首页 理论教育UMAT子程序的实施流程:5.1.2详解

UMAT子程序的实施流程:5.1.2详解

【摘要】:在UMAT子程序中实现Lemaitre各向同性损伤本构方程需要重点完成以下三部分内容:分别定义材料塑性和损伤的门槛值及演化规律,准确描述材料的塑性和损伤状态。在UMAT中采用一致切线模量矩阵可以保证ABAQUS主体程序采用的Newton迭代法具有二阶收敛速率,减少增量步结束时由于应变增量微小扰动引起的应力变化。图5.1应用UMAT子程序实现损伤本构描述的流程图

ABAQUS中用户材料子程序UMAT的开发主要解决两方面问题:本构模型建立和积分算法选择。在UMAT中应用完全隐式向后Euler法的径向返回方法,考虑了平衡迭代的收敛和计算结果的正确性,通过编写专门的代码引入材料损伤本构关系,其实施流程如图5.1所示。结构的弹塑性行为与加载以及变形的历史有关,一般使用增量载荷法计算,对每一载荷增量,将弹塑性方程分步线性化,从而使得弹塑性分析这一非线性问题分解为一系列线性问题。弹塑性情况下,线性化处理后的增量形式的材料本构关系可以表示为:

UMAT子程序的主要功能是根据程序定义的材料本构方程,由主程序传入的应变增量求解应力增量,更新积分点处的应力应变状态,提供雅可比矩阵(Jacobian)给ABAQUS主程序以形成下次迭代时的单元切线刚度矩阵和结构整体刚度矩阵。

在UMAT子程序中实现Lemaitre各向同性损伤本构方程需要重点完成以下三部分内容:

(1)分别定义材料塑性和损伤的门槛值及演化规律,准确描述材料的塑性和损伤状态。

在增量形式弹塑性本构方程中,首先调用材料弹性本构关系,计算应力增量预测值及应力预测值,当应力预测值大于屈服应力时,材料进入塑性。由于材料损伤演化和各向同性硬化使得屈服条件不断改变,需要结合该时刻的后继屈服条件、随动强化规律和损伤演化规律来确定材料弹塑性状态和损伤状态。弹塑性状态和损伤状态的决定条件将在下面的5.1.3节中讨论。

(2)选择合适的应力更新算法,根据已有应变增量值和本构方程表达得出应力增量。

准确的应力更新算法可以保证计算结果的精度高,收敛速度快。不合适的算法不仅会导致有误差的应力解,而且会影响平衡迭代的收敛,甚至会导致发散。在本书UMAT子程序中,使用基于完全隐式向后Euler法的径向返回方法,结合非线性方程组的Newton-Raphson迭代过程得到相应的应力增量值。耦合材料损伤的应力更新算法将在5.1.4节中详细讨论。

(3)应用数值算法求解一致切线模量矩阵

一致切线模量矩阵又称雅可比矩阵(应力增量对应变增量的变化率矩阵)。材料屈服时,由于突然从弹性状态转变为塑性状态,连续体的弹塑性切线模量可能引起伪加载或卸载。在UMAT中采用一致切线模量矩阵可以保证ABAQUS主体程序采用的Newton迭代法具有二阶收敛速率,减少增量步结束时由于应变增量微小扰动引起的应力变化。关于一致切线模量矩阵的定义与求解,将在5.1.5节中详细给出。

图5.1 应用UMAT子程序实现损伤本构描述的流程图