Huang晶体塑性模型:从UMAT到VUMAT的Abaqus转换

黄永刚院士编写的单晶晶体塑性UMAT,主要用于在Abaqus有限元仿真中进行单晶及多晶晶体塑性变形的计算,是许多科研工作者学习晶体塑性模拟的教学资源。可以在其基础上对硬化模型进行修改,甚至引入损伤。

UMAT主要应用于隐式分析,而对于大变形接触问题,隐式分析往往计算效率较低。对于接触、碰撞、冲击等问题采用VUMAT往往具有更高的计算效率和收敛速度。本文旨在将Huang编写的UMAT改写为VUMAT,并进行对比验证。

将UMAT改写为VUMAT需要从以下方面考虑:(1)UMAT是在积分点上调用的,而VUMAT一次调用会计算很多个积分点上的变量,需要对子程序接口形式进行修改;(2)Huang本构中的转动张量DROT是用于对滑移面和滑移方向进行旋转的,在UMAT中,Abaqus会提供转动张量DROT,在VUMAT中,子程序接口没有提供DROT,需要通过VUMAT传入的变形梯度更新滑移面和滑移方向;(3)显示分析采用了Green-Naghdi率,而隐式分析采用Jaumann率,需要对应变率进行修改。

采用了两个多晶模型进行一致性的验证,第一个模型是125个网格的单位长度代表体积单元,每25个网格设置1个取向。第二个模型是采用Voronoi方法获得的15个不同取向晶粒的多晶模型。


1)15个不同取向晶粒的多晶模型

15个不同取向晶粒的多晶模型,采用狗骨单轴拉伸试件进行数值试验,有限元模型如下图所示。开展单轴拉伸,UMAT采用隐式分析,VUMAT采用显式分析。

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT的图1

图 1  单轴拉伸多晶有限元模型



不同晶粒的材料参数设置如下:

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT的图2基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT的图3基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT的图4

图 2  多晶材料不同取向的设置



基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT的图5

图 3  计算完成的截图

单轴拉伸UMAT和VUMAT计算得到的力-位移响应如下。

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT的图6

图 4  单轴拉伸UMAT和VUMAT计算得到的力-位移响应


单轴拉伸结束时刻的应力、应变场如下:

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT的图7

图 5  计算完成的应力场



基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT的图8

图 6  计算完成时刻的应变场



2)125个网格的单位长度代表体积单元

125个网格的单位长度代表体积单元,每25个网格设置1个取向,有限元模型如下图所示。

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT的图9

图 7  125个网格的单位长度代表体积单元有限元模型



基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT的图10

图 8  材料参数设置



基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT的图11

图 9  计算完成时刻的应力云图



基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT的图12

图 10  计算完成时刻的应变云图


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