多物理模拟中最受欢迎的有限元软件包。几十年来，固体力学界开发了Abaqus用户材料子程序（UMAT），用于数值实现新的先进材料模型；例如，在超弹性、弹塑性、损伤和晶体塑性的背景下。Abaqus UMAT子程序是Fortran代码，用于描述小应变或有限应变约定下的本构材料行为。另一方面，COMSOL以其处理偏微分方程耦合系统的能力而闻名，它具有多个内置物理模块，涵盖了化学、流体流动、传热、电磁学、结构力学和声学等学科的大多数物理现象。
鉴于人们对多物理环境中的材料问题越来越感兴趣，将这两种工具结合起来会有很大的好处。然而，COMSOL材料库目前不支持自动使用Abaqus UMAT子程序作为材料模型。COMSOL中的可用材料是内置的，也可以用C语言编程为用户定义的外部材料库。
因此，作者们开发并共享了一种包装器，该包装器可以利用预编程的Abaqus UMAT材料模型，并使其能够在COMSOL中用作外部材料库。考虑了小应变和有限应变，提供了一个通用框架，可以利用Abaqus UMAT在材料模型开发方面所展现的显著优势，同时也利用COMSOL的多功能性进行多物理模拟。通过这种方式，目前的工作有助于社区中旨在连接计算平台的持续努力。
软件包描述：
UMAT4COMSOL是一个C代码子程序，在COMSOL中用作用户定义的外部材料，以描述固体畴的局部力学行为。该子例程包含对与Abaqus UMAT相对应的外部Fortran编码子例程的调用。在此过程中，输入局部状态，计算描述材料行为的组成方程，并将其输出返回COMSOL，以解决多物理全局问题。
图：UMAT4COMSOL的流程图。
结果展示：
图：弹塑性开孔板的力学响应：等效塑性应变的等值线图。获得的结果：（a）使用Abaqus，使用弹塑性UMAT，以及（b）使用COMSOL，使用相同的UMAT和UMAT4COMSOL。变形按比例缩放了20倍。
图：弹塑性孔板的力学响应：（a）用Abaqus（+UMAT）和COMSOL（+UMATS和UMAT4COMSOL）预测的力与位移响应；和（b）COMSOL和Abaqus解算器的收敛图，显示了每次迭代的残差大小作为负载增量的函数。在（b）中，迭代用每个增量区间内等间距的细分表示。
图：使用UMAT4COMSOL深入了解暴露在含氢环境中的单晶的耦合变形扩散行为。
结论：
结果表明，使用COMSOL和UMAT4COMSOL获得的预测与使用Abaqus和相关的UMAT子程序获得的预测相同。此外，尽管每个求解器的特性不同，但收敛速度也表现出显著的一致性。为了进一步突出UMAT4COMSOL的潜力，使用晶体性质UMAT子程序和COMSOL的多物理能力模拟了暴露在含氢环境中的单晶的耦合变形扩散行为。这一分析在技术上越来越重要，它强调了所提供的包装物有助于扩展材料和耦合物理建模的最先进技术的能力。
