仿真笔记——ABAQUS用户子程序之UMAT解析

CAE仿真学社

6月前浏览4332

UMAT子程序用途

UMAT子程序具有强大的功能，使用UMAT子程序：

(1) 可以定义材料的本构关系，使用ABAQUS材料库中没有包含的材料进行计算，扩充程序功能。

(2) 几乎可以用于力学行为分析的任何分析过程，几乎可以把用户材料属性赋予ABAQUS中的任何单元；

(3) 必须在UMAT中提供材料本构模型的雅可比（Jacobian）矩阵，即应力增量对应变增量的变化率。

(4) 可以和用户子程序“USDFLD”联合使用，通过“USDFLD”重新定义单元每一物质点上传递到UMAT中场变量的数值。

UMAT子程序格式模板

由于主程序与UMAT之间存在数据传递，甚至共用一些变量，因此必须遵守有关UMAT的书写格式，UMAT中常用的变量在文件开头予以定义，通常格式为：

SUBROUTINE UMAT(STRESS,STATEV,DDSDDE,SSE,SPD,SCD,
1 RPL,DDSDDT,DRPLDE,DRPLDT,
2 STRAN,DSTRAN,TIME,DTIME,TEMP,DTEMP,PREDEF,DPRED,CMNAME,
3 NDI,NSHR,NTENS,NSTATV,PROPS,NPROPS,COORDS,DROT,PNEWDT,
4 CELENT,DFGRD0,DFGRD1,NOEL,NPT,LAYER,KSPT,KSTEP,KINC)

INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'

CHARACTER*80 CMNAME
DIMENSION STRESS(NTENS),STATEV(NSTATV),
1 DDSDDE(NTENS,NTENS),DDSDDT(NTENS),DRPLDE(NTENS),
2 STRAN(NTENS),DSTRAN(NTENS),TIME(2),PREDEF(1),DPRED(1),
3 PROPS(NPROPS),COORDS(3),DROT(3,3),DFGRD0(3,3),DFGRD1(3,3)
user coding to define DDSDDE, STRESS, STATEV, SSE, SPD, SCD
and, if necessary, RPL, DDSDDT, DRPLDE, DRPLDT, PNEWDT

你的代码区，在这里编写你高端大气上档次的FORTRAN代码

RETURN
END

UMAT 中的应力矩阵、应变矩阵以及矩阵DDSDDE ，DDSDDT ，DRPLDE 等，都是直接分量存储在前，剪切分量存储在后。直接分量有NDI 个，剪切分量有NSHR 个。各分量之间的顺序根据单元自由度的不同有一些差异，所以编写UMAT 时要考虑到所使用单元的类别。

UMAT子程序变量说明

下面对UMAT中用到的一些变量进行说明：

DDSDDE（ NTENS， NTENS）是一个NTENS 维的方阵，称作雅可比矩阵，DDSDDE（ I，J）表示增量步结束时第J 个应变分量的改变引起的第I 个应力分量的变化。通常雅可比是一个对称矩阵，除非在“*USER MATERIAL”语句中加入了“UNSYMM”参数。

STRESS（NTENS）应力张量矩阵，对应NDI个直接分量和NSHR个剪切分量。在增量步的开始，应力张量矩阵中的数值通过UMAT 和主程序之间的接口传递到UMAT 中，在增量步的结束UMAT 将对应力张量矩阵更新。对于包含刚体转动的有限应变问题，一个增量步调用UMAT 之前就已经对应力张量的进行了刚体转动，因此在UMAT 中只需处理应力张量的共旋部分。UMAT 中应力张量的度量为柯西（真实）应力。

STATEV（NSTATEV）用于存储状态变量的矩阵，在增量步开始时将数值传递到UMAT中。也可在子程序USDFLD或UEXPAN 中先更新数据，然后增量步开始时将更新后的数据传递到UMAT 中。在增量步的结束必须更新状态变量矩阵中的数据。和应力张量矩阵不同的是：对于有限应变问题，除了材料本构行为引起的数据更新以外，状态变量矩阵中的任何矢量或者张量都必须通过旋转来考虑材料的刚体运动。

状态变量矩阵的维数，等于关键字“*DEPVAR”定义的数值。状态变量矩阵的维数通过ABAQUS 输入文件中的关键字“*DEPVAR”定义，关键字下面数据行的数值即为状态变量矩阵的维数。材料常数的个数，等于关键字“*USER MATERIAL”中“CONSTANTS”常数设定的值。

PROPS （NPROPS）料常数矩阵，矩阵中元素的数值对应于关键字“*USER MATERIAL”下面的数据行。
SSE，SPD，SCD分别定义每一增量步的弹性应变能，塑性耗散和蠕变耗散。它们对计算结果没有影响，仅仅作为能量输出。
其他变量：
STRAN( NTENS) ：应变矩阵；
DSTRAN( NTENS) ：应变增量矩阵；
DTIME：增量步的时间增量；
NDI：直接应力分量的个数；
NSHR：剪切应力分量的个数；
NTENS：总应力分量的个数， NTENS NDI NSHR = + 。

使用UMAT 时需要注意单元的沙漏控制刚度和横向剪切刚度。通常减缩积分单元的沙漏控制刚度和板、壳、梁单元的横向剪切刚度是通过材料属性中的弹性性质定义的。这些刚度基于材料初始剪切模量的值，通常在材料定义中通过“*ELASTIC”选项定义。但是使用UMAT 的时候，ABAQUS 对程序输入文件进行预处理的时候得不到剪切模量的数值。所以这时候用户必须使用“*HOURGLASS STIFFNESS” 选项来定义具有沙漏模式的单元的沙漏控制刚度，使用“*TRANSVERSE SHEAR STIFFNESS”选项来定义板、壳、梁单元的横向剪切刚度。

来源：CAE仿真学社

我国首次自主研制的300MW F级重型燃气轮机首台样机总装下线，看了你就知道有多牛了！

2月28日，我国自主研制的300兆瓦级F级重型燃气轮机首台样机在上海临港总装下线。实现了工程研制的重要里程碑目标，标志着我国大功率重型燃气轮机，首次走完基于正向设计的制造全过程，全面进入整机试验与验证的最终阶段！300兆瓦级F级重型燃气轮机是我国首次自主研制的最大功率、最高技术等级重型燃气轮机，是真正的国之重器，对我国燃气轮机基础学科进步、产业技术发展具有显著的带动辐射作用，对保障我国能源安全和绿色发展具有重要意义！工业和信息化部党组书记、部长金壮龙出席总装下线活动并致辞，工业和信息化部党组成员、副部长辛国斌，上海市副市长陈杰，国家电投集团董事长刘明胜出席活动。金壮龙向参研参试单位和全线干部职工致以热烈祝贺和诚挚慰问！他表示，300兆瓦级F级重型燃气轮机首台样机总装下线，是我国重型燃气轮机自主创新发展历程中的重要里程碑。8年来，在以习近平同志为核心的党中央坚强领导下，研制全线夜以继日、团结奋战，攻克多项关键技术，贯通设计制造全流程，实现首台样机总装下线，成果来之不易、经验弥足珍贵。金壮龙强调，后续任务依然艰巨繁重，要深入学习贯彻习近平总书记重要指示批示精神，坚决落实全国新型工业化推进大会部署，保持战略定力，锚定工程目标，加大政策支持和资源投入，大力推进关键核心技术协同攻关，团结协作、攻坚克难，锲而不舍、久久为功，确保早日完成项目研制任务。要始终把质量和安全放在首位，精心组织调试试验，切实做到技术风险可控、进度节点可保。要充分发挥“链主”企业龙头作用，深化上下游、大中小企业融通发展，集聚地方产业优势，化点成珠、串珠成链、成组连线，加快构建我国重型燃气轮机产业生态，促进产业高质量发展。国家电投集团作为项目实施责任主体，联合哈电集团、东方电气集团、上海电气集团组建了联合重燃公司，负责具体实施。首台样机由上海电气集团总装制造，北京、辽宁、上海、江苏等19个省市200余家企业、科研院所、高校等参与研制。教育部、科技部、工业和信息化部、财政部、国务院国资委、中国科学院、中国工程院、国家能源局等有关部门，上海市，参研参试单位、用户企业负责同志以及行业专家参加活动。什么是重型燃气轮机？有何用途？重型燃气轮机是能源领域的核心设备可在高温、高应力、高腐蚀环境下长时间运行涉及多物理场耦合、多学科技术集成设计、制造、材料、测试等技术挑战极高整机技术集成和系统性能匹配难度极大体现了一个国家的工业水平被誉为装备制造业“皇冠上的明珠” 其广泛应用于地面发电和电网调峰具备重要的战略地位和广阔的市场前景按照燃气工作温度，重型燃气轮机可以分为 E级（燃气工作温度约1200℃） F级（燃气工作温度约1400℃） G/H级（燃气工作温度约1500℃） J级（燃气工作温度约1600℃）其中F级是目前在役的主流机型首台样机总装下线有何意义？这次下线的300兆瓦级F级重型燃气轮机由5大系统、5万余个零部件构成是我国首次自主研制的最大功率、最高技术等级重型燃气轮机将成为带动高端装备制造业发展的重要力量其采用的新技术、新材料、新工艺对我国燃气轮机基础学科进步产业技术发展具有显著的带动辐射作用对保障我国能源安全和绿色发展推进新型工业化加快建设制造强国具有重要意义！谁来扛起“国之重器”？国家电投集团作为项目实施主体单位联合哈电集团、东方电气集团和上海电气集团组建联合重燃公司负责具体实施首台样机由上海电气集团总装制造各参与单位积极探索新型举国体制创新实践充分发挥企业创新主体作用实施有组织创新推进设计、制造、材料一体化协同集聚北京、辽宁、上海、江苏等19个省市200余家企业、科研院所、高校等参与研制在攻克高温合金材料研制、控制系统设计、部件及整机设计、热端部件制造等关键核心技术基础上国内首次实现大功率重型燃气轮机自主设计制造！为“国之重器”点赞！来源: 工业和信息化部来源：CAE仿真学社