入门Abaqus C++子程序开发：提升仿真效率

ABAQUS是支持C++子程序开发的，相比于传统的Fortran，C++作为高级语言的优势不言而喻，再搭配优秀的C++程序库，使得我们的编程效率大大提高，尤其是对于熟悉C++编程的开发者，不失为一种更好的选择。

1 软件配置

1.1 环境准备

我使用的开发软件搭配是Abaqus 2022 + Visual Studio 2019 + OneAPI 2022。虽然我们使用C++进行子程序开发，但是使用Intel的OneAPI中的Fortran模块是必须的，否则在编译链接C++源程序时，会发生如下错误：

LINK: fatal error LNK1104: cannot open file “LIBIFCOREMD.LIB”

“LIBIFCOREMD.LIB” 这个库是Intel的Fortran库，所以必须要使用到OneAPI中的Fortran模块。

要特别注意Visual Studio和OneAPI版本搭配的问题，否则在安装OneAPI的时候会无报错闪退。我曾经尝试Visual Studio 2019 + OneAPI 2021，结果OneAPI安装时总是在continue后无情退出，当卸载VS后，就可以正常安装了，所以一定要注意相关软件版本的搭配，避开这些bug的折磨。

1.2 软件安装

软件的安装顺序需要保证VS2019的安装在OneAPI之前，因为其安装需要依赖VS2019。

（1）Abaqus 2022安装网上有很多教程，正常安装就行；

（2）VS2019安装社区版，组件只需要勾选C++桌面开发选项；
在这里插入图片描述

（3）OneAPI只需要安装HPCKit中的Fortran模块。（节省磁盘空间。。）
在这里插入图片描述

1.3 软件关联

找到abq2022.bat编辑打开。
在这里插入图片描述

添加如下语句：

call "C:\Program Files (x86)\Intel\oneAPI\compiler\2022.2.1\env\vars.bat" intel64 vs2019

1.4 关联测试

这里给出一段测试代码，将其放在Abaqus Command命令执行目录下，如果能正常编译，说明关联没有问题。

#include <cmath>
#include <aba_for_c.h>

extern "C" void FOR_NAME(dload,DLOAD) (
        double & F,                  // VALUE TO BE RETURNED: Magnitude of the distributed load
        const int    & KSTEP,        // Step number
        const int    & KINC,         // Increment number
        const double(& TIME)[2],     // (1) step time; (2) total time
        const int    & NOEL,         // Element number
        const int    & NPT,          // Load integration point number
        const int    & LAYER,        // Layer number
        const int    & KSPT,         // Section point number within the current layer
        const double(& COORDS)[3],   // Array containing the coordinates of the load integration point
        const int    & JLTYPE,       // Load type for which this call to DLOAD is made
        const char  (&SNAME)[80]     // Surface name
) {
        F = 100;
}

在这里插入图片描述

编译后生成目标文件。

1.5 计算库配置

为了后续发挥出C++编程的优势，我们配置好第三方科学计算库，方便直接调用。这里我使用Armadillo（C++ library for linear algebra & scientific computing）。

将下载好的Armadillo文件夹里/examples/lib_win64路径下的 libopenblas.lib复制C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\2019\Community\VC\Tools\MSVC\14.29.30133\lib\x64到路径下，而libopenblas.dll复制到C:\Windows\System32。

当然还需要告诉VS2019 Armadillo的头文件的位置。直接将下载的Armadillo中include文件夹下的两个文件，复制到此路径C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\2019\Community\VC\Tools\MSVC\14.29.30133\include下，这样VS就可以找到相关头文件了。

在VS中测试下使用效果：

#include <armadillo>
#include <iostream>

using namespace std;
using namespace arma;

int main() {
    // construct a matrix according to given size and form of element initialisation
    mat A(2, 3, fill::zeros);

    // .n_rows and .n_cols are read only
    cout << "A.n_rows: " << A.n_rows << endl;
    cout << "A.n_cols: " << A.n_cols << endl;

    system("pause");

	return 0;
}

在这里插入图片描述

为了后续能够使用Abaqus方式编译，我们需要将此文件C:\SIMULIA\EstProducts\2022\win_b64\SMA\site\win86_64.env中的link_sl变量末尾添加文件名：libopenblas.lib。

2 子程序开发练习

2.1 开发基础

Abaqus的C++子程序开发在帮助文档中很少提及，但是文档在About User Subroutines and Utilities还是进行了简单介绍。只要C++代码外形按照格式开始编写，里面的内容就可以自由发挥啦。关于外形格式我们可以参照Fortran进行编写。
在这里插入图片描述

2.2 DLOAD

上面其实我们已经给出了Dload子程序的C++形式，我们可以将其与帮助文档给出的Fortran格式，做个对比，可以看到函数参数是一致的。所以对于任意Fortran格式的子程序，完全可以改写为C++格式。

      SUBROUTINE DLOAD(F,KSTEP,KINC,TIME,NOEL,NPT,LAYER,KSPT,
     1 COORDS,JLTYP,SNAME)
C
      INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'
C
      DIMENSION TIME(2), COORDS (3)
      CHARACTER*80 SNAME

      user coding to define F


      RETURN
      END

下面我们通过上述子程序对一个平板表面施加一个压力F=100（Distribution选择User-defined），和直接在abaqus给定的压力做一个对比，验证子程序是否能够正确运行。
在这里插入图片描述

上述选项选择编译好的main-std.obj，提交分析。

Job-1是使用子程序计算的结果，Job-2是未使用子程序，二者结果比较在合理误差范围内。

同时，我们也可以使用Abaqus Command提交任务：abq2022 job=xxx.inp user=xxx.obj int' 这样可以在Command窗口监控程序的运行过程。

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