彈塑性本構模型的案例
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 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 混凝土彈塑性損傷本構模型在Abaqus中vumat子程序的實現
混凝土彈塑性本構
混凝土的受力非線性行為同時包含微裂縫(微缺陷)和塑性流動這兩種微觀機制的影響，導致混凝土材料具有以如下顯著特征：
1)峰值應力后存在不穩定區域并伴隨明顯的剛度退化和強度軟化；
2)加卸載時的滯回特性：變形超過定的閥值后，混凝土完全卸載后存在著不可恢復變形；
3)有側限(如雙軸受壓應力狀態)時材料的強度和延性明顯增大；
4)由于拉應力的影響，二維拉壓應力下混凝土的受壓強度較一維抗壓強度低，即所謂的拉壓軟化效應(vcccllio and Collins，1986)；
5)單邊效應：受拉強度和受壓強度明顯不同；損傷特別是受拉時的損傷具有明顯的方向性：荷載反向后受拉裂縫閉合會導致混凝土的剛度恢復
二。vumat子程序的實現
本文作者根據上述本構，參考如下的子程序編寫流程可以實現vumat子程序的編寫。
從而可以模擬混凝土的塑性損傷，結果如下所示：
結果表明，本文所編寫的子程序準確有效。
參考文獻：
吳建營，《基于損傷能釋放率的混凝土彈塑性損傷本構模型及其在結構非線性分析中的應用》
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展開 Abaqus通過VUMAT子程序實現混凝土拉壓不對稱彈塑性損傷本構模型
混凝土在外載荷作用下的非線性行為中同時包含微裂縫和塑性流動這兩種微觀機制的影響。在考慮混凝士等準脆性材料的非彈性力學行為方面，連續損傷力學模型可以通過不同的方式來描述材料剛度和強度的退化以及單邊效應。真正意義上的彈塑性損傷本構模型：不僅考慮卸載時不可恢復塑性變形的影響，而且還應該考慮損傷和塑性的雙向耦合效應。
彈性階段應力應變滿足如下關系
通過對應力進行譜分解，可得
式中，σ 為名義應力，d 為損傷，d=1-exp(-εp/ρ0)，公式右端σ為有效應力的正負分解。
拉壓屈服函數如下所示
屈服后，塑性流動由下式定義
按照彈性預測-塑性修正-損傷修正的流程，通過在主應力空間進行譜分解，結合徑向返回算法，本文編寫了混凝土彈塑性損傷的VUMAT子程序。
通過對單胞的單向拉壓模擬可以計算得到混凝土的應力應變響應如下圖所示。
拉伸損傷演化過程
壓縮損傷演化過程
不同圍壓下的應力應變曲線
可以發現，隨著圍壓增大，混凝土壓縮強度提高
展開 
Abaqus通過VUMAT子程序實現混凝土拉壓不對稱彈塑性損傷本構模型
混凝土在外載荷作用下的非線性行為中同時包含微裂縫和塑性流動這兩種微觀機制的影響。在考慮混凝士等準脆性材料的非彈性力學行為方面，連續損傷力學模型可以通過不同的方式來描述材料剛度和強度的退化以及單邊效應。真正意義上的彈塑性損傷本構模型：不僅考慮卸載時不可恢復塑性變形的影響，而且還應該考慮損傷和塑性的雙向耦合效應。
彈性階段應力應變滿足如下關系
通過對應力進行譜分解，可得
式中，σ 為名義應力，d 為損傷，d=1-exp(-εp/ρ0)，公式右端σ為有效應力的正負分解。
拉壓屈服函數如下所示
屈服后，塑性流動由下式定義
按照彈性預測-塑性修正-損傷修正的流程，通過在主應力空間進行譜分解，結合徑向返回算法，本文編寫了混凝土彈塑性損傷的VUMAT子程序。
通過對單胞的單向拉壓模擬可以計算得到混凝土的應力應變響應如下圖所示。
拉伸損傷演化過程
壓縮損傷演化過程
不同圍壓下的應力應變曲線
可以發現，隨著圍壓增大，混凝土壓縮強度提高
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展開 ABAQUS umat 理想彈塑性本構模型 ￥99
<p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(15, 17, 21);">本資源包含一份 PDF 文檔和可直接編譯運行的 Fortran UMAT 代碼，具體內容為：</span></p><p class="ql-align-justify">理想彈塑性本構 + 隱式積分 + 徑向返回</p><p class="ql-align-justify">完整公式推導 + Fortran 源碼直接編譯</p><p class="ql-align-justify">von Mises 屈服+ 一致切線模量全實現</p><p class="ql-align-justify">PDF 包含規范化的本構方程、隱式積分、徑向返回與一致切線模量推導，可供初學者學習。配套 UMAT 代碼可直接在 ABAQUS 編譯運行，采用全隱式積分搭配一致切線模量，收斂速度極快、計算精度極高，<span style="background-color: rgba(0, 0, 0, 0);">適合初學者快速入門。</span></p><p class="ql-align-justify"><span style="background-color: rgba(0, 0, 0, 0);">下圖展示了</span><span style="color: rgb(25, 27, 31);">部分</span><span style="background-color: rgba(0, 0, 0, 0);">PDF內容，及umat計算結果與abaqus內置模型對比，可以發現umat收斂速度極快，與abaqus內置模型幾乎一致。
展開 地應力平衡方法以及注意事項
注意：只有采用彈塑性本構模型時需要地應力平衡，彈性本構不需要地應力平衡！
第一部分 地應力平衡方法簡介
地應力平衡主要有五種方法：
（1）自動平衡：第一步創建分析步geostatic ，這種方法注意只能在第一步只能有土和重力的情況下能使用，有其他部件或者接觸時計算不能收斂，效果是最好的，方便簡單！
（2）*initial conditions,type=stress,geostatic
該方法需給出不同材料區域的最高點和最低點的自重應力及其相應坐標。所采用的幾何模型一般較規則,表面大致水平,地應力平衡的好壞一般只受巖體密度的影響,無論采用彈性或彈塑性本構模型都能很好的達到平衡,可以不必局限于僅受泊松比的影響,能夠通過考慮水平兩個方向的側壓力系數值來施加初始應力場。計算速度快,收斂性好。缺點就是不能夠很好平衡具有起伏表面的幾何模型,需知道平整后模型的上覆巖體自重。
高版本在CAE里也能操作
用計算器算出每個分界面上的應力和坐標對應填入，也比較方便 不需要修改關鍵字
（3）*initial conditions,type=stress,geostatic,user
導入ODB里的方法，也比較簡單，高版本可在截面上操作，不需要修改關鍵字
你放入ODB后，填入第一步不需要填名稱 就是1 ，增量步就是你第一步計算的最后一個增量步
（4）*initial conditions,type=stress,input=FileName.csv(或inp)
該方法中的文件FILENAME.INP獲取方法為:首先將已知邊界條件施加到模型上進行正演計算,然后一般是將計算得到的每個單元的應力外插到形心點處并導出6個應力分量(也可以導出積分點處的應力分量,視要求平衡的精確程度而定)。
展開 Abaqus Umat (子程序4) 彈塑性本構,米塞斯模型(Mises Model) ￥10
1）米塞斯模型為經典的彈塑性本構，主要用來模擬金屬材料在外荷載作用下的彈塑性行為
2）具體為金屬在各向均勻受壓狀態下不會產生塑性變形，只有在剪切作用下會發生塑性變形
3該Fortran代碼為Abaqus的外接子程序(user subroutine)，可用于學習最簡單的彈塑性本構的編寫過程
米塞斯模型的適用范圍及屈服面形狀
所編寫米塞斯模型UMAT子程序
通過UMAT實現基于DP屈服準則的改進西原模型的三維粘彈塑性（蠕變）本構模型
傳統西原模型是目前可以比較好地描述巖石蠕變過程曲線的元件模型，但是，西原模型使用的元件為黏彈、黏塑性元件（如圖1），難以描述巖石屈服破壞后進入加速階段的蠕變變形。滑坡預報，特別是臨滑預報在地質災害防治領域具有重要意義。
通過編寫abaqus UMAT子程序，可得到如下結果：
（1）應力狀態較小時，僅發生彈性應變和粘彈性應變，最后隨時間趨于穩定值。
（2）單元屈服時，發生粘彈塑性應變，應變隨加載時長逐漸增加，但尚未達到觸發應變，曲線呈現兩階段特性。
（3）隨著加載時長的增加，應變進一步增加，超越觸發應變后，進入快速蠕變階段，應變快速增加，曲線呈現三階段蠕變特性。
參考文獻：
[1] 齊亞靜, 姜清輝, 王志儉, 等. 改進西原模型的三維蠕變本構方程及其參數辨識[J]. 巖石力學與工程學報, 2012, 31(2): 347-355.
[2] 沈才華, 張兵, 王媛, 等. 基于DP屈服準則的西原本構模型及其運用[J]. 地下空間與工程學報, 2016, 12(2): 402-407.
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展開 abaqus三維復合材料彈塑性+漸進損傷本構模型-3D VUMAT ￥145
對于纖維增強復合材料的模擬，在<a href="/major/ABAQUS中，集成了二維Hashin失效準則與多種損傷演化準則，但缺少三維的復合材料本構模型。
參考一篇已發表的SCI文章，使用Fortran語言建立三維平紋織物復合材料彈塑性、漸進損傷本構模型-Vumat子程序。平紋織物復合材料在1方向和2方向絲束性能近似相同。
該程序是博士期間學習復材子程序的小部分總結，編程結構并不是非常漂亮及完美，但確保能順利運行，且單元驗證結果與理論公式一致，介意請勿拍。
程序中塑性迭代部分并非主流的牛頓-拉夫遜和梯度下降方法，但經過驗證能夠適用于該模型，介意請勿拍。
附件內容：1. inp算例模型(低速沖擊工況，1/4模型，層間使用cohesive element) 2. 子程序 3 .使用方法 4.參考論文名稱
首先介紹該子程序的使用方法與效果
1. 在ABAQUS中建立三維復合材料模型，這里建立一個簡單的方塊。賦給材料方向，1,2方向分別表示絲束的方向，3方向表示垂直于1，2的方向，也就是面外方向。
2. 建立材料屬性
3. 建立顯示Explicit計算時間步，時間0.005，在場輸出中勾選輸出 SDV和 STATUS.
4. 劃分網格，賦給Explicit 3D stress單元類型，邊界條件根據需要設定即可，此處不再贅述。此處劃分為一個單元，使用12方向往復加載卸載。建立Job，提交模型前在Job中選擇該子程序，設置雙精度計算。
5. 查看結果，等效塑性應變在卸載時沒有變化，再次加載時剪切應力按照原來的路徑返回，剪切損傷在卸載時也保持不變。
6. 將該子程序應用在低速沖擊模型中，可以順利運行。
接下來簡要介紹該子程序的相關理論，子程序、參考的論文名稱以及輸入材料參數的對應含義打包在附件中。
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。
展開 
并不簡單的彈塑性本構子程序
在寫彈塑性本構之前，我對塑性流動是干嘛使的沒有直觀概念。寫的時候我才明白，由于只能先算出來等效塑性應變，沒有流動方向的話，就無法把它轉換到各個應變分量，不知道應變分量就無法計算應力。這玩意從數學上講，是一個轉換公式。
我們目前重工業上大部分的結構材料還是金屬，盡管ABAQUS中有自帶的JC模型，但是如果要模擬更復雜的情況，學會寫彈塑性本構就十分必要。
本期就給一個彈塑性VUMAT拉伸失效的案例，結合單元刪除技術，模擬結構破壞過程。
本構模型
采用經典老演員JC模型描述本案例的彈塑性本構：
為了模擬結構破壞，采用如下準則判斷單元完全失效，滿足其一即可：
（1）材料Mises應力達到極限值；
（2）材料極限應變達到極限值。
子程序結構
子程序的基本結構如下：
1.初始化準備工作
程序首先進行初始化準備工作，讀入材料的彈性參數、強度參數、硬化參數以及應變率相關參數，然后構建彈性剛度矩陣，為后續計算奠定基礎。
2.進入材料點循環
接下來進入材料點循環，對每個積分點逐一進行計算。對于每個材料點，程序首先讀取上一步的狀態變量，包括累積的等效塑性應變、應力狀態以及背應力等內部變量。
3.失效判斷
程序隨后進行失效判斷，檢查材料是否滿足失效準則。判斷依據包括兩個方面：一是等效塑性應變是否超過極限應變閾值，二是等效應力是否達到破壞強度。一旦滿足任一失效條件，程序將材料標記為失效狀態，并大幅降低其剛度以模擬材料的承載能力喪失。
4.本構響應計算階段
在本構響應計算階段，程序考慮了應變率效應和材料硬化特性，更新當前的屈服應力。同時計算應力偏量，得到米塞斯等效應力和塑性流動方向，這些是判斷材料是否屈服的關鍵參數。
5.彈塑性判別
然后進行彈塑性判別。
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—
CAE仿真與數值模擬微信公眾號，主要介紹CAE仿真與數值模擬的知識與應用公眾號主要介紹CAE仿真與數值模擬的知識與應用。通過論壇，博客，論文，案例等為大家帶來知識食糧。仿真軟件:abaqus、ansys、flunet、comsol、hypermesh、moldflow等，涉及領域有機械材料土木物理等。
展開 材料本構彈塑性力學知識一
研究對象和方法
是研究結構的強度、剛度和穩定性問題(有時統稱為強度問題),以及結構的“破壞”準則或失效準則.在方法上是在一定的邊界條件(或再加上初始條件)下求解三類基本方程:平衡(運動)方程、幾何方程和本構〔物理)方程。以實驗結果為依據，所得結果由實驗來檢驗.
力學模型的相關知識
'模型'是'原型'的近似描述或表示。建立模型的原則。
一是科學性----能盡可能地近似表示原型；
二是實用性----能方便地應用。
顯然，一種科學(力學)模型的建立，要受到科學技術水平的制約。總的來說，力學模型大致有三個層次:材料構造模塑，材料力學性質模型，以及結構計算模型。第一類模型屬于基本的，它們屬于科學假設范疇。因此，往往以“假設”的形式出現。'模型'有時還與一種理論相對應;因而在有些情況下，'模型'、'假設'和'理論'可以是等義的。
材料構造模型:
連續性假設：假定固體材料是連續介質，即組成物體的質點之間不存在任何空隙，連續緊密地分布于物體所占的整個空間。由此，我們可以認為，一些物理量如應力，應變和位移等可以表示為坐標的連續函數，從而在作數學推導時可方便地運用連續和極限的概念，事實上，一切物體都是由微粒組成的，都不可能符合這個假設。但可以想象，當微粒尺寸及各微粒之間的距離遠比物體的幾何尺寸小時。運用這個假設不會引起顯著的誤差
均勻及各向同性假設： 假設物體由同一類型的均勻材料組成，即物體內各點與各方向上的物理性質相同(各向同性);物體各部分具有相同的物理性質.不會隨坐標的改變而變化(均勻性)。
材料力學性質模型：
均彈性材料： 彈性材料是對實際固體材料的一種抽象.它構成一個近似于真實材料的理想模型。
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】
