金屬彈塑性本構的案例
并不簡單的彈塑性本構子程序
初學材料力學就知道最常見的金屬一般都是彈塑性的。
所謂彈塑性，就是把材料性能劃分成了兩個階段，前面的階段是彈性，比較好理解，載荷與變形線性變化。后面塑性，就是指材料繼續變形，但是載荷不往上走了，或者即便走也變慢了。而且即便完全卸載，第二個階段的變形仍然會保留。
材料如此，人亦如此，過度消耗是補不回來的。彈塑性材料有屈服強度這個概念，就是指進入塑性后，本來向上的曲線開始低頭了，所謂之“屈服”。
只要做結構強度方向，彈塑性幾乎是個天天都能聽到的詞，以至于我對它毫無“敬畏之心”，總覺得這個玩意很簡單。尤其是我研究生開始做復合材料力學以后，就覺得復合材料比金屬高端多了。我們材料是各向異性的，剛度矩陣更復雜，我們還有蔡吳、蔡希爾、哈辛一堆“高級”失效準則，材料還可以分層失效，寫到論文里面更好看，更別提失效因子、漸進損傷，總之就是牛掰。
后來我第一次寫彈塑性本構的時候，懵了。這玩意比我想象的要復雜的多。首先彈塑性這個問題并不簡單，要想解釋清楚它，需要從材料微觀層面，了解晶體位錯等等現象。甚至于到2011年，寫這些問題的綜述還能發一篇Nature。歸根結底，我們并未完全研究透材料的彈塑性行為，以及相關的強度、韌性問題。
即便就本構層面而言，彈塑性光一個塑性流動方向要想寫出來就不容易，網上能看到一大堆公式，各種導數偏導數。
問題是在UAMT/VUMAT里面是很難做這種偏導的，包括迭代數值計算，不是完全不能，而是寫出來大概率各種報錯，還不好調試找原因。在子程序里面，最穩妥的就是寫加減乘除。
那時候寫彈塑性本構，對我理解子程序以及ABAQUS邏輯，起到了非常重要的作用。我的體會是，學寫子程序，應該先寫彈性，接著就寫彈塑性，這樣才能打好基礎。像我當時屬于是回頭補課。
展開 材料本構彈塑性力學知識三
在連續介質力學中，所有問題(包括運動、應力、應變以及守恒定律等)既可用物體變形前的初始構形B為參照構形(取x1為自變量)來描述，又可用物體變形后的新構形，B'為參照構形(取x1*為自變量)來描述，前者稱為拉格朗日(LagrangeJ L)描述，后者稱為歐拉(Euler L)描述。
在固體力學中，我們常采用拉格朗日描述;在流體力學中采用歐拉描述更為方便;而對大變形問題及一般的物理定律，采用拉格朗日坐標來建立它的數學表達式更為方便，但在求解具體問題時，又常以歐拉描述更方便，所以兩種描述都要采用。
—End—
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展開 材料本構彈塑性力學知識二
彈塑性材料：固體材料在受力后產生變形，從變形開始到破壞一般要經歷彈性變形和塑性變形這兩個階段。根據材料力學性質的不同，有的彈性階段較明顯，而塑性階段很不明顯，像鑄鐵等脆性材料，往往經歷彈性階段后就破壞。有的則彈性階段很不明顯，從開始變形就伴隨著塑性變形，彈塑性變形總是耦連產生，像混凝土材料就是這洋。而大部分固體材料都呈現出明顯的彈性變形階段和塑性變形階段。今后我們主要是討論這種有彈性與塑性變形階段的固體材料，并統稱為彈塑性材料。
鮑辛格效應：由于預加塑性拉伸荷載而使壓縮屈服應力降低的現象稱為Bauschinger效應。正是由于這種效應，塑性變形時一種各向異性的過程，Bauschinger效應是一種由塑性應變引起的特殊的方向各向異性的形式，因為在后繼逆向荷載作用下，一個方向的初始塑性變形會減小其反方向的屈服一個應力。在多軸應力情況下，與這種現象對應的是具有不同方向屈服應力之間的相互影響和橫向效應，某一方向的預加應變達到塑性范圍將會改變其所有方向的屈服應力值。因此Bauschinger效應對于多維問題更重要，包括荷載方向有明顯改變的復雜應力歷史，比如應力改變符號和循環荷載的情況。
彈性變形與塑性變形的區別：卸除載荷后。變形可以完全恢復，是彈性變形的基本特征，而變形的不可恢復性是塑性變形的基本特征。彈性與塑性的基本區別不在于它們的應力一應變關系是否線性。
例如，在比例極限與彈性極限之間的AB曲線段，應力與應變不再成比例，進入了非線性階段，但在B點以前卸除載荷，變形仍將完成恢復，屬于彈性變形階段。因此，彈性和塑性的基本區別在于卸載后，是否保留一個永久變形(塑性應變〕。
在彈性變形階段，應力與應變之間呈一一對應的關系。
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運用ABAQUS軟件對冰材料彈塑性本構模型改進及驗證（附源文件） ￥1300
<p class="ql-align-justify"><strong>內容：</strong></p><p class="ql-align-justify">基于參考文獻通過ABAQUS建立了冰材料彈塑性本構模型；對比已有試驗，對比裂紋演化現象和沖擊載荷曲線，驗證了冰材料本構模型的有效性。</p><p class="ql-align-justify"><img src="https://img.jishulink.com/202507/attachment/7b0d26ab81f645dc98e8b15335447247.png" width="1027"></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify"><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center"><img src="https://img.jishulink.com/202510/attachment/7cbe0c886d1d4de59fdee40d233200d8.png" style="" width="616" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202510/attachment/7cbe0c886d1d4de59fdee40d233200d8.png?
展開 Johnson-Cook金屬塑性本構
ABAQUS/Standard 用戶材料子程序實例
－Johnson-Cook 金屬本構模型盧劍鋒 莊茁* 張帆
清華大學工程力學系 北京 100084
摘要：用戶材料子程序是 ABAQUS 提供給用戶定義自己的材料屬性的 Fortran 程序接口，使用戶能使用 ABAQUS 材料庫中沒有定義的材料模型。
ABAQUS
中自有的
Johnson-Cook
模型只能應用于顯式
ABAQUS/Explicit
程序中，而我們
希望能在隱式
ABAQUS/Standard
程序中更精確的實現本構積分，而且應用
Johnson-Cook
模型
在 UMAT
編程中使用了率相關塑性理論以及完全隱式的應力更新算法。
1 Johnson-Cook 強化模型簡介
Johnson-Cook（JC）模型用來模擬高應變率下的金屬材料。JC 強化模型表示為三項的乘積， 分別反映了應變硬化，應變率硬化和溫度軟化。這里使用 JC 模型的修正形式：
? ? ? A ? B? n ??? ? ?& ?? ?1 ? T *m ?
?1 C ln ?1
?& ??
???0 ???
并使參考應變率?&0 ? 1 ，這樣公式中的 A 即為材料的靜態屈服應力。
展開 材料本構彈塑性力學知識一
彈塑性材料
大多數材料往往都同時具有彈性和塑性性質,特別是在塑性變形階段,變形中既有可恢復的彈性變形,又有不可恢復的塑性變形;因此有時又稱彈塑性材料
彈性設計方法:
是以彈性分析為基礎的結構設計,假定材料為理想彈性地,相應地這種設計觀點便以分析結果的實際使用范圍作為設計的失效準則,即認為應力[嚴格地說是應力的某一函數值]達到一定限值[彈性界限],將進入塑性變形階段時,材料將破壞.
塑性設計方法:
結構中如果有一處或一部分材料"破壞",則認為結構失效(喪失所規定的效用).由于一般的結構都處于非均勻受力狀態。當高應力點或高應力區的材料到達彈性界限時、結構的大部分材料仍處于彈性界限之內;而實際材料在應力超過彈性界限以后并不實際發生破壞，仍具有一定的繼續承受應力(載荷)的能力，只不過剛度相對地降低。因此彈性設計方法不能充分發揮材料的潛力，導致材料的某種浪費。實際上，當結構內的局部材料進入塑性變形階段，在繼續增加外載時，結構的外力(應力)分布規律與彈性階段不同，即所謂內力(應力)重分布；這種重分布總的是使內力(應力)分布更趨均勻，使原來處于低應力區的材料承受更大的應力，從而更好地發揮材料的潛力，提高結構的承載能力。顯然，以塑性分析為基礎的設計比彈性設計更為優越。但是，塑性設計允許結構有更大的變形，以及完全卸載后結構將存在殘余變形。因此，對于剛度要求較高及不允許出現殘余變形的場合、這種設計方法不適用。
展開 彈塑性本構關系的部分推導【樣版】
彈塑性本構關系的部分推導【樣版】
各向同性硬化von Mises率無關彈塑性本構理論以及umat源代碼 ￥99
各向同性硬化von Mises率無關彈塑性本構理論以及umat源代碼
1 本構理論
1.1 率形式
對于各向同性線彈性材料，其本構方程為：
式中假設了應變張量可以分解為彈性應變和塑性應變兩部分：
因此塑性本構的關鍵在于計算塑性應變的演化。對于率無關彈塑性的本構理論，需要確定以下三個部分：
(1)：屈服條件
(2)：流動法則
(3)：硬化法則
在此采用的是 von Mises 屈服條件：
式中后繼屈服應力是等效塑性應變的函數：
流動法則為：
式中流動方向的表達式為：
硬化法則為：
1.2 Return-mapping算法
上述的本構方程均為率形式。在增量步中，給定增量應變：
首先假設該增量應變全為彈性應變，計算試驗狀態下的一些物理量：
試驗狀態下的應力
試驗狀態下的屈服函數值：
利用該試驗屈服函數值來判斷在該增量步下是否發生了塑性屈服。如果：
則說明試驗狀態即為真實狀態，即可進行更新：
反之則需要進行塑性更正，即需要計算塑性乘子的增量，利用以下非線性方程組進行計算：
可以將該非線性方程組簡化至一個非線性方程，過程如下，將該方程組中的第一式分解為球量和偏量兩部分：
因此可以計算應力為：
將上式中的第二式整理得到：
可以得到兩個張量的方向相同：
因此偏應力可以用試驗狀態的信息表示出來：
代入到最后一個一致性方程中可得：
即可利用牛頓迭代法對上述非線性方程進行求解，得到塑性乘子增量。
展開 如何將三維彈塑性本構應用于平面應力問題中
1 本構理論
本文講解如何將三維的率無關彈塑性理論應用到平面應力問題中。對于平面應變和軸對稱問題，由于是相應的應變分量為0，因為可以直接使用三維的本構，只需將相應的應變分量設為0作為本構的輸入即可。然后，對于平面應力問題，是相應的應力分量為0，由于本構是由應變驅動求得對應的應力，相應應力分量為0相當于對系統施加了相應的約束，因此三維的本構理論不可直接應用于平面應力問題中，需要將相應的約束考慮其中進行求解。
1.1 平面應力理論
對于線彈性情況，由三維本構方程推導平面應力方程如下：
1.2 應力更新算法
采用一種嵌套迭代的方法進行應力更新。我們將平面外應變仍然作為本構的輸入，此時可調用三維的本構方程，得到對應的應力。如果得到的平面外應力不為0，則使用牛頓迭代法對平面外應變進行更新，持續此過程，直至滿足平面應力假設。
展開 木材三維彈塑性本構子程序開發
問題介紹
木材的本構模型是采用連續體單元建模模擬木材彈塑性響應的基礎，然而木材復雜的力學性質常常為其本構模型的建立帶來困難。木材力學性質的復雜性主要表現在：
不同方向的強度值和剛度值各不相同；
2. 同一方向的抗拉強度和抗壓強度之間存在差異；
3. 不同形式荷載作用下材料的響應不同，壓力作用下材料的表現以延性為主， 而拉力和剪力作用下材料的破壞呈脆性。
木材在復雜應力狀態下的彈塑性本構模型。以經典彈塑性力學為框架，該本構模型建立在如下四個基本假設的基礎之上：
木材在彈性階段是理想的橫觀各向同性材料；
2. 材料的屈服符合簡化的 Hashin 屈服準則；
3. 材料在受拉和受剪屈服之前是理想線彈性的，屈服之后進入塑性流動階段；
4. 材料受壓初始屈服之前是理想線彈性的，屈服之后進入應變硬化階段，隨 著屈服面的轉移到達最終屈服面后進入完全的塑性流動。
二。子程序編寫流程
本工作室在三維hashing模型的基礎上，利用Abaqus軟件平臺，開發了完整的木材的彈塑性本構umat子程序，包含木材完整的彈性、塑性、強化以及軟化階段。編寫子程序的流程如下：
三。結果驗證
通過如下圖的木材模型進行驗證：
該模型在受壓、受剪及受拉的工況下，應力應變曲線如下所示：
該子程序還有以下特征：
能計算靜力非線性
2. 收斂性好
3. 能計算復雜應力狀態
附件為本子程序參考的文獻，供大家學習探討~
2. 木材的力學性質試驗研究及數值模擬方法.pdf
最后，大家有關于Abaqus二次開發的相關需求可以添加管理員扣扣：3045552826，微信：CAE320，同時也歡迎大家關注“320科技工作室”的微信公眾號，掃一掃二維碼即可關注~~
展開 
金屬材料塑性本構模型（結合workbench）
工程中的金屬結構一般都處于彈性工作狀態，所以工程金屬結構分析大多數都使用線彈性材料本構模型。不過，塑性本構也是應該掌握的。
workbench中常見的四種塑性本構模型
涉及三個方面：
01 雙線性/多線性（bilinear / multilinear）
02 強化（hardening）
03 等向和隨動（isotropic / kinematic）
如圖所示：
01 雙線性和多線性的區別是一目了然的，即應力應變曲線是兩條折線或兩條以上折線（三條及以上）。
02 強化是指材料在屈服后，應力隨應變還會增加，與此相對應的是理想彈塑性，材料屈服后，應力不隨應變增加。
03 拉伸屈服點對壓縮屈服點存在影響（初始屈服影響后繼屈服）。等向模型中壓縮屈服點等于上一次最大拉應力；隨動模型中壓縮屈服點等于兩倍屈服應力減去上一次最大拉應力。由此可知，隨動和等向模型定義的是材料屈服條件的變化，在材料加載后卸載再加載的情況下（多次屈服）才發揮作用。對于單調加載（不存在卸載過程），實際起作用的定義只是雙線性強化或者多線性強化。
另外，材料的屈服條件（屈服面）也有不同的描述模型。比如Tresca屈服準則，Mises屈服準則，D-P屈服準則等。例如，對于二維應力狀態，Mises屈服準則在主應力空間中是橢圓形；對于三維應力狀態，Mises屈服準則在主應力空間中是圓柱形。
展開 有關隧道襯砌用cdp彈塑性損失本構的問題
我在隧道二次襯砌中采用了cdp模型，并進行了開挖模擬，但是開挖完成后損傷參數為0，沒有變化，這是為什么呢，很它這里的警告有關嗎，我看別的文獻里面參數值雖小，但是是有值的呀
各向同性彈塑性本構的vumat源代碼：通過修改umat ￥99
在檢查時，傳入vumat的totalTime和stepTime都為0，根據用戶給定的本構關系，程序進行計算并得到初始的穩定時間增量。如果這個穩定時間增量太大，就會導致計算不穩定（不收斂），所以需要給出彈性的計算過程，以保證得到一個比較合適的初始穩定時間增量。
vumat與umat的更多對比見下圖
2 代碼修改
從umat的源代碼出發，作出相應修改可以得到vumat。
首先增加應力和應變分量的轉換函數
!*******************************************************************************
! transfer_strain_vumat2umat：將vumat接口中的應變變量轉化為umat接口的應變變量
! vumat的應變變量為張量應變，且存儲順序不同
! 變量說明
! 輸入:
! strain_vumat : vumat接口中應變張量的存儲方式(e11,e22,e33,e12,e23,e31)
!
! 輸出：
! strain_umat ：umat接口中應變張量的存儲方式(e11,e22,e33,2*e12,2*e13,2*e23)
!
展開 隨動硬化von Mises率無關彈塑性本構理論以及umat源代碼 ￥99
</p><p>4 測試</p><p>4.1 一個單元加卸載測試</p><p>設置Abaqus自帶線性隨動硬化的本構為：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202402/500ecbc35544cd0f21d7b44893591563.png"></p><p>使用umat設置的材料參數為：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202402/75334bcebf74f8bcc98e8eebfe627740.png"></p><p>分別代表楊氏模量、泊松比，初始屈服應力，以及等效塑性應變與隨動屈服應力的數據點。對于線性隨動硬化模型，可以選取三個數據點，保證三點處于同一直線上，對最后一組數據點進行一個特殊處理，可以選取一個很大的塑性應變值，以保證計算過程中的等效塑性應變都落在這三個數據點點，由此插值得到便滿足線性關系。
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