Abaqus显式分析梁单元超弹性VUMAT子程序指南

显式分析梁单元超弹性不可用

有次在做一个张拉整体结构分析时，为对比拉力材料对Tensegrity冲击动态响应的影响，我试了尼龙和橡胶材料，并且对单元类型也进行了不同的尝试-Beam/Truss Element，当试到B31-超弹性本构这个组合时，Abaqus返回了一个ERROR: "Hyperelasticity or hyperfoam is not available with beam elements in Abaqus/Explicit."

Tensegrity分析（Truss）：左-尼龙线，右-橡皮筋

这个报错难道是因为橡胶材料的不可压缩性？带着疑惑查了查帮助文档：Abaqus有明确地说明超弹性本构模型可以用于Standard中的梁单元，但没有提Explicit梁单元能不能用，表达算是比较模糊，因为其他本构模型的介绍中，往往对于禁用单元讲的都比较干脆。

适用于显式梁单元的超弹性VUAMT

后来发现，原来达索官专门为显式分析的梁单元提供了一个超弹性本构模型的VUMAT，其应变能函数是基于第一不变量I1的描述，可以通过用户提供的单轴名义应力-应变数据，计算有限变形框架下的柯西应力，不过目前没有将其正式内置于Abaqus材料模型中，所以很多人都不知道。涉及到的文件一共有4个（这里讨论的是Windows版，Linux版也是4个类似文件）：

beam_hyper-xpl.obj

beam_hyper-xplD.obj

explicitU.dll

explicitU-D.dll

文件需要从官方网站下载，这几个文件中，凡是名称以D结尾的，都是双精度运行时调用的，其中：

*.obj格式的文件是包含子程序的目标文件（object-file），它可以通过abaqus make程序对C、C++或Fortran编写的子程序源文件（source-file）编译得到，求解时可以通过user=*.obj进行调用； *.dll格式的文件是共享库，也是通过abaqus make程序执行source-file编译得到的，共享库文件避免了后续频繁使用子程序时的编译和调用，所以如果一个子程序经常用到，可以把它作为共享库来使用。 Abaqus帮助文档

下面介绍一下这几个文件的使用方法。

文件使用方法

• 方法1 调用子程序目标文件，以双精度为例
• 直接执行命令：

abaqus job=jobname user=beam_hyper-xplD double

• 方法2 利用共享库，以双精度为例
• 首先将共享库文件随便放入一个文件夹，比如：

E:\SIMULIA\hyperbeamxpl

• 然后修改环境文件，在abaqus_v6.env的最后加上共享库路径：

usub_lib_dir='E:\SIMULIA\hyperbeamxpl'

• 执行命令：

abaqus job=jobname double

下面是一个算例验证，对橡皮筋网拉伸将近100%的应变，并与重物相互作用，结果表明B31单元可以与此VUMAT结合使用，另外，后处理也能渲染出橡皮筋拉伸后的径向收缩。

Abaqus显式分析超弹性梁单元B31

后处理梁单元截面渲染

材料定义方法

• 基本定义

可以直接将超弹性材料测试得到的单轴试验数据（名义应力-应变）复制进入inp文件中*user material关键字下的数据行；也可以在界面下输入，但是要注意补齐空位（每输2个数据，需要间隔6个0再继续输），比较麻烦，建议使用前一种方式直接复制粘贴。

• *Material, name=artif-silk
• *Density
• 1.08E-009
• *Depvar
• 4,
• *User Material, constants=168
• 0.0 , 0.0
• 0.085793808102607 , 0.0252809002995491
• 0.131089001893997 , 0.0558524206280708
• 0.191963493824005 , 0.102807097136974
• 0.250014811754227 , 0.149700403213501
• 0.301807403564453 , 0.20014800131321
• 0.354409605264664 , 0.248111605644226
• 0.403482794761658 , 0.295743614435196
• 0.466339707374573 , 0.358673602342606
• 0.510005414485931 , 0.4061538875103
• 0.529258906841278 , 0.4506716132164
• 0.657301008701324 , 0.545544981956482
• 0.716655910015106 , 0.605610311031342
• 0.741274118423462 , 0.649364411830902
• 0.886087417602539 , 0.747435927391052
• 0.952696979045868 , 0.802245795726776
• 1.020856022834780 , 0.855429828166962
• 1.077298998832700 , 0.89646190404892
• 1.14995396137238 , 0.947604119777679
• 1.22431004047394 , 0.998590111732483
• 1.23263394832611 , 1.02863895893097

在显式分析中，若梁单元只有拉、压变形，那么使用基本定义中的数据就足够了；如果梁单元会发生较大的弯曲变形，那么必须在*Beam Section中指定铁木辛柯梁B31单元截面的*Transverse Shear，即需要知道横向剪切刚度，如何得到要输入的数值呢？

首先，将复制显式模型并替换分析步为Standard类型的分析，然后在 *Preprint, model=yes模式下运行datacheck，最后在生成的dat文件中就能找到横向剪切刚度了，可以直接用于显式分析。

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