正交各向異性彈性本構
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-05
正交各向異性彈性本構的視頻教程
基于VUMAT建立復合材料的正交各向異性材料模型
(1)VUMAT的入門， (2)詳細解釋了正交各向異性材料彈性本構模型的VUMAT程序 (3)基于VUMAT子程序建立了單軸拉伸模型，并對結果進行分析處理，得出剛度大小。同時使用abaqus自帶的材料模型建立了拉伸模型，進行對比，驗證VUMAT子程序的準確性。
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正交各向異性彈性本構的實例教程
寫在前文
材料的線彈性本構模型能夠很好的描述處于工作荷載水平下的材料性能情況，后續材料的塑性理論也需要在彈性本構模型的基礎上進行開展。由于砌體結構所采用的砌體材料具有明顯的正交各項異性，故先從正交各向異性彈性入手，根據彈性理論中的正交各向異性彈性理論，建立砌體的正交各向異性彈性本構模型，并將該彈性本構模型寫入Abaqus的材料子程序UMAT中，與Abaqus中自帶的正交各向異性彈性本構模型進行對比驗證，為后續砌體的正交各向異性彈塑性本構模型做好準備。
一、正交各向異性彈性基本理論
砌體的彈性各向異性主要是由其不同彈性特性的材料組分引起的（同樣研究復合材料時也可能會遇到相同問題）。當通過不同的方向測量砌體，會得到不同的砌體的彈性特性。屬于典型的正交各向異性材料，本文先從其平面正交各向異性彈性特性入手。
在正交各向異性材料的分析中，需要使用兩個坐標系統：材料坐標系統與整體坐標系統。以砌體為例，材料坐標是指由平行于砂漿接縫（1軸）和垂直于砂漿接縫（2軸）所形成的坐標系統。整體坐標系統指的是在結構體系下，平行于水平面（x軸）與垂直于水平面（y軸）所形成的坐標系統。材料坐標與整體坐標間的夾角為θ，二者的關系如下圖1所示：
圖1 正交各向異性材料的材料坐標(1-2)與整體坐標(x-y)示意圖
正交各項異性材料具有三個互相垂直坐標軸的材料彈性對稱性，將坐標軸x、y和z分別垂直于三個材料對稱，并要求繞這些軸轉動180°之后彈性性能不發生改變，由此XX中的常數具有一定的關系。
展開 各向同性，橫觀各向同性，正交各向異性三種線彈性umat程序
1 各向同性
各向同性線彈性材料的彈性矩陣為：
式中拉梅常數的表達式為：
因此在編寫各向同性材料的umat時，需要兩個材料參數，在這里我們使用楊氏模量E和泊松比v。
2 橫觀各向同性
橫觀各向同性線彈性材料的彈性矩陣為：
并有關系式：
可見其彈性矩陣需要5個獨立的參數，為下列5個工程常數：
下標a代表軸向，下標t代表橫向。
3 正交各向異性
正交各向異性線彈性材料的彈性矩陣為：
并有關系式：
因此對于正交各向異性材料，其彈性矩陣需要9個工程常數來確定：
4 程序
使用Fortran90編寫umat程序。由于Abaqus默認的umat子程序為Fortran77，因此為了使用f90程序，使用命令：
abaqus make library=xxx.f90
該命令可以生成相應的后綴為obj的文件，之后使用該文件即可。使用上述方法可以避免使用Fortran77進行umat的編寫。
展開 這是我第一次實踐各向異性超彈性本構子程序UANISOHYPER_INV，中間走了幾步彎路，好在最后問題都解決了。把這個過程記錄下來，為后人鑒。
1 超彈性本構
剛接觸超彈性本構的時候，很不適應。因為我之前研究的本構，都會給出非常明確的應力應變關系。比如最簡單的：應力=剛度矩陣×彈性應變。
超彈性本構一般不這么給，給的都是應變能和不變量之間的關系。比如這樣：
對于新的東西，我本能地用原有的知識體系去套。于是開始拼命的去檢索相關文獻，試圖找到超彈性本構應力和應變的關系到底是怎么表達的。
結果呢就是，撲街。大家都在各種秀張量，秀應變能，秀不變量。我一度認為這些人閑著沒事，凈搞形式。
但是也不是一無所獲，文獻中的蛛絲馬跡都指向了UANISOHYPER_INV子程序。
2 UANISOHYPER_INV子程序
UANISOHYPER_INV子程序是干啥的？它就是專門用來定義各向異性超彈性本構的。那么自然的你就會想，是不是還有專門定義各向同性超彈性本構的呢？當然，這個子程序叫UHYPER。
看懂了UANISOHYPER_INV子程序的設定，你就會恍然大悟，原來真的不需要定義應力應變關系，只要知道應變能和不變量的關系就行了啊。
UANISOHYPER_INV子程序的基本結構如下：
其中主要變量的介紹如下：
也就是說，在UANISOHYPER_INV子程序中定義出應變能、應變能對不變量的導數即可。
于是我按照幫助文檔的提示，一步步完成了子程序編寫。但是在測試的時候，問題接踵而來。
1 無法提交計算
做了一個簡單拉伸算例。但是提交計算時候，總是報錯：
報錯信息告訴我，可壓縮性材料不能用雜交單元。這個確實不能用，但是我好像沒有用啊。
展開 1.ABAQUS三維hill48彈塑性模型VUmat子程序
2.彈性階段為正交各項異性材料
3.hill48和正交各項異性材料參數參考ABAQUS靜力模塊自帶的模型參數
4.發貨方式為百度網盤鏈接，包含子程序及上面跑的兩個模型相關文件，包含Cae，inp文件，odb文件等
5.ABAQUS版本為2024，低版本可以利用導入inp文件的方式運行及修改
6.可以免費答疑三次，后續添加你自己的模型或者相關參數等輔導都可以優惠。
摘要：在有限元分析中，結構鋼和鑄鐵一般選用各向同性本構模型。因為這兩種材料的通用，所以各向同性材料模型也眾所周知。事實上，各向異性材料在仿真工作中也會遇到，比如復合材料以及硅鋼片層疊結構等。
01 通用本構模型（21個材料參數）
本構模型，也稱為材料模型，本構關系，應力應變關系等。下式中，應力應變關系取決于36個參數（剛度矩陣），但由于是對稱矩陣，獨立的材料參數為21個，單位為Pa（MPa，GMa）。
矩陣內各參數的效應：
當然，應力應變關系也可以寫成應變應力關系（逆矩陣，柔度矩陣）：
02 各向同性本構模型（2個材料參數）
各向同性本構是大家熟知的，獨立的材料參數只有兩個，彈性模量和泊松比，材料的剪切模量G可以由彈性模量和泊松比求得。
03 各向異性本構模型（9個材料參數）
各向異性本構模型，獨立的材料參數有九個，三個彈性模量，三個剪切模量，三個主泊松比。
各向異性材料本構模型：
柔度矩陣內各參數的效應：
將柔度矩陣寫成彈性模量，剪切模型，主泊松比，副泊松比形式：
由于柔度矩陣是對稱矩陣，副泊松比可以由彈性模量和主泊松比求得。
04 硅鋼片層疊結構（電機定子鐵芯）的本構模型
電機定子鐵芯屬于各向異性材料，但又是一種特殊的各向異性材料。設定子的層疊方向標記為1，其它兩個方向標記為2和3，則九個材料參數如下：
所以對于定子鐵芯，獨立的材料參數為6個。
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問題：
在做結構強度有限元仿真的過程中，我們經常被問：結構在某個載荷下能不能用，材料會不會失效。回答這個問題的邏輯也簡單：給出材料的許用應力，將仿真結果的應力值和許用應力進行比較，仿真應力大于許用應力就判斷不合格。
但是做了仿真就知道，計算結果的應力提取類型有很多，而可查到的材料測試標準值又少的可憐。尤其是最近遇到一種纖維增強塑料的強度仿真問題，要判斷塑料件在給定載荷下是否失效
1 vumat與umat的區別
從程序實現的角度，我們重點關注以下幾點區別：
? vumat不需要輸出一致性切線剛度矩陣
? vumat中應力應變存儲順序與umat不同
? vumat中存儲的應變值為張量應變值，而umat中為工程應變
? vumat的應力和狀態變量的更新方式不同，其分為old和new兩個數組
Abaqus/Explicit在啟動計算前，會進行數據檢查
其核心功能包含三部分：首先基于正交各向異性彈性本構更新應力，通過材料屬性計算剛度矩陣并響應應變增量；其次實現彈塑性修正，采用J2流動理論判斷屈服狀態，通過牛頓迭代求解塑性變形并更新應力；最后建立漸進損傷模型，分別針對纖維方向（拉伸/壓縮失效）和基體方向（通過180°平面搜索臨界斷裂面）定義損傷初始判據，結合斷裂能與特征長度控制損傷演化過程。
1.ABAQUS三維hill48彈塑性模型VUmat子程序
2.彈性階段為正交各項異性材料
3.hill48和正交各項異性材料參數參考ABAQUS靜力模塊自帶的模型參數
4.發貨方式為百度網盤鏈接，包含子程序及上面跑的兩個模型相關文件，包含Cae，inp文件，odb文件等
5.ABAQUS版本為2024，低版本可以利用導入inp
<p><strong style="color: rgb(27, 27, 27); background-color: rgb(255, 255, 255);">Chaboche各向同性非線性隨動硬化行為的材料本構模型計算matlab程序+</strong>基于回映算法的Chanboche各向同性非線性隨動硬化本構<strong style="color: rgb(27, 27, 27); background-color
Chanboche模型是一種用于描述材料各向同性非線性隨動硬化行為的材料本構模型。該模型由Chanboche在1981年提出，其基本形式包括各向同性部分和隨動硬化本構部分。
具體而言，Chanboche模型各向同性本構部分可以用以下方程表示：
dR(p)=b(Q-R)dp
非線性隨動硬化模型可以用以下方程表示：
dx=(2/3)cdεp-rxdp
本程序已經在上一個帖子基礎上進一步完善，
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
各向同性，橫觀各向同性，正交各向異性三種線彈性umat程序
1 各向同性
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2 橫觀各向同性
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并有關系式：
可見其彈性矩陣需要5
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