Abaqus UMAT二次开发教程：从入门到精通

一．Abaqus中UMAT的使用背景

ABAQUS中虽然提供了很多材料本构模型，但是有时候我们的分析的实际情况是比较复杂的，比如当我们要计算一种特定的橡胶材料的时候，已有的橡胶本构比如Mooney等都有着这样、那样的不足，很难满足我们的要求。又比如我们要计算土壤应力的时候，土壤本身受压不受拉，有着很强的非线性因素，这时候就需要我们建立足够精确的土壤本构模型。如果你正在处理的问题，ABAQUS的常规本构不能满足你的要求，那么UMAT将是你的首选。

                       （a）试验滞回曲线                                             （b）有限元模拟滞回曲线

               （c）锈蚀前混凝土应力分布图                                    （d）锈蚀后混凝土应力分布图

图1.UMAT应用实例一：将锈蚀钢筋本构通过UMAT编入ABAQUS分析不均匀锈蚀钢筋混凝土剪力墙力学性能

                                                       （a）水平沉积地基破坏形态及承载力

                                                        （b）竖向沉积地基破坏形态及承载力

图2.UMAT应用实例二：将能够考虑各向异性的土体本构通过UMAT编入ABAQUS从而分析各向异性对地基承载力及破坏形态的影响

二．Abaqus中UMAT编写需要面对的主要难点问题

1.难点一：本构模型的高度非线性

由于许多本构模型都是高度非线性的，在对这些模型计算得到的增量进行积分时，想要取得准确的积分结果是十分困难的，因此所采用的积分方法是十分关键的。以最简单的欧拉法为例，已知t时刻的应力σ_t，求t+△t时刻的应力σ_t+△t，采用的方法是：

1）计算t时刻的刚度矩阵D(σ_t);

2）通过求得的刚度矩阵计算应力增量dσ= D(σ_t)×dε；

3）通过计算得到的应力增量更新应力，得到t+△t时刻的应力σ_t+△t=σ_t+dσ=σ_t+ D(σ_t)×dε。

然而对于高度非线性的本构模型，由于在每个增量步内由t到t+△t的时间里其刚度矩阵D的变化是非常大的，因此如果像欧拉法一样将初始t时刻的刚度矩阵作为整个过程的刚度矩阵，必然会产生较大的积分误差。在有限元计算中，每个增量步的误差如果不能控制在合理的范围内，那这一误差就将在计算过程中逐渐累积，导致严重失真的模拟结果。下图比较了不同积分方法计算得到的应力-应变曲线，实线表示精确值。从图中可以看出，若不采用具有高阶精度的积分方法，计算得到的结果会严重偏离真实值；而随着积分方法精度的提高，得到的结果也会逐渐收敛于精确值。

图3. 不同积分方法得到的应力应变曲线

然而，即使采用高阶的积分方法，在面对非线性程度较高的本构模型以及积分过程中误差的累计效应时，都会显得力不从心。此外，积分精度的提高必然会增大积分方法的复杂性，从而导致计算效率的下降，因此如何在积分精度和计算效率之间平衡，又是UMAT中本构积分的一个需要考虑的问题。

2.难点二：应力穿越屈服面

众所周知，当应力在屈服面内移动时，材料的响应是纯弹性的；而当应力由屈服面上移动到屈服面外时，屈服面要随之发生扩张，同时材料的响应是弹塑性的。所以当应力在一个增量步内由屈服面内穿越到屈服面外时，在屈服面内部分需要用弹性刚度矩阵更新，而屈服面外部分需要用弹塑性刚度矩阵更新，如图4（a）所示。如何准确计算这两部分各占多少比例，是需要十分注意的，因为如果计算误差过大，同样将导致有限元模拟结果失真。同时，要注意应力穿越屈服面有一些不同的形式，图4（a）表示的是一种最一般的穿越；但同时图4（b）也是很可能出现的一种穿越情况，即应力穿越进入屈服面再穿越出屈服面。因此一个完备的UMAT中，需要先判断应力出现了哪种形式的穿越，再用合理的方法去计算屈服面内外部分所占的比例。

                                                                          （a）

                                                                             （b）

图4. 应力穿越屈服面

3.难点三：由于积分误差导致的应力偏离屈服面

当应力穿越屈服面时，屈服面也会随之扩大，因此更新后的应力理论上是应该处在屈服面上的。但是在实际计算中，由于积分误差，往往会导致更新后的应力偏离屈服面。如果这时不对偏离的应力进行修正，有可能因为误差累积，导致应力严重偏离屈服面，即超出屈服面很多。因此，在每次积分后，都要检测更新后的应力是否处于屈服面上，若其偏离屈服面，则要对其进行修正。图5展示了模拟滑坡问题时，在UMAT中不将应力修正回屈服面（图5（a））以及将应力修正回屈服面（图5（b））的结果。从图5（a）中可以看出，若不将应力修正回屈服面，在计算过程中由于误差累积应力将越来越偏离屈服面，并最终严重超出屈服面，导致严重失真的模拟结果。而从图5（b）中可以看出，采用应力拉回屈服面处理后，每次更新后的应力都会落在屈服面上，最终模拟出比较好的滑坡结果。

因此，将应力拉回屈服面是一个完备的UMAT必须拥有的步骤。但是，如何将应力拉回屈服面，又是一个值得研究的问题，不合理的拉回方式同样会造成计算结果的失真。

（a）不将应力拉回屈服面的模拟结果（上：位移云图；下：应变云图）

b）将应力拉回屈服面的模拟结果（上：位移云图；下：应变云图）

图5. 模拟滑坡问题时不将应力拉回屈服面以及将应力拉回屈服面模拟结果对比

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