彈塑性損傷本構(gòu)模型的案例
混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型在Abaqus中vumat子程序的實現(xiàn)
混凝土彈塑性本構(gòu)
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(dǎo)致混凝土材料具有以如下顯著特征：
1)峰值應(yīng)力后存在不穩(wěn)定區(qū)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(fù)變形；
3)有側(cè)限(如雙軸受壓應(yīng)力狀態(tài))時材料的強度和延性明顯增大；
4)由于拉應(yīng)力的影響，二維拉壓應(yīng)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(yīng)(vcccllio and Collins，1986)；
5)單邊效應(yīng)：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(dǎo)致混凝土的剛度恢復(fù)
二。vumat子程序的實現(xiàn)
本文作者根據(jù)上述本構(gòu)，參考如下的子程序編寫流程可以實現(xiàn)vumat子程序的編寫。
從而可以模擬混凝土的塑性損傷，結(jié)果如下所示：
結(jié)果表明，本文所編寫的子程序準(zhǔn)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(gòu)模型及其在結(jié)構(gòu)非線性分析中的應(yīng)用》
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展開 Abaqus通過VUMAT子程序?qū)崿F(xiàn)混凝土拉壓不對稱彈塑性損傷本構(gòu)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(zhǔn)脆性材料的非彈性力學(xué)行為方面，連續(xù)損傷力學(xué)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(yīng)。真正意義上的彈塑性損傷本構(gòu)模型：不僅考慮卸載時不可恢復(fù)塑性變形的影響，而且還應(yīng)該考慮損傷和塑性的雙向耦合效應(yīng)。
彈性階段應(yīng)力應(yīng)變滿足如下關(guān)系
通過對應(yīng)力進行譜分解，可得
式中，σ 為名義應(yīng)力，d 為損傷，d=1-exp(-εp/ρ0)，公式右端σ為有效應(yīng)力的正負分解。
拉壓屈服函數(shù)如下所示
屈服后，塑性流動由下式定義
按照彈性預(yù)測-塑性修正-損傷修正的流程，通過在主應(yīng)力空間進行譜分解，結(jié)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(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變曲線
可以發(fā)現(xiàn)，隨著圍壓增大，混凝土壓縮強度提高
展開 Abaqus通過VUMAT子程序?qū)崿F(xiàn)混凝土拉壓不對稱彈塑性損傷本構(gòu)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(zhǔn)脆性材料的非彈性力學(xué)行為方面，連續(xù)損傷力學(xué)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(yīng)。真正意義上的彈塑性損傷本構(gòu)模型：不僅考慮卸載時不可恢復(fù)塑性變形的影響，而且還應(yīng)該考慮損傷和塑性的雙向耦合效應(yīng)。
彈性階段應(yīng)力應(yīng)變滿足如下關(guān)系
通過對應(yīng)力進行譜分解，可得
式中，σ 為名義應(yīng)力，d 為損傷，d=1-exp(-εp/ρ0)，公式右端σ為有效應(yīng)力的正負分解。
拉壓屈服函數(shù)如下所示
屈服后，塑性流動由下式定義
按照彈性預(yù)測-塑性修正-損傷修正的流程，通過在主應(yīng)力空間進行譜分解，結(jié)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(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變曲線
可以發(fā)現(xiàn)，隨著圍壓增大，混凝土壓縮強度提高
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對于纖維增強復(fù)合材料的模擬，在<a href="/major/ABAQUS中，集成了二維Hashin失效準(zhǔn)則與多種損傷演化準(zhǔn)則，但缺少三維的復(fù)合材料本構(gòu)模型。
參考一篇已發(fā)表的SCI文章，使用Fortran語言建立三維平紋織物復(fù)合材料彈塑性、漸進損傷本構(gòu)模型-Vumat子程序。平紋織物復(fù)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(xué)習(xí)復(fù)材子程序的小部分總結(jié)，編程結(jié)構(gòu)并不是非常漂亮及完美，但確保能順利運行，且單元驗證結(jié)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(jīng)過驗證能夠適用于該模型，介意請勿拍。
附件內(nèi)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(fù)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(wǎng)格，賦給Explicit 3D stress單元類型，邊界條件根據(jù)需要設(shè)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(fù)加載卸載。建立Job，提交模型前在Job中選擇該子程序，設(shè)置雙精度計算。
5. 查看結(jié)果，等效塑性應(yīng)變在卸載時沒有變化，再次加載時剪切應(yīng)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(yīng)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(guān)理論，子程序、參考的論文名稱以及輸入材料參數(shù)的對應(yīng)含義打包在附件中。
展開 
約束混凝土cdp塑性損傷本構(gòu)，mander混凝土本構(gòu)模型 ￥10
約束混凝土本構(gòu)，mander混凝土本構(gòu)，自己做的箍筋約束方柱和圓柱本構(gòu)模型，表格只要輸入相關(guān)參數(shù)，自動生成ABAQUS塑性損傷本構(gòu)關(guān)系。
ABAQUS umat 理想彈塑性本構(gòu)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(nèi)容為：</span></p><p class="ql-align-justify">理想彈塑性本構(gòu) + 隱式積分 + 徑向返回</p><p class="ql-align-justify">完整公式推導(dǎo) + 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(xiàn)</p><p class="ql-align-justify">PDF 包含規(guī)范化的本構(gòu)方程、隱式積分、徑向返回與一致切線模量推導(dǎo)，可供初學(xué)者學(xué)習(xí)。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(xué)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(nèi)容，及umat計算結(jié)果與abaqus內(nèi)置模型對比，可以發(fā)現(xiàn)umat收斂速度極快，與abaqus內(nèi)置模型幾乎一致。
展開 Abaqus考慮拉壓不對稱的樹脂彈塑性損傷本構(gòu)vumat子程序開發(fā)
復(fù)合材料在細觀尺度上的失效行為通常通過代表體積單元（RVE）模型來研究。
RVE代表體積單元
RVE模型由纖維和樹脂構(gòu)成，一般假設(shè)纖維是橫觀各向同性線彈性材料，樹脂則為彈塑性材料。本文通過在屈服準(zhǔn)則中引入拉壓非對稱參量，研究了樹脂的拉壓不對稱彈塑性損傷行為。
由于樹脂的屈服行為與靜水壓力相關(guān)，這里采用下式所示的拋物面屈服準(zhǔn)則。
式中J2為偏應(yīng)力的第二不變量，I1為應(yīng)力第一不變量，σt和σc為拉壓屈服應(yīng)力
采用非關(guān)聯(lián)塑性流動準(zhǔn)則，如下所示。
式中σvm為mises等效應(yīng)力，P為靜水壓力，α為材料參數(shù)
損傷萌生準(zhǔn)則如下所示
式中J2和I1為無損應(yīng)力下的不變量。
為了降低模型的網(wǎng)格依賴性，損傷演化采用特征長度相關(guān)的指數(shù)模型
式中，rm為損傷內(nèi)變量，am為特征長度相關(guān)的材料參數(shù)。
Melro的文章中給出了通過Simpson積分和弦截法計算Am的方法，實際計算發(fā)現(xiàn)通過該方法計算的am效果不是太理想，因此本文未對am進行迭代，直接采用其初值進行仿真計算，如下所示。
計算流程如下
計算流程圖
根據(jù)上文的彈塑性損傷模型編寫了vumat子程序，并通過單胞模型進行了驗證，計算結(jié)果如下圖所示。
abaqus單胞模型
拉伸載荷下的應(yīng)力應(yīng)變曲線
壓縮載荷下的應(yīng)力應(yīng)變曲線
展開 運用ABAQUS軟件對冰材料彈塑性本構(gòu)模型改進及驗證（附源文件） ￥1300
<p class="ql-align-justify"><strong>內(nèi)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(gòu)模型；對比已有試驗，對比裂紋演化現(xiàn)象和沖擊載荷曲線，驗證了冰材料本構(gòu)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 混凝土塑性損傷CDP模型的幾個問題 附2010規(guī)范用C50混凝土損傷塑性本構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)下載
最后發(fā)布一條訊息：POLARIS_CDP插件升級到V2.3版本，更新內(nèi)容如下：
極限應(yīng)力改為峰值應(yīng)力，并將其默認值顯示在輸入框中，且會將隨彈性模量和強度的變化而變化；
應(yīng)力應(yīng)變曲線不與損傷數(shù)據(jù)一起截斷，取截斷應(yīng)力為峰值應(yīng)力的百分之一；
規(guī)范生成失敗的提示信息。
修改的內(nèi)容不影響原有插件使用，主要提高插件的適應(yīng)性和友好性，需要更新的小伙伴請盡快和我聯(lián)系（需提供技術(shù)鄰購買記錄和信息）。
下載地址：2010規(guī)范用C50混凝土損傷塑性本構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)
Abaqus Umat (子程序4) 彈塑性本構(gòu),米塞斯模型(Mises Model) ￥10
1）米塞斯模型為經(jīng)典的彈塑性本構(gòu)，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(tài)下不會產(chǎn)生塑性變形，只有在剪切作用下會發(fā)生塑性變形
3該Fortran代碼為Abaqus的外接子程序(user subroutine)，可用于學(xué)習(xí)最簡單的彈塑性本構(gòu)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
再生混凝土塑性損傷本構(gòu)模型 ￥20
由于再生混凝土相較于普通的混凝土 峰值應(yīng)變更高，所以不可以采用普通的混凝土本構(gòu)，本文檔采取了楊有福的公式，基于韓林海的進行了改進，適合鋼管混凝土構(gòu)件
通過UMAT實現(xiàn)基于DP屈服準(zhǔn)則的改進西原模型的三維粘彈塑性（蠕變）本構(gòu)模型
傳統(tǒng)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(yù)報，特別是臨滑預(yù)報在地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域具有重要意義。
通過編寫abaqus UMAT子程序，可得到如下結(jié)果：
（1）應(yīng)力狀態(tài)較小時，僅發(fā)生彈性應(yīng)變和粘彈性應(yīng)變，最后隨時間趨于穩(wěn)定值。
（2）單元屈服時，發(fā)生粘彈塑性應(yīng)變，應(yīng)變隨加載時長逐漸增加，但尚未達到觸發(fā)應(yīng)變，曲線呈現(xiàn)兩階段特性。
（3）隨著加載時長的增加，應(yīng)變進一步增加，超越觸發(fā)應(yīng)變后，進入快速蠕變階段，應(yīng)變快速增加，曲線呈現(xiàn)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(gòu)方程及其參數(shù)辨識[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2012, 31(2): 347-355.
[2] 沈才華, 張兵, 王媛, 等. 基于DP屈服準(zhǔn)則的西原本構(gòu)模型及其運用[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2016, 12(2): 402-407.
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展開 混凝土塑性損傷本構(gòu)模型-Matlab代碼 ￥50
本塑性損傷本構(gòu)模型參照規(guī)范GB50010-2010（2015版），根據(jù)代碼注釋修改參數(shù)即可直接計算應(yīng)力，應(yīng)變和損傷因子具體數(shù)值以及繪制應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線和損傷因子曲線。損傷因子的計算參照Sidiroff的能量等價原理，主要應(yīng)用于ABAQUS中混凝土材料屬性中塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和損傷因子的取值。下載包中還自帶規(guī)范PDF完整版。
如有需求，本人可提供相關(guān)abaqus技術(shù)指導(dǎo)。
下圖為利用本代碼所計算得出的C40標(biāo)號混凝土材料受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線以及損傷因子曲線：
展開 ABAQUS混凝土損傷塑性模型損傷因子對本構(gòu)關(guān)系影響 附c40~c45混凝土損傷因子ABAQUS輸入
但是ABAQUS塑性損傷模型除了能模擬單調(diào)加載的混凝土行為外，更重要的功能就是模擬循環(huán)、動態(tài)荷載下的混凝土反應(yīng)，在結(jié)構(gòu)的抗震性能分析能起到很好的作用。
在動荷載作用下，混凝土在受力過程中拉伸和壓縮都會產(chǎn)生損傷造成的裂縫開展，從而導(dǎo)致材料剛度退化。CDP 模型就假定混凝土材料主要因為拉伸開裂和壓縮破碎而破壞，拉伸和壓縮采用不同的損傷因子來描述這種剛度退化，詳見圖 1、圖 2。
圖中E0是材料初始未受損的彈性剛度。損傷變量dc和dt分別為壓縮和拉伸條件下的損傷因子，表示彈性剛度的退化。損傷后的彈性模量為（1-dc）E0，或（1-dt）E0。損傷因子dc或dt=0時表示沒有損傷，dc或dt=1時表示材料失去強度。
那么混凝土的塑性損傷本構(gòu)模型中的損傷因子到底對混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有什么影響呢？讓我們采用100mm*100mm*300mm的混凝土棱柱體模型來做個測試看一下。
依然采用C110級混凝土的本構(gòu)關(guān)系，混凝土的屈服應(yīng)力和非彈性應(yīng)變表格如下。子選項中損傷參數(shù)和非彈性應(yīng)變關(guān)系的表格也在圖中給出。
但是注意上圖中紅色框部分默認是不填的，即下圖中的混凝土壓縮損傷——拉伸恢復(fù)因子wt，混凝土拉伸損傷——壓縮復(fù)原因子wc，默認是不填的。
因為CDP模型假定混凝土從拉伸到壓縮時裂縫會閉合，剛度會恢復(fù)；從壓縮到拉伸時裂縫仍然存在，剛度不會恢復(fù)。因此在ABAQUS中不填的話默認wt(拉伸剛度恢復(fù)因子)=0，wc(壓縮剛性恢復(fù)因子)=1.
下圖為損傷因子和剛度恢復(fù)因子在混凝土載荷循環(huán)中對混凝土本構(gòu)模型的影響。
展開 Abaqus鋼管混凝土塑性受拉及受壓應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型及損傷因子 ￥5
<p class="ql-align-justify">本內(nèi)容基于韓林海的約束混凝土模型所制作的Excel，可用于將其輸入直接到ABAQUS中，用于建立鋼管約束混凝土型，具體如下：</p><p class="ql-align-justify">模型介紹：</p><p class="ql-align-justify">本模型基于<span style="color: rgb(25, 27, 31);">韓林海</span>所開發(fā)的約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型，以及損傷因子，其中受壓本構(gòu)以及受拉本構(gòu)以及其損傷因子均有，且附帶鋼材料的二次流塑模型，可直接輸入abaqus進行分析，均具有完美下降段。</p><p class="ql-align-justify"><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center"><figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202511/attachment/66d3ae0e7f464f3c8a0a386084e4e134.png" style="display: inline-block;" data-regular="true"><img src="https://img.jishulink.com/202511/attachment/66d3ae0e7f464f3c8a0a386084e4e134.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202511/attachment/66d3ae0e7f464f3c8a0a386084e4e134.png?
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