CAE320
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基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT

黄永刚院士编写的单晶晶体塑性UMAT，主要用于在Abaqus有限元仿真中进行单晶及多晶晶体塑性变形的计算，是许多科研工作者学习晶体塑性模拟的教学资源。可以在其基础上对硬化模型进行修改，甚至引入损伤。

UMAT主要应用于隐式分析，而对于大变形接触问题，隐式分析往往计算效率较低。对于接触、碰撞、冲击等问题采用VUMAT往往具有更高的计算效率和收敛速度。本文旨在将Huang编写的UMAT改写为VUMAT，并进行对比验证。

将UMAT改写为VUMAT需要从以下方面考虑：（1）UMAT是在积分点上调用的，而VUMAT一次调用会计算很多个积分点上的变量，需要对子程序接口形式进行修改；（2）Huang本构中的转动张量DROT是用于对滑移面和滑移方向进行旋转的，在UMAT中，Abaqus会提供转动张量DROT，在VUMAT中，子程序接口没有提供DROT，需要通过VUMAT传入的变形梯度更新滑移面和滑移方向；（3）显示分析采用了Green-Naghdi率，而隐式分析采用Jaumann率，需要对应变率进行修改。

采用了两个多晶模型进行一致性的验证，第一个模型是125个网格的单位长度代表体积单元，每25个网格设置1个取向。第二个模型是采用Voronoi方法获得的15个不同取向晶粒的多晶模型。

（1）15个不同取向晶粒的多晶模型

15个不同取向晶粒的多晶模型，采用狗骨单轴拉伸试件进行数值试验，有限元模型如下图所示。开展单轴拉伸，UMAT采用隐式分析，VUMAT采用显式分析。

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT_第1张图片

图 1  单轴拉伸多晶有限元模型

不同晶粒的材料参数设置如下：

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT_第2张图片

图 2  多晶材料不同取向的设置

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT_第3张图片

图 3  计算完成的截图

单轴拉伸UMAT和VUMAT计算得到的力-位移响应如下。

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT_第4张图片

图 4  单轴拉伸UMAT和VUMAT计算得到的力-位移响应

单轴拉伸结束时刻的应力、应变场如下：

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT_第5张图片

图 5  计算完成的应力场

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT_第6张图片

图 6  计算完成时刻的应变场

（2）125个网格的单位长度代表体积单元

125个网格的单位长度代表体积单元，每25个网格设置1个取向，有限元模型如下图所示。

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT_第7张图片

图 7  125个网格的单位长度代表体积单元有限元模型

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT_第8张图片

图 8  材料参数设置

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT_第9张图片

图 9  计算完成时刻的应力云图

基于abaqus的Huang晶体塑性UMAT改VUMAT_第10张图片

图 10  计算完成时刻的应变云图

最后,如有需要欢迎通过公众号"320科技工作室"与我们联络

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