UMAT全过程
ABAQUS子程序UMAT的应用
A B A Q U S子程序U M A T的应用This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020目录摘要ABAQUS软件功能强大，特别是能够模拟复杂的非线性问题，它包括了多种材料本构关系及失效准则模型，并具有良好的开放性，提供了若干个用户子程序接口，允许用户以代码的形式来扩展主程序的功能。
本文主要研究了ABAQUS用户子程序UMAT的开发方法，采用FORTRAN语言编制了各向同性硬化材料模型的接口程序，研究该类材料的弹塑性本构关系极其实现方法。
本文紧紧围绕UMAT的二次开发技术，首先对其接口原理做了详细介绍，然后针对非线性有限元增量理论中的常刚度法和切线刚度法的算法理论做了深入的剖析，推导出了常刚度法和切线刚度法的算法理论的具体表达式，然后分别编制了两种算法的UMAT程序，最后建立了一个具体的验算模型，通过与ABAQUS自带弹塑性本构关系的计算结果相比较，验证两者的正确性。
本文还对常刚度法和切线刚度法得算法效率做了对比，得出了在非线性程度较高时切线刚度法效率高于常刚度法的结论。
关键字： ABAQUS、UMAT、有限元、材料非线性、FORTRAN、切线刚度ABSTRACTABAQUS software powerful, especially to simulate complex non-linear problem, which includes a wide range of material constitutive model and failure criteria, and has a good open, providing a number of user subroutine interface that allows users to code form to expand the functions of the main program.This paper studies the user subroutine UMAT of ABAQUS development methods, the use of FORTRAN language isotropic hardening material model of the interface program, studied the effects of such material is extremely elastic-plastic constitutive relation method.This article UMAT tightly around the secondary development of technology, the first principle of its interface detail, and then for the theory of nonlinear finite element incremental stiffness of the regular tangent stiffness method and the theory of algorithms to do an in-depth analysis of deduced a regular tangent stiffness and rigidity of the law of the specific expression of algorithm theory, and then the preparation of the two algorithms, respectively, of the UMAT program, and finally the establishment of a specific model checking, bringing with ABAQUS elasto-plastic constitutive relation of the calculated results compared to verify the correctness of the two.This article also often stiffness and tangent stiffness method was to do a comparison of algorithm efficiency is obtained when a higher degreein the non-linear tangent stiffness method more efficient than the conclusions of law often stiffness.KEY WORDS：ABAQUS、UMAT、Finite element、Material nonlinearity、FORTRAN、Tangent stiffness1.绪论1.1.课题的研究背景有限单元法基本思想的提出，可以追溯到克劳夫在1943年的工作[1]，他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解St. Venant扭转问题。
Anand粘塑性模型的UMAT子程序及验证
Anand 粘塑性模型的UMAT 子程序及验证高军1.引言电子封装及其组件在工艺或者服役过程中, 由于功率耗散和环境温度的周期变化, 会因为电子印制电路板、芯片和焊点的热膨胀失配，在合金钎焊焊点处产生交变的应力应变, 导致焊点的电、热或者机械失效。
焊点的热循环失效(可靠性)是电子封装及组装技术中的关键问题之一, 受到了人们的普遍关注。
焊点体积细小, 应力应变很复杂。
为了准确模拟焊点在服役条件下的应力应变响应, 对可靠性进行评估, 必须建立合理有效的描述钎焊合金材料力学响应的本构方程。
SnPb 基焊锡钎料广泛应用于电子封装领域，作为电的连接和机械的连接。
对于钎料的力学性能的试验和本构模型，许多学者都进行了研究。
通常SnPb 基焊锡钎料具有很强的温度和加载速率的相关性，应该采用统一型粘塑性本构模型描述SnPb 钎料的变形行为。
在统一型粘塑性本构模型中，应用最广泛的是Anand 模型。
具有形式简单，模型参数少等特点，在电子焊点的寿命预测中广泛应用。
它采用与位错密度、固溶体强化以及晶粒尺寸效应等相关的单一内部变量S 描述材料内部状态对塑性流动的宏观阻抗，可以反映粘塑性材料与应变速度、温度相关的变形行为，以及应变率的历史效应、应变硬化和动态回复等特征。
目前，很多大型商用有限元软件，如ANSYS 、MARC 等都把Anand 本构模型嵌入到通用材料模型库中供用户使用，但是，ABAQUS 的通用材料模型库中缺少Anand 模型。
因此，本报告目的在于通过ABAQUS 的用户子程序接口UMAT ，选择合适的算法，将Anand 粘塑性本构模型引入ABAQUS 中，以便后续的研究。
2.Anand 本构方程统一型粘塑性Anand 本构模型有两个基本特征：(1) 在应力空间没有明确的屈服面, 故在变形过程中不需要加载/卸载准则, 塑性变形在所有非零应力条件下产生。
(2) 采用单一内部变量描述材料内部状态对塑性流动的宏观阻抗。
Abaqus材料用户子程序UMAT基础知识及手册例子完整解释
1、为何需要使用用户材料子程序（User-Defined Material, UMAT ）？很简单，当ABAQUS 没有提供我们需要的材料模型时。
所以，在决定自己定义一种新的材料模型之前，最好对ABAQUS 已经提供的模型心中有数，并且尽量使用现有的模型，因为这些模型已经经过详细的验证，并被广泛接受。
UMAT 子程序具有强大的功能，使用UMAT 子程序：(1)可以定义材料的本构关系，使用ABAQUS 材料库中没有包含的材料进行计算，扩充程序功能。
(2) 几乎可以用于力学行为分析的任何分析过程，几乎可以把用户材料属性赋予ABAQU S 中的任何单元。
(3) 必须在UMAT 中提供材料本构模型的雅可比（Jacobian ）矩阵，即应力增量对应变增量的变化率。
(4) 可以和用户子程序“USDFLD ”联合使用，通过“USDFLD ”重新定义单元每一物质点上传递到UMAT 中场变量的数值。
2、需要哪些基础知识？先看一下ABAQUS 手册（ABAQUS Analysis User's Manual ）里的一段话：Warning: The use of this option generally requires considerable expertise(一定的专业知识). The user is cautioned that the implementation （实现） of any realistic constitutive （基本） model requires extensive （广泛的） development and testing. Initial testing on a single eleme nt model with prescribed traction loading （指定拉伸载荷） is strongly recommended. 但这并不意味着非力学专业，或者力学基础知识不很丰富者就只能望洋兴叹，因为我们的任务不是开发一套完整的有限元软件，而只是提供一个描述材料力学性能的本构方程（Constitutive equation ）而已。
ABAQUS材料用户子程序UMAT学习报告
DSTRAN(NTENS) ：应变增量数组。
DSTRAN(NTENS) ：应变增量数组。 TIME：当前增量开始时总时间的值。 DTIME：增量步的时间增量 。 TEMP：开始的温度。 DTEMP：增量步的温度增量。 PREDEF：预定场内变量基于节点处的插值值。 DPRED：预定场内变量的增量。 CMNAME：用户定义材料的名称。
7、其他用户子程序
此外， 还包括特殊类型用途的子程序， 如定义多点约束的子 程序 MPC， 定义局部坐标的 ORIENT子程序等。上述子程序的分 类仅限于在岩土工程领域，其他领域有不同的分类方法。
UMAT使用方法
1、UMAT简介
用户材料子程序（ User-defined Material Mechanical
6、用户定义的状态变量
状态变量主要包括定义场变量、与求解过程相关的状态变量，以 后重新定义材料点的状态变量，主要有 UFIELD 子程序、 SDVINI
子程序和 USDFLD 子程序。 此外还包括定义摩擦接触属性的子程序
，如定义摩擦接触行为的 FRIC 子程序，以及接触面行为定义的 UINTER 子程序等。
最后查看可视化后处理，得到如下云图。
2、验证利用UMAT进行二次开发的实例
实例：最简单的杆件单轴拉伸，材料本构模型采用线 弹性模型，E＝ 206000MPa, ν=0.3。左端约束，右端施加均 布力 q=1MPa。 分析：这是一个简单的杠杆拉
伸模型，ABAQUS内部就有这种模
型，但也可以使用材料用户子程序 UMAT对ABAQUS进行二次开发进 行求解。
NDI：某一点上直接应力组件数。 NSHR：某一点上剪切应力组件数。 NTENS：总应力分量个数，（=NDI+NSHR）。 NSTATV：存储与解有关的状态变量数组个数。 PROPS (NPROPS)：材料常数数组。 COORDS：当前积分点坐标。DROT(3,3) ：旋转增量矩阵。
(完整word)ABAQUS-UMAT弹塑本构二次开发的实现
前言有限元法是工程中广泛使用的一种数值计算方法。
它是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物。
在工程应用中，有限元法比其它数值分析方法更流行的一个重要原因在于:相对与其它数值分析方法，有限元法对边界的模拟更灵活，近似程度更高。
所以，伴随着有限元理论以及计算机技术的发展，大有限元软件的应用证变得越来越普及。
ABAQUS软件一直以非线性有限元分析软件而闻名，这也是它和ANSYS，Nastran等软件的区别所在。
非线性有限元分析的用处越来越大，因为在所用材料非常复杂很多情况下，用线性分析来近似已不再有效。
比方说，一个复合材料就不能用传统的线性分析软件包进行分析。
任何与时间有关联，有较大位移量的情况都不能用线性分析法来处理。
多年前，虽然非线性分析能更适合、更准确的处理问题，但是由于当时计算设备的能力不够强大、非线性分析软件包线性分析功能不够健全，所以通常采用线性处理的方法。
这种情况已经得到了极大的改善，计算设备的能力变得更加强大、类似ABAQUS这样的产品功能日臻完善，应用日益广泛。
非线性有限元分析在各个制造行业得到了广泛应用,有不少大型用户。
航空航天业一直是非线性有限元分析的大客户，一个重要原因是大量使用复合材料。
新一代波音 787客机将全部采用复合材料。
只有像 ABAQUS这样的软件，才能分析包括多个子系统的产品耐久性能。
在汽车业，用线性有限元分析来做四轮耐久性分析不可能得到足够准确的结果.分析汽车的整体和各个子系统的性能要求(如悬挂系统等）需要进行非线性分析。
在土木工程业， ABAQUS能处理包括混凝土静动力开裂分析以及沥青混凝土方面的静动力分析，还能处理高度复杂非线性材料的损伤和断裂问题,这对于大型桥梁结构,高层建筑的结构分析非常有效。
瞬态、大变形、高级材料的碰撞问题必须用非线性有限元分析来计算。
线性分析在这种情况下是不适用的。
以往有一些专门的软件来分析碰撞问题,但现在ABAQUS在通用有限元软件包就能解决这些问题。
ABAQUS-二次开发资料-UMAT
各个楼层及内容索引2-------------------------------------什么是UMAT3-------------------------------------UMAT功能简介4-------------------------------------UMAT开始的变量声明5-------------------------------------UMAT中各个变量的详细解释6-------------------------------------关于沙漏和横向剪切刚度7-------------------------------------UMAT流程和参数表格实例展示8-------------------------------------FORTRAN语言中的接口程序Interface9-------------------------------------关于UMAT是否可以用Fortran90编写的问题10-17--------------------------------Fortran77的一些有用的知识简介20-25\30-32-----------------------弹塑性力学相关知识简介34-37--------------------------------用户材料子程序实例JOhn-cook模型压缩包下载38-------------------------------------JOhn-cook模型本构简介图40-------------------------------------用户材料子程序实例JOhn-cook模型完整程序+david详细注解[欢迎大家来看看,并提供意见,完全是自己的diy的,不保证完全正确,希望共同探讨,以便更正,带"?"部分,还望各位大师\同仁指教]1 什么是UMAT???1.1 UMAT功能简介!!
前言有限元法是工程中广泛使用的一种数值计算方法。
它是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物。
在工程应用中，有限元法比其它数值分析方法更流行的一个重要原因在于：相对与其它数值分析方法，有限元法对边界的模拟更灵活，近似程度更高。
所以，伴随着有限元理论以及计算机技术的发展，大有限元软件的应用证变得越来越普及。
ABAQUS软件一直以非线性有限元分析软件而闻名，这也是它和ANSYS,Nastran等软件的区别所在。
非线性有限元分析的用处越来越大，因为在所用材料非常复杂很多情况下，用线性分析来近似已不再有效。
比方说，一个复合材料就不能用传统的线性分析软件包进行分析。
任何与时间有关联，有较大位移量的情况都不能用线性分析法来处理。
多年前，虽然非线性分析能更适合、更准确的处理问题，但是由于当时计算设备的能力不够强大、非线性分析软件包线性分析功能不够健全，所以通常采用线性处理的方法。
这种情况已经得到了极大的改善，计算设备的能力变得更加强大、类似ABAQUS这样的产品功能日臻完善，应用日益广泛。
非线性有限元分析在各个制造行业得到了广泛应用，有不少大型用户。
航空航天业一直是非线性有限元分析的大客户，一个重要原因是大量使用复合材料。
新一代波音787客机将全部采用复合材料。
只有像 ABAQUS这样的软件，才能分析包括多个子系统的产品耐久性能。
在汽车业，用线性有限元分析来做四轮耐久性分析不可能得到足够准确的结果。
分析汽车的整体和各个子系统的性能要求（如悬挂系统等）需要进行非线性分析。
在土木工程业，ABAQUS能处理包括混凝土静动力开裂分析以及沥青混凝土方面的静动力分析，还能处理高度复杂非线性材料的损伤和断裂问题，这对于大型桥梁结构，高层建筑的结构分析非常有效。
瞬态、大变形、高级材料的碰撞问题必须用非线性有限元分析来计算。
线性分析在这种情况下是不适用的。
以往有一些专门的软件来分析碰撞问题，但现在ABAQUS在通用有限元软件包就能解决这些问题。
Anand粘塑性模型地UMAT子程序及验证
Anand 粘塑性模型的UMAT 子程序及验证高军1.引言电子封装及其组件在工艺或者服役过程中, 由于功率耗散和环境温度的周期变化, 会因为电子印制电路板、芯片和焊点的热膨胀失配，在合金钎焊焊点处产生交变的应力应变, 导致焊点的电、热或者机械失效。
焊点的热循环失效(可靠性)是电子封装及组装技术中的关键问题之一, 受到了人们的普遍关注。
焊点体积细小, 应力应变很复杂。
为了准确模拟焊点在服役条件下的应力应变响应, 对可靠性进行评估, 必须建立合理有效的描述钎焊合金材料力学响应的本构方程。
SnPb 基焊锡钎料广泛应用于电子封装领域，作为电的连接和机械的连接。
对于钎料的力学性能的试验和本构模型，许多学者都进行了研究。
通常SnPb 基焊锡钎料具有很强的温度和加载速率的相关性，应该采用统一型粘塑性本构模型描述SnPb 钎料的变形行为。
在统一型粘塑性本构模型中，应用最广泛的是Anand 模型。
具有形式简单，模型参数少等特点，在电子焊点的寿命预测中广泛应用。
它采用与位错密度、固溶体强化以及晶粒尺寸效应等相关的单一内部变量S 描述材料内部状态对塑性流动的宏观阻抗，可以反映粘塑性材料与应变速度、温度相关的变形行为，以及应变率的历史效应、应变硬化和动态回复等特征。
目前，很多大型商用有限元软件，如ANSYS 、MARC 等都把Anand 本构模型嵌入到通用材料模型库中供用户使用，但是，ABAQUS 的通用材料模型库中缺少Anand 模型。
因此，本报告目的在于通过ABAQUS 的用户子程序接口UMAT ，选择合适的算法，将Anand 粘塑性本构模型引入ABAQUS 中，以便后续的研究。
2.Anand 本构方程统一型粘塑性Anand 本构模型有两个基本特征：(1) 在应力空间没有明确的屈服面, 故在变形过程中不需要加载/卸载准则, 塑性变形在所有非零应力条件下产生。
(2) 采用单一内部变量描述材料内部状态对塑性流动的宏观阻抗。
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UMAT全过程——技术篇 1.ABAQUS中非线性问题的处理2.用户子程序接口3.用户子程序和主程序的结合4.用户材料子程序UMAT接口的原理5.UMAT子程序流程ABAQUS是怎么计算的
I.ABAQUS一共有42个用户子程序接口，15个应用程序接口，可以定义包括边界条
件，荷载条件，接触条件，材料特性以及利用用户子程序和其它应用软件进行数值交换。
1.根据ABAQUS提供的相应接口，按照FORTRAN语法自己编写的代码，是一个独立的程序单元，可以独立地被储存和编译，也能被其他程序单元引用。
I.一般结构形式
II.
一个算例中，可以用到多个用户子程序，但必须把它们放在一个以.for为扩展名的文件中。
III.运行带有用户子程序的算例的两种方法
1.在CAE中运行，在EDIT JOB菜单中的GENRAL子菜单的USERSUBROUTINE GILE对话框中选择用户子程序所在的文件
2.在MAND中运行语法如下
IV.编制用户子程序时应注意：
1.用户子程序相互之间不能调用，可以调用用户自己编写的Fortran子程序和
ABAQUS应用程序，ABAQUS应用程序必须由用户子程序调用。
编写Fortran子程序时，建议子程序以K开头，以免和ABAQUS内部程序冲突。
2.用户在用户子程序中利用OPEN打开外部文件时，要注意以下两点：
（1）设备号的选择有限制，只能取15~18和大于100的设备号
（2）用户需提供外部文件的绝对路径而不是相对路径。
3.对于不同的用户子程序，ABAQUS调用的时间不相同，有的在每个STEP的开始，有的在结尾，有的在每个 INCREMENT的开始。
（当ABAQUS在调用用户子程序时，都会把当前的STEP 和INCREMENT 利用用户子程序的两个实参KSTEP 和KINC 传给用户子程序，用户可把他们输出到外部文件中，这样可清楚知道何时调用）
V.ABAQUS提供给用户定义自己的材料属性的Fortran程序接口，用户材料子程序
UMAT 通过与ABAQUS主求解程序的接口实现与ABAQUS的资料交流，输入文件中，使用“UESER MATERIAL”表示定义用户材料属性。
I.UMAT子程序采用Fortran语言编制，包括以下几个部分：子程序定义语句、
ABAQUS 定义的参数说明、用户定义的局部变量说明、用户编制的程序主体、子程序返回和结束语句。
I.。