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abaqus软件在道路工程中的应用


ABAQUS 软件在道路工程中的应用

(课程讲义)

廖公云

2008 年 10 月

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用





第 1 章 绪论 ..........................

..........................................................................................................1 1.1 有限元与 ABAQUS ..........................................................................................................1 1.2 道路工程中的典型问题....................................................................................................3 1.3 本书的主要内容................................................................................................................4 第 2 章 有限元的基本原理(待完成).........................................................................................5 第 3 章 ABAQUS 基础 ...................................................................................................................6 3.1 ABAQUS 产品的组成(Products)..................................................................................6 3.2 ABAQUS/CAE 的组成(Components) ..........................................................................7 3.3 ABAQUS/CAE 中的分析模块(Modules)...................................................................10 3.4 ABAQUS/CAE 中的常用工具(Tools) ........................................................................16 3.4.1 ABAQUS/CAE 中的常用工具..............................................................................16 3.4.2 实例:路面结构的受力分析 ...............................................................................20 3.5 ABAQUS 分析模型的组成..............................................................................................35 3.5.1 ABAQUS 分析的过程...........................................................................................35 3.5.2 ABAQUS 分析模型的组成...................................................................................35 3.6 ABAQUS 中的常用命令(Commands) .......................................................................36 3.7 ABAQUS 中的常用文件(Files) ..................................................................................41 3.7.1 常用文件...............................................................................................................42 3.7.2 其它文件...............................................................................................................44 3.8 ABAQUS 中的帮助文档..................................................................................................46 3.9 本章小结..........................................................................................................................47 第 4 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT ..................................................................48 4.1 道路工程中常用材料的本构模型 ..................................................................................48 4.2 典型的弹性模型和塑性模型 ..........................................................................................48 4.3 道路工程常见材料模型及 UMAT .................................................................................57 4.3.1 道路工程中常见材料模型 ...................................................................................57 4.3.2 用户子程序 UMAT 和应用程序(Utilities) .....................................................60 4.3.3 修正 Burgers 模型用户子程序 UMAT 的编写 ...................................................65 4.3.4 Duncan-Chang 模型用户子程序 UMAT 的编写..................................................79 4.3.5 UMAT 用户子程序的用法....................................................................................82 4.4 小结..................................................................................................................................82 第 5 章 单元及网格划分技术(待完成)...................................................................................83 第 6 章 Inp 文件用法 ....................................................................................................................84 6.1 Inp 文件格式 ....................................................................................................................84 6.2 编写完整 inp 文件实例:桥式吊架...............................................................................86 6.2.1 编写 inp 文件........................................................................................................86 6.2.2 检查运行 inp 文件 ................................................................................................92 6.3 编写部分 inp 文件实例:软土地基上路面结构的沉降 ...............................................93 6.3.1 ABAQUS/CAE 生成部分模型数据......................................................................95 6.3.2 编写部分 inp 文件 ..............................................................................................101

6.3.3 运行和后处理.....................................................................................................105 第 7 章 沥青路面结构中的裂缝和动态响应问题.....................................................................107 7.1 相关理论和计算方法....................................................................................................107 7.1.1 断裂力学理论和计算方法 .................................................................................107 7.1.2 动态分析理论和计算方法 .................................................................................115 7.1.3 移动布荷载在有限元模型中的实现 .................................................................125 7.2 路面结构裂缝和动态响应问题的算例分析 ................................................................126 7.2.1 静态分析一:直接写 INP 文件 ........................................................................126 7.2.2 静态分析二:ABAQUS/CAE 建模 ..................................................................135 7.2.3 动态分析一:平面 ABAQUS/CAE 建模 .........................................................141 7.2.4 动态分析二:三维 ABAQUS/CAE 建模 .........................................................148 7.3 本章小结........................................................................................................................162 第 8 章 沥青路面结构中的车辙问题.........................................................................................163 8.1 相关理论和计算方法....................................................................................................163 8.2 路面车辙计算算例........................................................................................................167 8.2.1 温度场的分析.....................................................................................................169 8.2.2 路面车辙的计算.................................................................................................178 第 9 章 软土地基上路面结构的沉降问题.................................................................................190 9.1 相关理论和计算方法....................................................................................................190 9.2 水平向增强体(土工格栅)的应用 ............................................................................193 9.3 竖向增强体(桩)的应用............................................................................................198 9.4 软土地基路面结构的附加应力分析实例 ....................................................................203 第 10 章 桥台地基沉降问题 ......................................................................................................209 10.1 相关理论和计算方法..................................................................................................209 10.2 重力式桥台地基沉降..................................................................................................212 第 11 章 路堤边坡稳定性问题...................................................................................................227 11.1 相关理论和计算方法 ..................................................................................................227 11.2 边坡稳定性分析算例 ..................................................................................................230

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第 1 章 绪论

第1章 绪论

1.1 有限元与 ABAQUS
参考: 1. 王勖成,邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法[M]. 第 2 版. 北京:清华大学出版社, 1997 2. 吕景贵. 有限元方法及其软件的几个应用- 压力容器局部屈曲分析及肺组织材料参数反 演[D]: [硕士学位论文]. 杭州:浙江大学,2006 1.有限元的发展 在科学技术领域内, 对于许多力学问题和物理问题, 人们已经得到了它们应遵循的基本 方程(常微分方程或偏微分方程)和相应的定解条件。但能用解析方法求出精确解的只是少 数方程性质比较简单,且几何形状相当规则的问题。对于大多数问题,由于方程的某些特征 的非线性性质,或由于求解区域的几何形状比较复杂,则不能得到解析的解答。数值解法应 运而生, 伴随着计算机技术的飞速发展, 数值分析方法已成为求解科学技术问题的主要工具 之一。 有限元法是数值分析方法的一种,其基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、 且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。 由于单元能按不同的联结方式进行组合, 且 单元本身又可以有不同形状, 因此可以模拟几何形状复杂的求解域。 有限单元法作为数值分 析方法的另一个重要特点是, 利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上 待求的未知场函数。 单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数 值和其插值函数来表达。这样一来,一个问题的有限元分析中,未知场函数或及其导数在各 个结点上的数值就成为新的未知量(也即自由度) ,从而使一个连续的无限自由度问题变成 离散的有限自由度问题。 一经求解出这些未知量, 就可以通过插值函数计算出各个单元内场 函数的近似值,从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加,也即单元尺寸 的缩小,或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高,解的近似程度将不断改进。如 果单元是满足收敛要求的,近似解最后将收敛于精确解。 有限元的基本思想最早是 Courant(1943)提出来的,他第一次尝试在三角形区域上将 分片连续函数和最小位能原理相结合,研究了 St. Venant 的扭转问题。Levy(1947)建立了 柔度法或力法, 1953 年提出了刚度法或位移法, 用来分析静不定飞机结构。 Argyris 和 Kelsey (1954)利用能量原理建立了矩阵结构分析方法。但只是到 1960 年以后,随着电子计算机 的广泛应用和发展,有限单元法的发展速度才显著加快。 现代有限单元法的第一个成功的尝试,是将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题, 这是 Turner、Clough 等人在分析飞机结构时于 1956 年得到的成果。他们第一次给出了利用 直接刚度法采用三角形单元求得平面应力问题的正确解答。 他们的研究工作打开了利用电子 计算机求解复杂平面弹性问题的新局面。Clough(1960)进一步处理了平面弹性问题,并第 一次提出了“有限单元法”的名称,使人们开始认识了有限元法的功效,其研究领域逐步扩 展至非线性、小位移的静态问题。 到 20 世纪 70 年代后,随着计算机和软件技术的发展,有限元法也随之迅速发展起来,
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发表的论文犹如雨后春笋,学术交流频繁,期刊、专著不断出现,进入了有限元法的鼎盛时 期。研究涵盖了以下内容:有限元法在数学和力学领域所依据的理论;单元的划分原则,形 状函数的选取及协调性;有限元法所涉及的各种数值计算方法及其误差、收敛性和稳定性; 计算机程序设计技术;向其他领域的推广。 有限元法采用 Hellinger-Reissner 原理、Hu-Washizu 原理等多场变量的变分原理,作为 新单元应用的理论基础,从最早的平面三角形单元、等参元、高参元、板壳单元,发展了协 调元、非协调元、拟协调元、样条元、混合型单元、杂交型单元的有限元表达形式,并采用 了加权余量法, 用于建立有限元的表达格式, 将有限元的应用扩展到不存在泛函或者泛函尚 未建立的问题中。 有限元法采用的求解器得到了不断的丰富, 包括解决线性代数方程的直接法、 迭代法和 解决非线性方程的载荷增量法和位移控制增量法。 其中非线性问题的求解算法取得了很大进 步。研究人员(1969)开发了著名的单元乘单元的技术,节点力的计算不必应用刚度矩阵。 Sandia 的 Sam Key(1975)完成了 HONDO,程序可以处理材料非线性和几何非线性问题。 Hallquist 开发了有效接触-碰撞的算法,采用一点积分单元和高阶矢量使得工程仿真得以有 显著性突破的可能。 四十多年来,有限单元法的理论和应用都得到迅速的、持续不断的发展,其应用已由弹 性平面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动 问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等,从固体力学扩展 到流体力学、传热学等连续介质力学领域。 有限元法已经广泛应用于机械工程、土木工程、微电子、电磁场、生物力学等领域,以 其强大的功能成为解决工程问题的有力工具。 有限元程序发展也很快, 我国已引进的主要程 序有:SuperSAP,ADINA,ANSYS,MSC.NASTRAN,ABAQUS 等。 可以预计,随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展,有限单元法作为一个 具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具, 必将在国民经济建设和科学技术发展中 发挥更大的作用,其自身亦将得到进一步的发展和完善。 2.ABAQUS 软件 ABAQUS 公司成立于 1978 年,是世界知名的高级有限元分析软件公司,总部设在美国 罗德岛州普罗维登斯市(Providence,Rhode Island,USA) ,在法国 Suré snes 设有研发中心。 其主要业务为非线性有限元分析软件 ABAQUS 的开发、 维护及售后服务。 ABAQUS 软件在 技术、 品质以及可靠性等方面具有非常卓越的声誉, 对简单或复杂的线性和非线性工程问题, 都提供了一套完整强大的有限元理论解决方案。ABAQUS 公司致力于发展统一的有限元分 析平台,以用于多种产品开发,适合各种用户的需求。 2005 年 10 月,ABAQUS 公司成为在三维建模和产品生命周期管理上享有盛誉的达索 公司(Dassault Systèmes)一个子公司,并发布 SIMULIA。SIMULIA 是达索公司的新产品, 包括所有达索公司的仿真软件(ABAQUS 和 CATIA 分析应用软件) 。它将把我们从以往不 关联的分析仿真应用,带入到协同的、开放的、集成的多物理场仿真平台。SIMULIA 提供 各种仿真模拟功能,通过卓越的技术、出众的质量以及完善的服务,使工业界的工程师和科 学家可以利用仿真结果去提高产品性能,减少物理模型的制作,加快产品创新进程。 ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟有限元软件,其解决问题的范围从相对简单的线 性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元 库。并拥有各种类型的材料模型库,可以模拟典型工程材料的性能,其中包括金属、橡胶、 高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。 作为通用的模拟工具,ABAQUS 除了能解决大量结构(应力/位移)问题,还可以模拟 其他工程领域的许多问题,例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分
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第 1 章 绪论

析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析: ◇静态应力/位移分析 包括线性,材料和几何非线性,以及结构断裂分析等 ◇动态分析 包括结构固有频率的提取,瞬态响应分析,稳态响应分析,以及随机响应分析等 ◇粘弹性/粘塑性响应分析 ◇热传导分析 传导,辐射和对流的瞬态或稳态分析 ◇质量扩散分析 静水压力造成的质量扩散和渗流分析等 ◇非线性动态应力/位移分析 可以模拟各种随时间变化的大位移、接触分析等 ◇瞬态温度/位移耦合分析 解决力学和热响应及其耦合问题 ◇准静态分析 应用显式积分方法求解静态和冲压等准静态问题 ◇退火成型过程分析 可以对材料退火热处理过程进行模拟 ◇海洋工程结构分析 对海洋工程的特殊载荷如流载荷、浮力、惯性力等进行模拟 对海洋工程的特殊结构如锚链、管道、电缆等进行模拟 对海洋工程的特殊的连接,如土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动等进 行模拟 ◇水下冲击分析 对冲击载荷作用下的水下结构进行分析 ◇疲劳分析 根据结构和材料的受载情况统计进行生存力分析和疲劳寿命预估 ◇设计灵敏度分析 对结构参数进行灵敏度分析并据此进行结构的优化设计 ABAQUS 为用户提供了广泛的功能,且使用起来又非常简单。大量的复杂问题可以通 过选项块的不同组合很容易的模拟出来。 例如, 对于复杂多构件问题的模拟是通过把定义每 一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来。 在大部分模拟中, 甚至高度 非线性问题,用户只需提供一些工程数据,像结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷 工况。在一个非线性分析中,ABAQUS 能自动选择相应载荷增量和收敛限度,不仅能够选 择合适参数, 而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。 用户通过准确的 定义参数就能很好的控制数值计算结果。 由于 ABAQUS 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得 ABAQUS 被各国的工业 和研究中所广泛的采用。ABAQUS 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。

1.2 道路工程中的典型问题
1.移动荷载作用下路面结构的响应 传统的道路工程分析程序,如 Bisar,只能分析静力作用下路面结构的响应(应力、应 变、位移等) ,无法获得移动荷载作用下路面结构的响应。
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

2.路面结构中的裂缝问题 现有的道路工程分析程序, 无法处理带裂缝路面结构的响应, 更无法模拟裂缝尖端附近 应力/位移场的奇异性。 3.路面结构的车辙 现有的道路工程分析程序, 无法计算路面结构的车辙深度等系列问题 (路面结构中的温 度场、路面材料的塑性性质等) 。 4.软土地基的沉降 现有的道路工程分析程序, 无法处理软土地基的沉降等系列工程问题 (如软土地基上路 面结构的沉降、桥台地基的沉降,新老路基的拼接等) 。 5.路堤边坡稳定性 对于边坡稳定性问题,常规的方法为圆弧滑动分析法,这种方法计算繁琐,而且容易出 错。 上述道路工程(包括部分岩土工程)中的典型问题,现有的分析程序无法给出完美的解 决方案(要么无法处理,要么处理效率不高) ,给研究工作带来了不便。 有限元法提供了解决上述典型道路工程问题的解决方法, 并有商用通用有限元程序 (如 ABAQUS、ANSYS 等)可以利用。

1.3 本书的主要内容
本书的主要目的是,为道路工程(包括岩土工程)本科高年级学生和研究生提供快速上 手的方法,并通过实例详细讲解典型道路工程问题(包括部分岩土工程问题)的解决方法和 相关要点,提高他们利用 ABAQUS 软件分析实际问题的能力。 目前,ABAQUS 最新版本为 6.7.1。本书采用的 ABAQUS 版本为 6.5.1。 本书的内容可以分为两大部分: 第一部分:ABAQUS 基础篇 这一部分主要讲述 ABAQUS 的基础知识(产品组成、ABAQUS/CAE 分析模块、常用 工具、常用命令和常用文件等) 、材料模型(以及 UMAT)和 Input 文件用法等。这部分的 学习,有助于快速掌握 ABAQUS 软件的基本知识和分析问题的基本方法。 第二部分:道路工程专题篇 这一部分主要讲述采用 ABAQUS 解决典型道路工程问题的方法和要点,包括移动荷载 作用下路面结构的响应、路面结构中的裂缝问题、路面结构的车辙、软土地基的沉降和路堤 边坡稳定性等。这部分的学习,有助于深入体会 ABAQUS 解决道路工程典型问题的方法和 技巧,从而提高利用 ABAQUS 分析实际工程问题的能力。

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第 2 章 ABAQUS 基础

第2章 有限元的基本原理(待完成)

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

第3章 ABAQUS 基础
本章是 ABAQUS 基础,主要介绍 ABAQUS 产品的组成、ABAQUS/CAE 中的分析模块 与常用工具、分析模型组成、常用命令及其常用文件类型,为初学者了解和学习 ABAQUS 打下基础。

3.1 ABAQUS 产品的组成(Products)
参考: 1.Getting Started with ABAQUS:1.1 The ABAQUS products ABAQUS 由两个主要的分析模块组成:ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit。其中 ABAQUS/Standard 附带了三个特殊用途的分析模块:ABAQUS/Aqua(模拟近海结构如海上 石油钻井平台,也可以模拟波浪、风载及浮力的影响) 、ABAQUS/Design(设计敏感度的计 算)和 ABAQUS/Foundation(可以更有效地使用 ABAQUS/Standard 的线性静态和动态分析 功能) 。此外,ABAQUS 还分别为 MOLDFLOW 和 MSC.ADAMS 提供了 MOLDFLOW 接口 和 ADAMS/Flex 接口。 ABAQUS/CAE 是集成的 ABAQUS 工作环境,包含了 ABAQUS 模型的建模、交互式提 交作业与监控运算过程以及结果评估 (后处理) 等能力。ABAQUS/Viewer 是 ABAQUS/CAE 的子模块,它只包含其中的后处理功能。这些模块之间的关系见图 3.1。

Elysium 直接转换器

作业监控 建模 分析 可视化

第三方 前处理器

转换器

ABAQUS 的 MOLDFLOW 接口 转换器 第三方 后处理器

ABAQUS 的 MSC.ADAMS 接口

图 3.1 ABAQUS 的组成

1.ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit 在 ABAQUS 的组成模块中, ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit 是两个核心求解器。 其中 ABAQUS/Standard 是一个通用分析模块,可以求解广泛领域的线性和非线性问题,包 括静力、动力、构件的热和电响应的问题;ABAQUS/Explicit 是一个具有专门用途的分析模 块,采用显式动力学有限元格式,适用于模拟短暂、瞬时的动态事件,如冲击和爆炸问题,
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第 2 章 ABAQUS 基础

此外它对改变接触条件的高度非线性问题也非常有效, 如模拟成型问题。 两者的主要区别如 表 3.1 所示。
表 3.1 ABAQUS/Standard 与 ABAQUS/Explicit 的主要区别





ABAQUS/Standard 提供了广泛的单元库

ABAQUS/Explicit 为显式分析提供了广泛的单元库, 它是 ABAQUS/Standard 单元库的 子集 通用分析过程 与 ABAQUS/Standard 类似,一个 显著区别是允许失效的材料模型 对非常复杂的接触模拟, 尤其适用

单元库(Element library) 分析过程 (Analysis procedures) 材料模型(Material models) 接触公式(Contact formulation) 求解技术(Solution technique) 磁盘和内存需求 (Disk space and memory)

通用和线性扰动分析过程 提供了广泛的材料模型 强大的解决接触问题的能力

无条件稳定的、 基于刚度的求解技 有条件稳定的、 显式积分求解技术 术 每个增量步中可能存在大量的迭 代步,因而磁盘和内存需求较大 与 ABAQUS/Standard 相比,通常 磁盘和内存需求较小

2.ABAQUS/CAE 和 ABAQUS/Viewer ABAQUS/CAE(Complete ABAQUS Environment)是 ABAQUS 的交互式图形环境。通 过生成或输入分析结构的几何形状, 并将其分解为便于网格划分的若干区域, 然后对生成的 几何体赋予物理和材料特性、载荷以及边界条件。ABAQUS/CAE 具有对几何体划分网格的 强大功能,并可检验所形成的分析模型。模型生成后,ABAQUS/CAE 可以提交、监视和控 制分析作业。而 Visualization(可视化)模块[也称为 ABAQUS/Viewer]可以用来进行模型的 后处理。 提示:ABAQUS/CAE 为 ABAQUS 默认的前后处理环境,也可采用第三方的前后处理程序, 如 Hypermesh。对于初学者来说,应尽量采用 ABAQUS/CAE 进行模型的前后处理。

3.2 ABAQUS/CAE 的组成(Components)
参考: 1.ABAQUS/CAE User's Manual:2.2 Overview of the main window ABAQUS/CAE 主窗口由标题栏、菜单栏、工具栏、环境栏、模型树、工具区、视图区 和提示区等组成,如图 3.2 所示。

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

标题栏

菜单栏

工具栏

环境栏

模型树

工具区 画布和作图区 视图区

提示区 信息区或命令行窗口

图 3.2 ABAQUS/CAE 主窗口的组成

(1)标题栏(Title Bar) 标题栏显示了正在运行的 ABAQUS/CAE 版本和当前的模型数据库名字。 (2)菜单栏(Menu Bar) 菜单栏包含了所有当前可用的菜单, 通过对菜单的操作可调用 ABAQUS/CAE 的全部功 能。 提示:ABAQUS/CAE 的菜单栏和工具区会随着环境栏中模块的不同而发生变化,同时环境 栏自身也会随着模块的不同而发生变化。 (3)工具栏(Toolbar) 工具栏提供了菜单访问的快捷访问方式(图 3.3) ,这些功能也可以通过菜单直接访问。
数据库操作和打印 视图操作 视图和显示选项 查询 显示组 帮助

图 3.3 ABAQUS/CAE 工具栏的组成

提示: 视图操作(View manipulation) :允许用户从不同角度显 示模型的全部或局部区域,给用户定义模型,尤其是三维模型,带来了极大方便。在本章实 例中将看到其具体应用。 查询(Query) :运用查询工具可获取模型几何与特征信息、探测(probe)取值与
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第 2 章 ABAQUS 基础

X-Y 图、对结果进行应力线性化等。在本章实例中将看到其多次具体应用。 显示组(Display groups) :该工具允许用户有选择地显示模型的不同区域, 为复杂模型定义边界条件和载荷提供了极大方便。在本章实例中将看到其多次具体应用。 (4)环境栏(Context bar) ABAQUS/CAE 具有一组功能模块(modules) ,每个模块对应处理模型的一个方面。用 户可以在环境栏的 Module(模块)列表中的各模块之间进行切换。 提示:用户要进入 ABAQUS/CAE 的各功能模块,除了在环境栏中的模块列表中选择以外, 还可以直接在左侧模型树中进行切换。 对于初学者而言,在环境栏中选择相应的功能模块较为方便;对于其它用户,直接在左 侧模型树中切换将更加快捷。 (5)模型树(Model tree) 模型树提供了模型及其包含对象的图形化描述,如部件、材料、分析步、荷载和输出需 求等。 提示:当用户熟悉模型树后,可快速完成菜单、工具箱和各种管理器等的绝大多数操作,大 大提高工作的效率。 在一些特别情况下,模型树将非常有用,如对部分部件进行删除操作后,可能会影响到 assembly(装配件)的状态,而这时在 assembly 模块看不到任何异常,但提交运算老是得不 到 正 确 的 结 果 或 计 算 不 收 敛 。 这 时 在 模 型 树 中 依 次 点 击 [Model Database]→[Models]→[Model-1]→[Assembly]→[Instances], 下一级子目录中将出现一个或多 个红“×” ,删除相应的部件实体后,再提交运算,结果可能就会一切正常。 (6)工具区(Toolbox area) 当用户进入某一功能模块时, 工具区就会显示该功能模块相应的工具。 使用工具区中的 工具可以快速调用该模块的许多功能。 (7)画布和作图区(Canvas and drawing area) 画 布 ( canvas ) 可 设 想 为 一 个 无 限 大 的 屏 幕 或 布 告 板 , 用 户 可 在 其 中 放 置 视 图 (viewports) 。作图区是画布的可见部分。 (8)视图区(Viewport) 视图区是画布上用来显示 ABAQUS/CAE 模型的部分。 其中视图区标题和边界称为视图 区装饰,图标、状态块、标题块和视图方向标识称为视图区标注(图 3.4) 。 (9)提示区(Prompt area) 用户在进行各种操作时,提示区将显示相应的信息,提示用户进行正确的操作。 提示:提示区的信息,对用户尤其是初学者而言特别有用。 (10)信息区(Message area)和命令行接口(Command line interface) 这两个区域位于同一位置,默认状态下显示的是信息区。两者可以通过主窗口左下角 (Message area)图标和 (Command line interface)图标相互切换。

ABAQUS/CAE 在信息区显示状态和警告信息,可采用鼠标拖拽操作改变其大小,也可 采用滚动条查阅信息区信息。 当切换到命令行状态时,利用 ABAQUS/CAE 内置的 Python 编译器,可以使用命令行 接口输入 Python 命令和数学表达式。接口中包含了主要(>>>)和次要(...)提示符,实时 提示用户按照 Python 的语法缩进命令行。

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

提示:在命令行状态时,如果此时在信息区有新的信息加入,ABAQUS/CAE 会将围绕该信 息区图标的背景颜色改为红色;当显示信息区时,背景将返回到其正常颜色。 命令行接口可作为简单的计算器使用,在创建模型时比较有用。
图标 视图区标题

视图方向标识

状态块

标题块

图 3.4 ABAQUS/CAE 视图区的组成

3.3 ABAQUS/CAE 中的分析模块(Modules)
参考: 1.Getting Started with ABAQUS:2 ABAQUS Basics 2 . ABAQUS/CAE User's Manual : Part III: Creating and analyzing a model using the ABAQUS/CAE modules ABAQUS 分析由三个阶段组成:前处理、模拟(计算)和后处理(图 3.5 ) 。在 ABAQUS/CAE 中点击环境栏 右边的下拉框, 如图 1.6 所示。 可以看出, ABAQUS/CAE 的分析模块由 10 个模块组成,依次为 Part(部件) 、Property(特性) 、Assembly(装配) 、 Step (分析步) 、 Interaction (相互作用) 、 Load (载荷) 、 Mesh (网格) 、 Job (作业) 、 Visualization (可视化)和 Sketch(草图) ,其中 Sketch(草图)模块可以看作是 Part(部件)模块的子 模块。上述模块之间的相互关系,如图所示。 (需要补充) 提示:上述 10 个模块中,除了 Sketch(草图)模块外,其它 9 个模块也是 ABAQUS 推荐 的建模顺序。当用户熟悉 ABAQUS/CAE 后,也可灵活地在不同模块切换,以方便模型的创 建和分析。

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第 2 章 ABAQUS 基础

前处理 ABAQUS/CAE 或其它软件 输入文件: job.inp 模拟 ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit 输出文件: job.odb,job.dat job.res,job.fil 后处理 ABAQUS/CAE 或其它软件

图 3.5 ABAQUS 分析的三个阶段

图 3.6 ABAQUS/CAE 的分析模块

1.Part(部件)模块 Part(部件)模块可创建 3D、2D 和轴对称变形体、离散刚体和分析刚体(图 3.7) ,几 何属性(基特征 base feature)可以为:实体(Solid) 、壳(Shell) 、线(Wire)和点(Point) ; 使用特征操作工具可对部件特征进行编辑、删除、抑制、恢复和重新生成等操作。 提示:在生成 Part 过程中,为了便于在 Part 不同区域赋予不同材料参数、接触定义、网格 划分, 可灵活运用集合工具 (Set toolset) 、 数据点工具 (Datum toolset) 和剖分工具 (Partition toolset) 。这些工具的具体应用见本章实例。

图 3.7 Create Part 对话框
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2.Property(特性)模块 Property(特性)模块主要用于定义材料的本构模型(图 3.8) ,ABAQUS 中包含了大量 可用于道路工程的材料本构模型。在这个模块中,定义材料属性一般分为三个步骤:定义材 料本构模型、定义材料截面、为部件(Part)不同区域指定材料截面。 提示:在定义材料本构模型时,可在图 3.8 中选择 General:User Material,以定义用户材料 模型。这时需编写用户子程序 UMAT,关于该子程序的用法,参见××章。

图 3.8 Edit Material 对话框

3.Assembly(装配) Assembly(装配)模块将部件(Part)进行实体(instance)化(图 3.9) ,通过移动、旋 转以及布尔操作,将多个实体组配成一个 assembly(装配件) 。 提示:部件(part)存在于自己的局部坐标系中,与其它部件相互独立。但使用装配模块创 建部件实体(instances)并相互定位时,它们处于整体坐标系中。 一个模型可包含多个部件(parts) ,在装配件中一个部件可被多次实体化(即一个部件 对应多个实体) ,但是一个模型只能包含一个装配件(only one assembly) 。可以创建两种类
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第 2 章 ABAQUS 基础

型的部件实体(part instances) :独立实体和非独立实体。关于两者的区别,见本章实例。 荷载、边界条件等全部施加在装配件(assembly)上。

图 3.9 Create Instance 对话框

图 3.10 Create Step 对话框

4.Step(分析步)模块 Step(分析步)模块主要作用是创建分析步(图 1.10)和输出需求(场变量输出、历史 输出) ,还可以指定自适应网格和分析控制。 分析类型(Procedure type)分为两类:线性扰动分析(Linear perturbation) ,通常用于 频率的计算和振型的提取(Frequency) ;通用分析(General) ,几乎包含了所有的分析类型, 在道路工程中常用的类型为: 耦合温度-位移场分析 (Coupled temp-displacement) : 可用于进行沥青路面结构的车辙分 析; 动态隐式分析(Dynamic,Implicit) :可用于进行路面结构在动荷载下的响应分析; 动态显式分析(Dynamic,Explicit) :可用于进行路面结构在动荷载下的响应分析; 动态显式温度位移场耦合分析(Dynamic,Temp-disp,Explicit) :可用于进行沥青路面 结构在动荷载下的车辙分析; 地应力场分析(Geostatic) :进行软土地基固结分析的首要步骤; 土的固结分析(Soils) :进行软土地基固结分析; 静态通用分析(Static,General) :一般的静力分析; 粘弹性和蠕变分析(Visco) :可进行沥青混合料的蠕变分析。 提示:用户在 Step 模块中确定采用 ABAQUS/Standard 还是 ABAQUS/Explicit 求解器。若选 择 ABAQUS/Explicit 求解器, 在 Mesh (网格) 模块中指定单元类型时, 应将 Element Library 设为 Explicit。 5.Interaction(相互作用) Interaction(相互作用)模块可创建模型不同区域之间的力学或热接触(interactions) 、
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约束(constrains) ,以及模型内两点之间或模型内一点与地面之间的连接件(Connectors) 。 提示:对道路工程而言,该模块可以用于模拟路面结构内的裂缝、软土地基上桥台沉降分析 等。 6.Load(载荷) Load (载荷) 模块可用来定义模型的边界条件、 载荷、 场变量以及荷载条件 (Load cases) (图 3.11) 。 提示:ABAQUS 中的 Load 模块不仅包含了传统意义上的载荷,还包含了边界条件,这与其 它的有限元软件是不同的。

图 3.11 Create Load 对话框

7.Mesh(网格) Mesh(网格)模块可定义网格密度,进行单元的控制(单元形状、网格划分技术和划 分算法等,图 3.12) ,指定单元类型,划分并细化模型网格,并验证模型网格质量。 提示:模型的网格划分质量不仅影响计算精度,而且会影响计算进程(是否收敛、收敛速度 等) 。初学者应在实践中逐渐积累网格划分技术和技巧。

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第 2 章 ABAQUS 基础

图 3.12 Mesh Control 对话框

8.Job(作业) Job(作业)模块可创建(图 3.13) 、提交分析作业,监控分析过程,并可在分析结束之 前终止分析作业。 提示:Job(作业)模块在提交分析作业时,ABAQUS 自动在当前工作目录创建*.inp 文件; 也可在单独生成 inp 文件后,采用其它的字处理程序进行编辑修改,之后在 ABAQUS Command 环境下提交分析。关于 inp 文件的编辑修改,参见××章。

图 3.13 Edit Job 对话框

9.Visualization(可视化) Visualization(可视化)模块(也称为 ABAQUS/Viewer)是 ABAQUS/CAE 的后处理模 块,可显示变形前后模型图、云图等。输出结果可显示场变量输出和历时变量输出,可将输 出结果导出到外部文件中,还可将输出结果以动画形式输出。 提示:在 Visualization(可视化)模块中应用最频繁的是 应用参见本章实例。 10.Sketch(草图) Sketch(草图)模块是二维绘图程序,可用来创建部件、梁、区域的二维平面图,或定 义可用来拉伸、扫掠、旋转而形成三维部件的二维平面图。该模块还可导入由 AutoCAD 等 生 成 的 DXF 文 件 ( 导 入 方 法 为 : 在 ABAQUS/CAE 环 境 下 依 次 选 择 [File]→[Import]→[Sketch]) 。 提示:该模块实际上已包含在 Part(部件)模块中。在 Part 模块中的使用方法为:创建 Part (Query)工具。关于该工具的

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进入到 Sketch 环境下,点击[Add]→[Sketch…]或点击左侧工具区 选择由 AutoCAD 导入的 Sketch,从而可以创建所需的 Part。

(Add Sketch)按钮,

3.4 ABAQUS/CAE 中的常用工具(Tools)
参考: 1 . ABAQUS/CAE User's Manual : Part III: Creating and analyzing a model using the ABAQUS/CAE modules 2.Getting Started with ABAQUS:2.3 Example: creating a model of an overhead hoist with ABAQUS/CAE ABAQUS/CAE 中的常用工具, 如查询 (Query) 、 集合 (Set) 、 面 (Surface) 、 剖分 (Partition) 、 数据点(Datum)等,可为模型定位、网格划分等提供非常便捷的条件,这些工具出现在除 作业模块(Job Module)以外的其他所有前处理模块中。 在各个模块中可以使用的工具稍有不同,如图 3.14 所示。在 Part 模块中独有的工具是 修补(Repair) ,Step 模块中独有的工具是 Filter(过滤) ,Interaction 和 Load 模块中独有的 工具是幅值(Amplitude) ,Mesh 模块中独有的工具是虚拟拓扑(Virtual Topology) 。

Part

Property 和 Assembly

Step

Interaction 和 Load

Mesh

图 3.14 不同模块中的工具(Tools)

3.4.1 ABAQUS/CAE 中的常用工具
1.查询(Query) 查询(Query)工具是 ABAQUS/CAE 中使用最为频繁的工具之一,该工具出现在除作 业模块 (Job Module) 以外的其他所有前处理模块中。 查询可分为通用查询 (General Queries) 和与模块有关的查询(Part Module Queries) ,通用查询包括点/节点、距离、特征、单元、 网格等, 与模块有关的查询在 Part、 Property、 Assembly 和 Mesh 模块中可用, 在 Step、 Interaction 和 Load 模块中不可用(图 3.15) 。

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第 2 章 ABAQUS 基础

(a)

(b)

(c)

(d)

(d)

(e)

(f)

图 3.15 不同模块中的查询(Query)工具

2.数据点(Datum) 采用数据点(Datum)工具(图 3.16) ,可以在模型上方便地定义点(Point) 、轴(Axis) 、 平面(Plane)和坐标系(CSYS) ,主要作用是方便定位,如可为剖分(Partition)等工具提 供辅助定位功能等。

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图 3.16 数据点(Datum)工具

3.剖分(Partition) 剖分 (Partition) 工具是 ABAQUS/CAE 中使用最为频繁的工具之一。 采用剖分 (Partition) 工具可把复杂模型划分为相对简单的区域,以方便施加边界条件、荷载和划分网格,或赋予 不同的材料属性等。根据需要,可以对边(Edge) 、面(Face)和实体(Cell)进行剖分(图 3.17) 。

图 3.17 剖分(Partition)工具

4.集合(Set)与面(Surface) 集合与面工具是 ABAQUS/CAE 中使用最频繁的工具之一。 使用集合 (Set) 与面 (Surface) 可以方便地定义模型区域、边界和接触面等(图 3.18、图 3.19) 。在 inp 文件中,采用集合 (Set)与面(Surface)可方便地施加边界条件、荷载和接触对等。

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第 2 章 ABAQUS 基础

图 3.18 集合(Set)管理器

图 3.19 面(Surface)管理器

提示:在 ABAQUS/CAE 前处理模块中,除了作业模块(Job Module)外,均可方便地定义 集合与面。在 ABAQUS/CAE 中具有两种不同效用范围的集合与面。一种是作用于整个装配 件(Assembly)的集合与面,可以在 Assembly、Step、Interaction、Load 和 Mesh(为独立 实体划分网格时)模块中进行定义;另一种是仅仅作用于某个部件(Part)上的集合与面, 可在 Part、Property 和 Mesh(为非独立实体划分网格时)模块中进行定义。比较而言,前一 种集合与面使用较为方便,尤其在 inp 文件操作中更是如此。 定义面(Surface)时,只有部件(Part)或装配件(Assembly)的外边界可以定义为面 (Surface) ,其内部区域是不能定义为面(Surface)的,这在使用时应当引起注意。而集合 ( set )定义时则没有这种限制。通常只有在需要定义接触、施加面荷载时才需要定义面 (Surface) 。 5.显示组(Display Group) 在处理复杂模型时,显示组(Display Group)工具通过显示模型的特定区域,可方便地 施加边界条件与荷载、定义集合与面等,是非常有用的工具。在 ABAQUS/Viewer 中,采用 该工具可获取复杂模型特定区域的力学响应(应力、应变、位移和应变能等) 。 显示组(Display Group)提供了代替(Replace) 、增加(Add) 、去除(Remove)等布 尔操作,可灵活地显示模型的特定区域。 各个模块中的显示组(Display Group)工具可显示的内容(Item)稍有不同,其中装配 (Assembly) 、分析步(Step)等模块中的显示组工具,如图 3.20 所示,而部件(Part)和 特性(Property)模块中的显示组工具则缺少部件实体(Part instances)这一项。

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图 3.20 装配(Assembly)等模块中的显示组(Display Group)工具

3.4.2 实例:路面结构的受力分析
主要目的:熟悉 ABAQUS/CAE 中的常用工具。 问题描述:具有五层结构的沥青路面,路面总厚度为 69cm。在路面顶面作用标准行车 荷载,即垂直压力 0.7MPa,两荷载圆半径为 1δ(10.65cm) ,圆心距为 3δ(31.95cm) 。模型 深度取 3m,宽度取 6m。路面结构各层材料的特性如下:
表 3.2 路面材料特性

结构层 表面层 中面层 下面层 上基层 下基层 土基

材料名称 沥青玛蹄脂 SMA 沥青混凝土 AC20 沥青稳定碎石 ATB 级配碎石 GM 水泥稳定碎石 CTB 压实土 SG

厚度(cm) 4 6 24 15 20 -
20

弹性模量 E (MPa) 1400 1200 1000 500 1500 40

泊松比 μ 0.35 0.3 0.3 0.35 0.25 0.4

第 2 章 ABAQUS 基础

建模要点: 1)通过简单的力学分析,可知该问题属于平面应变问题; 2)基于结构和荷载的对称性,可取模型的 1/2 进行分析。但为了与后文的断裂力学分 析相一致,仍然采用全模型进行分析。 1.启动 ABAQUS/CAE 可采用以下两种方法中的任何一种方法,来启动 ABAQUS/CAE: (1)菜单法:[开始]→[程序]→[ABAQUS 6.5-1]→[ABAQUS CAE] (2)命令法:在 Windows 操作系统的 DOS 窗口中键入命令:abaqus cae。 启动 ABAQUS/CAE 后,在出现的 Start Session 对话框中选择 Create Model Database。 2.创建部件 ABAQUS/CAE 窗口顶部的环境栏 显示当前工作模块为 Part 模块

(这是 ABAQUS/CAE 的默认模块) ,可以定义模型各部分的几何形体。可按以下步骤创建 具有五层结构的沥青路面模型。 (1)创建部件 点击左侧工具区 (Create Part)按钮,或在主菜单中选择[Part]→[Create],出现如图

3.21 所示的 Create Part 对话框。在 Name 后面输入 pavement,将 Modeling Space(模型空 间)设为 2D Planar(二维平面) ,将 Approximate size 设为 20,其余参数保持默认值。点 击 Continue,进入绘图环境(Sketcher) 。 提示:ABAQUS 有限元程序中没有规定尺寸单位,需要用户自行定义一致的尺寸单位。常 用的尺寸单位如下表所示(建议采用国际单位制 SI 或 SI(mm) ) : Quantity Length Force Mass Time Stress Energy Density SI m N kg s Pa (N/m2) J kg/m3 SI (mm) mm N tonne (103 kg) S MPa (N/mm2) mJ (10–3 J) tonne/mm3 US Unit (ft) ft lbf slug s lbf/ft2 ft lbf slug/ft3 US Unit (inch) in lbf lbf s2/in S psi (lbf/in2) in lbf lbf s2/in4

提示:对话框中的“Approximate size” ,表示绘图环境(Sketcher)页面显示的大小(sheet size)为 20 个单位。一般情况下应根据模型的大小进行选择,如该值设置过小,则绘制的 模型将超出显示边界。反之如果该值设置得过大,则绘制出的模型过小,给绘图操作带来不 变。出现上述两种情况时,可点击绘图环境(Sketcher)中工具区左下角的 (Sketcher

Options) ,弹出 Sketcher Options 对话框(图 1.22) ,可修改显示页面大小(Sheet Size) 。 (2)绘制路面结构模型的外轮廓 在绘图环境中,左侧的工具区中显示可用的绘图按钮,视图区内显示格栅,视图区正中 两条相互垂直的点划线为当前二维模型的 X 轴和 Y 轴,两者相交于坐标原点。 点击绘图工具区 (Create lines:Connected)按钮,窗口底部的提示区中显示“Pick

a starting point for the line—or enter X,Y: ” (选择线段起点,或直接输入 X,Y 坐标) ,在 0.00) 提示区中输入坐标 (-3.00, 。 这时提示区中的信息变为 “Pick a end point for the line—or enter X,Y: ” ,移动鼠标至点(3.00,0.00)再次点击,再依次移动鼠标至点(3.00,3.00) 、
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(-3.00,3.00) 、 (-3.00,0.00)点击,单击鼠标右键并选择“Cancel procedure” ,或按键盘 上的“Esc”键,结束线段的绘制。 提示:在视图区中移动鼠标时,视图区左上角会显示当前鼠标的坐标。坐标默认具有两位小 数,可在图 1.22 所示的 Sketcher Options 对话框中,将 Decimal Places 设为所需的位数, 最大位数为 6。 如果在绘图过程中操作有误,可点击绘图工具区上的撤销工具 (Undo/Redo Last (Delete

Action) 撤销上一步操作 (不能无限撤销, 仅对上一步撤销有效) , 或点击删除工具 Entities)删除错误的几何图形。 点击提示区“Sketch the section for the planar shell”后的

按钮,退出绘图环境。

图 3.21 Create Part 对话框

图 3.22 Sketcher Options 对话框

(3)剖分路面模型 在 ABAQUS/CAE 菜单上依次点击[Tools]→[Datum],将出现如图 3.16 所示的对话框。 将“Type”设为 Point, “Method”设为“Offset from point” ,点击对话框下部的“Apply” , 这时提示区显示“Select a point from which to offset” (选择偏移基准点) ,点击模型左上顶 点,在提示区“Offset(X,Y,Z) ”后键入“0.0,-0.04,0.0” (输入中不要引号) ,按键盘上 的“Enter”键确认,此时模型上显示一黄色小圆圈。再次点击“Create Datum”对话框上 的“Apply” 。 按照同样的步骤,仍以模型左上角顶点为偏移基准点,依次在提示区“Offset(X,Y, Z) ”后键入“0.0,-0.10,0.0” 、 “0.0,-0.34,0.0” 、 “0.0,-0.49,0.0” 、 “0.0,-0.69,0.0” ,以完成各路面
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第 2 章 ABAQUS 基础

结构层的定位。 在 ABAQUS/CAE 菜单上依次点击[Tools]→[Partition] ,将出现如图 3.17 所示的对话框, 将“Type”设为“Face” , “Method”设为“Sketch” ,点击“Apply” 。或直接在左侧工具区 中点击 。这时 ABAQUS/CAE 将自动进入绘图环境。 (Create lines:Connected)按钮,点击创建的第一个 datum 点。

点击绘图工具区

将鼠标指针放在模型右上角,滚动鼠标滚轮放大模型,当鼠标指针移至模型右边界上出现 “×”时,单击鼠标左键,按“Esc”键完成线段的绘制,完成路面表面层的剖分。 提示:为操作方便,需要放大模型局部时,可点击窗口顶部工具栏上 (Box Zoom View)

按钮,用鼠标左键拖拽划出待放大模型区域即可,或滚动三键鼠标的滚轮以缩放模型。 当需要显示全部模型时,可点击窗口顶部工具栏上 (Auto-fit View) 。

按照上述步骤, 完成路面结构其他层次的剖分 (图 3.23) 。 点击绘图环境提示区上的 按钮,退出绘图环境。再次提示区上的 按钮,以完成路面结构的剖分。

图 3.23 剖分后的路面结构模型(路面部分)

(4)保存模型 点击窗口顶部工具栏上的 ( Save Model Database ) ,键入所需的文件名,

ABAQUS/CAE 会自动加上.cae 后缀。 提示:ABAQUS/CAE 不会自动保存模型数据库,建议养成经常保存的习惯。这对复杂模型 的创建非常重要。 3.创建材料和截面属性 在 ABAQUS/CAE 窗 口 顶 部 环 境 栏 中选择 Property(特性)模块,如图 2.24 所示。按以下步骤创建 材料和截面属性,并赋予截面属性。 (1)创建材料 点击左侧工具区 (Create material)按钮,弹出

Edit material 对话框(图 3.25) 。在 Name 后输入 SMA, 依次点击对话框中的 Mechanical→Elasticity→Elastic。 在 对话框下部 Data 数据表中 Young’s Modulus(杨氏模量) 中输入 1.4e9,Poisson’s Ratio(泊松比)中输入 0.35,点
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图 3.24 ABAQUS Modules

ABAQUS 软件在道路工程中的应用



按钮,完成材料 SMA 的创建。

图 3.25 Edit Material 对话框

按照上述步骤完成其他材料(AC20、ATB、GM、CTB 和 SG)的创建。 (2)创建截面属性 点击左侧工具区 (Create Section)按钮,弹出 Create Section 对话框,保持默认参 后的下拉框中选择 SMA,点

数不变,点击 Continue,弹出 Edit Section 对话框。在 击 按钮,完成截面 Section-1 的创建。

按同样的步骤,创建 AC20、ATB、GM、CTB 和 SG 等材料的截面属性。 (3)赋予截面属性 点击左侧工具区 (Assign Section)按钮,这时提示区显示“Select the regions to be 按

assigned a section” ,在视图区中模型最上部分区域点击鼠标左键,再点击提示区的 钮, 弹出的 Edit Section Assignment 对话框 (图 3.26) , 在 点击 按钮完成 SMA 材料的定义。 按照同样步骤,完成其他材料的定义(图 3.27) 。

后的下拉框中选择 Section-1,

提示:在创建截面属性时,如果没有指定截面名称,则截面名称默认为 Section-1、Section-2 等的形式,这样在赋予截面属性时容易出错。这时最好的办法是,选择截面后,检查 Edit Section Assignment 对话框中的材料名称是否正确。
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第 2 章 ABAQUS 基础

图 3.26 Edit Section Assignment 对话框

图 3.27 Section Assignment Manager 对话框

4.创建装配件 在 ABAQUS/CAE 窗口顶部的环境栏 配件。 (1)创建装配件 点击左侧工具区

中选择 Assembly(装配)模块,以创建装

(Instance Part)按钮,弹出 Create Instance 对话框(图 3.28) , 按钮,以完成部件的实

将 Instance Type 设为 Independent(mesh on instance),点击 体化。

提示:部件实体(instance)具有两种类型:非独立实体(Dependent Instance)和独立实体 (Independent Instance) 。两者的主要区别在于,划分网格时,非独立实体的网格存在于部 件上, 独立实体的网格存在于实体上。 两种类型的实体可以在窗口左侧的模型树中相互转化, 具体步骤如下:在模型树中,依次点击[Model-1]→[Assembly]→[Instances]前的+号,右键 点击 pavement-1, 在弹出的菜单上选择 Make Dependent, 即可将独立实体变为非独立实体。 反之亦然。

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

图 3.28 Instance Instance 对话框

图 3.29 Option 对话框

(2)定义集合 依次点击菜单栏上[Tools]→[Set]→[Create], 在弹出的 Create Set 对话框中的 Name 后输 入 left,点击 Continue,点击提示区的 (Show/Hide Select Options) ,弹出 Option 对话

框 (图 3.29) , 在下拉框中选择 Edges, 并将选择实体的方法设为 Select Entities Inside the Drag Shape(选择拖拽框内的实体,即 区中 被选中) ,在视图区中划选模型左侧边界,点击提示

按钮完成集合 left(模型左边界集合)的定义。 按照同样方法,以模型右侧边界为集合 right,模型底部边界为集合 bottom。

提示:对话框中

按钮右下角的小黑三角,表示具有多个同类型的选项,此时点击该图标 , 即 可 选 择 相 应的 选 项 。 这在

不放,片刻后将显示全部内容

ABAQUS/CAE 工具中非常普遍,主要原因是减少显示量,将具有同样类型的多个图标集中 在一个图标上,用右下角的小黑三角表示,以节约有限的屏幕空间。 5.创建分析步 在 ABAQUS/CAE 窗口顶部的环境栏 点击左侧工具区 中选择 Step (分析步) 模块, 以创建分析步。

(Create Step)按钮,弹出 Create Step 对话框,保持默认参数不 按钮,完成

变,点击 Continue,弹出 Edit Step 对话框,保持默认参数不变,点击 分析步的创建。 6.边界条件定义和荷载施加 在 ABAQUS/CAE 窗口顶部的环境栏 件的定义和荷载的施加。 (1)边界条件定义
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中选择 Load(载荷)模块,以完成边界条

第 2 章 ABAQUS 基础

点击左侧工具区

( Create Boundary Condition )按钮,弹出 Create Boundary

Condition 对话框(图 3.30) ,将 Name 设为 Fix-xy,将 Step 设为 Initial,Category 设为 Mechanical, Type for Selected Step 设为 Symmetry/Antisymmetry/Encasrte, 点击 Continue, 点击提示区右下角的 Sets,弹出 Region Selection 对话框(图 3.31) ,其中显示了先前定义的 三个集合:bottom、left 和 right。选择 bottom,点击 Continue,在弹出的 Edit Boundary Condition 对话框(图 3.32)中,选择 ZASYMM,点击 按钮,完成模型底部的边界

条件定义。此时,视图区模型底部显示该边界条件的标识。 按照同样的步骤,完成模型左侧、右侧边界条件的定义,其中模型左侧边界在 Create Boundary Condition 对话框将 Name 设为 Fix-left,Region Selection 对话框中选择集合 left, Edit Boundary Condition 对话框中选择 XSYMM ;模型右侧边界在 Create Boundary Condition 对话框将 Name 设为 Fix-right,Region Selection 对话框中选择集合 right,Edit Boundary Condition 对话框中选择 XSYMM。 提示:在 Region Selection 对话框中,点击左下角 Highlight Selection in Viewpoint(视图区 高亮)选项前的复选框,这时在视图区将显示该集合所代表的模型区域。当创建的集合较多 时,高亮选项非常有用。

图 3.30 Create Boundary Condition 对话框

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

图 3.31 Region Selection 对话框

图 3.32 Edit Boundary Condition 对话框

(2)荷载施加 在 ABAQUS/CAE 菜单上点击[Tools]→[Datum],在弹出的 Create Datum 对话框中将 Type 设为 Point,Method 设为 Offset from point,点击模型左上角的点,在提示区 Offset (X,Y,Z)后输入(3.00,0.00,0.00) (图 3.33 中 O 点) ,按同样的方法,创建另外四点 P、 Q 、 R 和 S 点(与 O 点的偏移量依次为( -0.26625,0.00,0.00 ) 、 ( -0.05325,0.00,0.00 ) 、 (0.05325,0.00,0.00) 、 (0.26625,0.00,0.00) ) 。
P Q O R S

图 3.33 创建 Datum 点

在 ABAQUS/CAE 菜单上点击[Tools]→[Partition],在弹出的 Create Partition 对话框中 将 Type 设为 Edge,将 Method 设为 Select midpoint/datum point,点击 Apply,在视图区
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第 2 章 ABAQUS 基础

中选择模型顶部的边,点击 P 点,点击提示区 按钮;再选择 PS 线段,点 击 Q 点,点击提示区 按钮,以完成线段 PQ 的创建;按同样的方法,创建 RS 线段。创建的 PQ、RS 线段将作为标准荷载加载的部位。 点击左侧工具区 (Create Load)按钮,在弹出的 Create Load 对话框中将 Step 设

为 Step-1,将 Types for Selected Step 设为 Pressure,点击 Continue,同时选择 PQ、RS 线 段 (选择 PQ 后, 按住 Shift 键不放, 再选择 RS 线段) , 在弹出的 Edit Load 对话框 (图 3.34) 中,将 Magnitude 设为 117371,点击 按钮,完成荷载的施加。

图 3.34 Edit Load 对话框

提示:标准轴载 0.7MPa 是作用在两个表面上的,而简化为平面问题后,施加的荷载大小不 再 是 0.7MPa 。 应 该 按 照 静 力 等 效 原 则 进 行 适 当 转 换 , 转 换 后 的 大 小 为 : 25 × 103/0.213=117371Pa。 7.划分网格 在 ABAQUS/CAE 窗口顶部的环境栏 中选择 Mesh(网格)模块,为模型划分网

格。 (1)模型剖分 在 ABAQUS/CAE 菜单上点击[Tools]→[Partition],在弹出的 Create Partition 对话框中 将 Type 设为 Face,将 Method 设为 Sketch(或点击左侧工具区 钮,在视图区中选择整个模型,点击提示区中 击左侧工具区上 按钮) ,点击 按

按钮,ABAQUS 自动进入绘图环境。点

按钮,选择 P 点作为线段起点,作垂线至与模型底部相交,按 Esc 键。

按同样方法,分别以 Q 点、R 点和 S 点为起点分别作为线段起点,终点均为模型底部的垂 点。点击提示区中 按钮,退出绘图环境并完成模型的分割。
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

提示:上述模型剖分的主要目的是便于模型网格划分,以防网格畸形。 (2)种子定义 点击左侧工具区 持默认参数不变,点击 (3)网格控制 点击左侧工具区 提示区中 点击 (Assign Mesh Controls)按钮,在视图区中选择整个模型,点击 (Seed Part Instance)按钮,在弹出的 Global Seeds 对话框中,保 按钮,完成模型种子(Seeds)定义。

按钮,弹出 Mesh Controls 对话框(图 3.35) ,将 Technique 设为 Structure, 按钮,点击提示区中 按钮,完成网格控制的定义。

图 3.35 Mesh Controls 对话框

(4)指定单元类型 点击左侧工具区 示区中 (Assign Element Type)按钮,在视图区中选择整个模型,点击提

按钮, 弹出 Element Type 对话框 (图 3.36) 。 将 Geometric Order 设为 Quadratic

(二次单元) ,将 Family 设为 Plane Strain,去除 Reduced integration 前复选框中的√,此 时对话框中显示单元为 CPE8R(8 节点二次平面应减缩积分单元) ,点击 击提示区中 按钮,完成模型单元的定义。 按钮,点

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第 2 章 ABAQUS 基础

图 3.36 Element Type 对话框

(5)划分网格 点击左侧工具区 示区中的 (Mesh Part Instance)按钮,在视图区中选择整个模型,点击提

按钮,完成网格的划分。完成后的模型网格如图 3.37 所示。

图 3.37 完成后的模型网格

8.创建并提交作业 在 ABAQUS/CAE 窗口顶部的环境栏 点击左侧工具区 中选择 Job (作业) 模块, 创建并提交作业。

(Create Job)按钮,弹出 Create Job 对话框,在 Name 后输入

pavementall,保持其它参数不变,点击 Continue,弹出 Edit Job 对话框,保持默认参数不 变,点击 按钮,完成作业的创建。 (Job Manager)按钮,弹出 Job Manager 对话框(图 3.38) 。点

点击左侧工具区

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

击对话框右侧的 态。

按钮,提交作业。点击

按钮,可随时监控作业的运行状

图 3.38 Job Manager 对话框

9.后处理 在 ABAQUS/CAE 窗口顶部的环境栏

中选择 Visualization(显示)模块,进行后 ( Plot Fast

处理。当刚进入 Visualization (显示)模块时,默认情况下左侧工具区 Representation)被选中,在视图区显示模型未变形前的外部轮廓。 (1)模型未变形和变形显示 点击左侧工具区 点击左侧工具区 示区右下角

(Plot Undeformed Shape) 按钮, 视图区将显示模型未变形网格图;

(Plot Deformed Shape)按钮,视图区将显示模型变形网格图。点击提 按钮,弹出 Deformed Shape Plot Options 对话框,点击 按钮,此时视图区将同

对话框上 Superimpose undeformed plot 前的复选框,点击 时显示模型的变形和未变形图(图 3.39) 。

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第 2 章 ABAQUS 基础

图 3.39 模型未变性和变形显示

(2)云图显示 点击左侧工具区 (Plot Contours)按钮,视图区显示模型的云图。

(3)查询取值 点击菜单[Result]→[Field Output…],弹出 Field Output 对话框(图 3.40) ,将 Output Variable 设为 S, 在 Invariant(不变量) 中选择 Max.Principal (最大主应力) , 点击 按钮。

图 3.40 Field Output 对话框

点 击 菜 单 [Tools]→[Queries] 或 点 击 工 具 栏 上

按 钮 , 弹 出 Query 对 话 框 , 将 按钮。 弹出 Probe

Visualization Module Queries 设为 Probe value (探测取值) , 点击

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

Values 对话框(图 3.41) ,在 后的下拉框中选择 Nodes,同时点击 S,Max.Principal 前 的复选框,在视图区模型上移动鼠标,点选两轴载轮隙中心线下沥青稳定碎石(ATB)层底 点,此时在 Probe Value 对话框下部将显示被选中的最大主应力值 0.0173MPa(APBI 计算 结果为 0.0543MPa) 。如果需要,可以点击 按钮,将结果保存在文件中。

图 3.41 Probe Values 对话框

282, 提示: 上图中节点 202 具有 4 个 S,Max.Principal 值, 这是由于此节点同时为单元 281, 285 和 286 的共有节点的缘故。为了获得正确的结果,点击 Probe Value 对话框中 按钮,在弹出的对话框中点击 按钮。点击提示区 按钮, 弹出 Contour Plot Opitions 对话框, 点击 Labels 选项卡, 点击 Show 281 element labels 前的复选框,点击 按钮。此时在视图区中显示单元 、282 位于 沥青稳定碎石(ATB)层上,即前两个结果为所需节点的 S,Max.Principal 值。

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第 2 章 ABAQUS 基础

3.5 ABAQUS 分析模型的组成
3.5.1 ABAQUS 分析的过程
从上面实例可以看出,一个完整的 ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit 分析过程, 通常由三个明确的步骤组成:前处理、模拟计算和后处理。这三个步骤通过文件之间建立的 联系如图 3.5 所示。 前处理(ABAQUS/CAE) 在前处理阶段需要定义物理问题的模型,并生成一个 ABAQUS 输入文件。尽管一个简 单分析可以直接用文本编辑器生成 ABAQUS 输入文件, 但通常的做法是使用 ABAQUS/CAE 或其他前处理程序,以图形方式生成模型。 模拟计算(ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit) 模拟计算阶段使用 ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit 求解输入文件中所定义的数 值模型,它通常以后台方式进行。以应力分析的输出为例,包括位移和应力的输出数据保存 在二进制文件中以便于后处理。 完成一个求解过程所需的时间可以从几秒到几天不等, 这取 决于所分析问题的复杂程度和所使用计算机的运算能力。 后处理(ABAQUS/CAE) 一旦完成了模拟计算并得到了位移、 应力或其他基本变量后, 就可以对计算结果进行评 估。评估可以通过 ABAQUS/CAE 的可视化模块或其他后处理软件在图形环境下交互式进 行。 可视化模块可以将读入的二进制输出数据库中的文件以多种方法显示结果, 包括彩色等 值线图、动画、变形图和 X-Y 曲线图等。

3.5.2 ABAQUS 分析模型的组成
从上面的实例可以看出,ABAQUS 模型通常由若干不同的部分组成,它们共同描述了 所分析的物理问题和需要获得的结果。 一个分析模型至少要包含如下信息: 离散化的几何形 体、单元截面属性、材料数据、载荷和边界条件、分析类型和输出要求。 离散化的几何形体(Discretized geometry) 有限单元和节点定义了 ABAQUS 所模拟的物理结构的基本几何形体。模型中的每一个 单元都代表了物理结构的离散部分, 单元之间通过公共节点彼此相互连接, 模型的几何形状 由节点坐标和节点所属单元的连结所确定。 模型中所有的单元和节点的集合成为网格。 通常, 网格只是实际结构几何形状的近似表达。 提示:离散化的几何形体主要在 Part(部件)模块和 Mesh(网格)模块中进行定义。 单元截面属性(Element section properties) ABAQUS 拥有广泛的单元库,其中许多单元的几何形状不能完全由它们的节点坐标来 定义。 例如工字梁截面的尺寸数据就不能通过单元节点来定义, 这些附加的几何数据可由单 元的物理特性定义。 材料数据(Material data) 必须指定所有单元的材料特性。然而,由于高质量的材料数据很难得到,尤其是对于一 些复杂的材料模型, 所以 ABAQUS 计算结果的有效性受材料数据的准确程度和范围的制约。 提示:单元截面属性和材料数据在 Property(特性)模块中进行定义。

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

载荷和边界条件(Loads and boundary conditions) 载荷使物理结构产生变形, 因而产生应力。 最常见的载荷形式包括: 点载荷 (集中载荷) 、 表面压力载荷、体力(如重力)和热载荷等。 应用边界条件可以使模型的某一部分收到约束从而保持固定 (零位移) 或使其移动指定 大小的位移值。 在静态分析中,需要满足足够的边界条件以防止模型在任意方向上的刚体移动,否则, 没有约束的刚体位移会导致刚度矩阵产生奇异。 求解时求解器将发生问题, 并可能引起模拟 过程过早中断。在模拟过程中,如果存在刚体位移,ABAQUS/Standard 将发出警告信息。 如果在静态分析中,出现警告信息“numerical singularity” (数值奇异)或“zero pivot” (主 元素为零) ,用户必须检查是否整个或部分模型缺少限制刚体平动或转动的约束。 在动态分析中, 由于结构模型中的所有分离部分都具有一定的质量, 其惯性力可防止模 型产生无限大的瞬时运动,因此,在动力分析时,求解器的警告信息通常提示了某些其他的 模拟问题,如过度塑性。 提示:载荷和边界条件在 Load(载荷)模块中进行定义。 分析类型(Analysis type) ABAQUS 可以进行多种不同类型的模拟分析。最常见的两种类型是:静态(static)和 动态(dynamic)应力分析。 静态分析获得的是外载荷作用下结构的长期响应。 在其他情况下, 可能用户关心的是结 构的动态响应。 输出要求(Output requests) ABAQUS 的模拟计算过程会产生大量的输出数据。为了避免占用过多的磁盘空间,用 户可根据所研究问题的实际需要对输出数据进行限制。 提示:分析类型和输出需求在 Step(分析步)模块中进行定义。

3.6 ABAQUS 中的常用命令(Commands)
参考: 1.ABAQUS Analysis User's Manual:3.2 Execution procedures 2.ABAQUS/CAE User's Manual:2.1.1 Starting ABAQUS/CAE (or ABAQUS/Viewer) ABAQUS 中 的 所 有 运 算 , 均 通 过 ABAQUS 命 令 调 用 相 应 的 ABAQUS 求 解 器 (ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit)来进行。在 ABAQUS/CAE 中提交作业进行运算 时,实际上 ABAQUS 也是通过 ABAQUS 命令来调用相应的 ABAQUS 求解器来进行的。 使用“ 环境”文件(abaqus_v6.env)可定制 ABAQUS 计算环境。进行 ABAQUS 运算时, ABAQUS 首先在工作目录 (home directory, 一般为 C:\Documents and Settings\Administrator) 寻找此文件,如找到此文件,将把它应用到所有作业中;如未找到此文件,则在当前目录寻 找。 依次点击 [ 开始 ]→[ 所有程序 ]→[ABAQUS 6.5-1]→[ABAQUS Command] ,可以进入 ABAQUS Command 环境, 窗口顶端自动显示 C:\Temp> (假定采用 ABAQUS 默认的工作目 录,否则将显示为用户自定义的工作目录) 。 1.命令约定
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第 2 章 ABAQUS 基础

在 C:\Temp>后输入 abaqus help,按 Enter 键回车,将显示当前版本 ABAQUS 所支持 的所有命令(均以 abaqus 开头) 。在下面的 ABAQUS 命令中,有以下约定: ①黑体字(Boldface)部分为可选项。可选项位置不限,并可被简写; ; ②默认选项下加下划线() ③方括号([])之间的部分是可选的; ④用竖线(|)隔开的部分是相互排斥的; ⑤花括号({})之间的部分必须选择一个; ⑥斜体字(italics)部分必须由用户给定一个值; ⑦空格(blanks)作为选项之间的分隔符,不要在等号(= )之前或之后使用; ⑧格式(option=value)可用格式(-option value)代替。 2.ABAQUS 命令 ABAQUS 所支持的命令可分为以下几类: (1)用于获取信息的命令(Execution procedure for obtaining information) abaqus {help | information={environment | local | memory | release | status | support | system | all} [job=job-name] | whereami} 提示:使用较多的是, abaqus help:用来获取 ABAQUS 所有命令。 (2) 用于 ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit 求解器的命令 (Execution procedure for ABAQUS/Standard and ABAQUS/Explicit) abaqus job=job-name [analysis | datacheck | parametercheck | continue | convert={select | odb | state | all} | recover | syntaxcheck | information={environment | local | memory | release | status | support | system | all}] [input=input-file] [user={source-file | object-file}] [oldjob=oldjob-name] [fil={append | new}] [globalmodel={results file-name | output database file-name}] [cpus=number-of-cpus] [parallel={domain | loop] [domains=number-of-domains] [mp_mode={mpi | threads}] [standard_parallel={all | solver}] [memory=memory-size] interactive | background | queue=[queue-name] [after=time] [double] [scratch=scratch-dir] [output_precision={single | full}] 提示:使用较多的是, abaqus job=job-name interactive (常简写为 abaqus job=job-name int ) :用来进行

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

ABAQUS 分析运算。这是使用最频繁的 ABAQUS 命令之一; abaqus job=job-name user={source-file | object-file} int: 用来进行 ABAQUS 分析运算 (带 用户子程序) 。这是使用最频繁的 ABAQUS 命令之一。 (3)用于 ABAQUS/CAE 的命令(Execution procedure for ABAQUS/CAE) abaqus cae [database=database-file] [replay=replay-file] [recover=journal-file] [script=script-file] [noGUI=noGUI-file] [noenvstartup] [noSavedOptions] [custom=script-file] [noStartupDialog] 提示:使用较多的是, abqus cae: 此命令用来调用 ABAQUS/CAE。 这个命令等同于以下菜单操作: [开始]→[所 有程序]→[ABAQUS 6.5-1]→[ABAQUS CAE]。 (4)用于 ABAQUS/Viewer 的命令(Execution procedure for ABAQUS/Viewer) abaqus viewer [database=database-file] [replay=replay-file] [script=script-file] [noGUI=noGUI-file] [noenvstartup] [custom=script-file] [noStartupDialog] 提示:使用较多的是, abaqus viewer:此命令用来调用 ABAQUS/Viewer。这个命令等同于以下菜单操作:[开 始]→[所有程序]→[ABAQUS 6.5-1]→[ABAQUS Viewer]。 (5)用于 Python 的命令(Execution procedure for Python) abaqus python [script-file] (6)用于参数研究的命令(Execution procedure for parametric studies) abaqus script [=script-file] [startup=startup file-name] [nonenvstartup] (7)用于在线文档的命令(Execution procedure for online documentation) abaqus doc 提示: abaqus doc:此命令用来打开 ABAQUS Documentation(ABAQUS 在线帮助文档) 。这 个 命 令 等 同 于 以 下 菜 单 操 作 : [ 开 始 ]→[ 所 有 程 序 ]→[ABAQUS 6.5-1]→[ABAQUS Documentation] 或 [ 开 始 ]→[ 所 有 程 序 ]→[ABAQUS 6.5 HTML Documentation]→[Documentation]。 (8)用于授权应用的命令(Execution procedure for licensing utilities) abaqus licensing [lmstat | lmdiag | lmpath | lmtools] 提示:使用较多的是, abaqus licensing lmtools:可用来调用 FLEXlm licensing toolchest。这个命令等同于以下 菜单操作:[开始]→[所有程序]→[ABAQUS 6.5-1]→[ABAQUS Licensing]或[开始]→[所有程 序]→[ABAQUS Licensing]→[Licensing utilities]。
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第 2 章 ABAQUS 基础

(9) 用于结果文件 (.fil) 的 ASCII 转换的命令 (Execution procedure for ASCII translation of results (.fil) files) abaqus ascfil job=job-name [input=input-file] (10)用于连接结果文件(.fil)的命令(Execution procedure for joining results (.fil) files) abaqus append job=job-name oldjob=oldjob-name input=input-file ( 11 )用于查询关键词 / 问题数据库的命令( Execution procedure for querying the keyword/problem database) abaqus findkeyword [job=job-name] [maximum=maximum-output] keyword data lines (12)用于 ABAQUS/Fetch 的命令(Execution procedure for ABAQUS/Fetch) abaqus fetch job=job-name [input=input-file] 提示:使用较多的是, abaqus fetch job=job-name: 可用来提取 ABAQUS 程序中 Samples 中的例子 (输入文件、 用户子程序文件、日志文件、参数研究 script 文件或后处理程序) ,是经常使用的 ABAQUS 命令之一。如 C:\Temp>abaqus fetch job=difftocrack_stress ABAQUS FETCH job difftocrack_stress Archive: C:/ABAQUS/6.5-1/samples/job_archive/samples.zip inflating: difftocrack_stress.inp job-name 可使用通配符(*或?) ;如果不指定 job-name 的后缀名,所有与 job-name 相 关的文件将一同被提取。 (13)用于 ABAQUS/Make 的命令(Execution procedure for ABAQUS/Make) abaqus make {job=job-name | library=source-file} [user={source-file | object-file}] [directory=library-dir] (14) 用于输入文件和输出数据库升级程序的命令 (Execution procedure for input file and output database upgrade utility) abaqus upgrade job=job name [input=old-input-file-name | odb=old-odb-file-name] [fromversion=version-number] [previous defaults] (15)用于远程输出数据库连接的命令(Execution procedure for remote output database connector) abaqus networkDBConnector port={serverPortNumber | auto_assigned} [timeout=time out value in seconds] [host=hostname] [stop] [ping]

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

(16)用于固定格式转换程序的命令(Execution procedure for fixed format conversion utility) abaqus free job=job-name input=input-file (17)用于将 NASTRAN bulk 数据文件转换为 ABAQUS 输入文件的命令(Execution procedure for translating NASTRAN bulk data files to ABAQUS input files) abaqus fromnastran job=job-name [input=input-file] [wtmass_fixup={OFF | ON}] [loadcases={OFF | ON}] [pbar_zero_reset=small_real_number] [inside_out_solid_fixup={OFF | ON}] [distribution={OFF | ON}] (18)用于将 PAM-CRASH 输入文件转换为部分 ABAQUS 输入文件的命令(Execution procedure for translating PAM-CRASH input file to partial ABAQUS input files) abaqus frompamcrash job=job-name [input=input-file] (19)用于将 ABAQUS 输出数据库文件转换为 NASTRAN Output2 结果文件的命令 (Execution procedure for translating ABAQUS output database files to NASTRAN Output2 results files) abaqus toOutput2 job=job-name [odb=odb-name] [step=step-number] [increment=increment-number] [slim] [quad4corner] (20)用于 ABAQUS 与 ZAERO 数据交换的命令(Execution procedure for exchanging ABAQUS data with ZAERO) abaqus tozaero job=job-name [unvfile=unv-file-name] [odbfil=odb-file-name] [mtxfil=mtx-file-name] [step=step-number] [mode={text | binary}] (21)用于作业执行控制的命令(Execution procedure for job execution control) abaqus {suspend | resume | terminate} job=job-name 提示: abaqus {suspend | resume | terminate} job=job-name: 用于暂停/继续/终止分析作业,特 别在分析复杂问题时非常有用。这是使用最频繁的 ABAQUS 命令之一。 (22) 用于 MOLDFLOW 的 ABAQUS 接口的命令 (Execution procedure for the ABAQUS Interface for MOLDFLOW) abaqus moldflow job=job-name [input=input-name] [mpi3d] [element_order={1 | 2}]
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第 2 章 ABAQUS 基础

[initial_stress={ON | OFF}] (23) 用于 MSC.ADAMS 的 ABAQUS 接口的命令 (Execution procedures for the ABAQUS Interface for MSC.ADAMS) (24)执行 adams 命令以创建没有应力或应变的模态中性文件的命令(Executing the adams command to create a modal neutral file without stress or strain) abaqus adams job=job-name [input=input-file] [units=mmks | mks | cgs | ips] [length=length-units-name] [mass=mass-units-name] [time=time-units-name] [force=force-units-name] (25)执行 adams 命令以创建具有应力或应变的模态中性文件的命令(Executing the adams command to create a modal neutral file with stress or strain) 创建第二个输入文件(Creating the second input file) abaqus adams job=job-name [input=input-file] [make_se_recovery] [stress_modes={ON | OFF}] [strain_modes={ON | OFF}] [section_point=section_point_number] 从两个结果文件中创建模态中性文件(Creating the modal neutral file from two results files) abaqus adams job=job-name [input=input-file] [se_recovery_job=se_recovery_job-name] [units=mmks | mks | cgs | ips] [length=length-units-name] [mass=mass-units-name] [time=time-units-name] [force=force-units-name]

3.7 ABAQUS 中的常用文件(Files)
参考: 1. ABAQUS/CAE User's Manual: 9.4 Understanding the files generated by creating and analyzing a model 2.ABAQUS Analysis User's Manual:3.6 File extension definitions ABAQUS 程序文件按生成的时间,可以分为模型创建时的文件和模型分析时的文件; 按文件存在的状态,可分为两大类: (1)临时文件 有些文件仅在 ABAQUS 运算过程中产生,当运算结束时,这些文件将自动被删除,如
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

*.lck 文件。这类文件对用户而言意义不大。 (2)永久文件 这些文件由 ABAQUS 程序运算过程中产生,但并不随着运算的结束而被自动删除。如 *.inp 文件、*.odb 文件等。这类文件是用户经常要接触的文件类型。

3.7.1 常用文件
在使用 ABAQUS 进行运算时,最常用的文件如下: (1)inp 文件 模型输入文件(input file) 。当提交一个作业进行分析时,ABAQUS/CAE 将自动在工作 目录产生一个*.inp 文件,这个文件可供 ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit 进行分析求 解。 在 ABAQUS/CAE 中,可点击主菜单[File]→[Import]→[Model…],选择*.inp 文件后,可 导入一个 Orphan Mesh,供分析之用。 提示:可以这样说,*.inp 文件是 ABAQUS 分析中最重要的文件,因为*.inp 包含了分析问 题所需要的全部参数,只需要这一文件就可进行问题的分析。有时*.cae 中并不能包含全部 的计算参数,因为*.inp 中的某些关键字是无法在 ABAQUS/CAE 中实现的。 *.inp 文件可由任意的文字编辑器(如记事本程序、写字板程序等)进行编辑修改。 (2)cae 和 jnl 文件 模型数据库(model database file)和日志文件(journal file) 。对初学者来说,这两种 文件是最有用的文件之一。 当在主菜单上点击[File]→[Save]时,ABAQUS/CAE 将生成*.cae 和*.jnl 文件。其中*.cae 文件中包含了分析模型以及相关的分析作业等模型数据; *.jnl 文件包含了 ABAQUS/CAE 的 命令,可用来重新生成模型数据库。 提 示 : *.cae 文 件 和 *.jnl 文 件 构 成 支持 ABAQUS/CAE 的 两 个 重 要 文 件 ,要保 证 在 ABAQUS/CAE 环境下打开一个项目,这两个文件必须同时存在。 如果只有*.cae 文件,而没有相应的*.jnl 文件,ABAQUS/CAE 将出现如图 1.41 所示的 警告窗口(当 ABAQUS/CAE 出现非正常错误时,所有对模型数据的修改将不能恢复) 。

图 3.42 不存在*.jnl 文件时的警告信息

(3)odb 文件 输出数据库文件(output database file) 。这类文件是进行后处理的基础。 *.odb 文件中保存了模型分析的结果。在 ABAQUS/CAE 中的 Step 模块中,可指定输出 到*.odb 文件的变量和输出频率。 (4)dat 和 msg 文件 打印输出(printed output file)和信息文件(message file) 。这两种文件是进行分析过 程诊断的重要文件。
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第 2 章 ABAQUS 基础

*.dat 文件包含了输入文件处理器(input file processor)的输出内容,以及分析过程中的 指定结果。在每个分析步结束时,ABAQUS/CAE 将自动输出当前分析步的默认输出信息, 用户不能对*.dat 文件中内容进行额外的控制。ABAQUS/Explicit 不在*.dat 文件输出分析结 果。 *.msg 文件中包含了分析过程中的诊断和提示信息(如分析计算中的平衡迭代次数、计 算时间等) 。在 ABAQUS/CAE 中的 Step 模块中,用户可以控制诊断信息的内容。如果在 ABAQUS/Standard 分析中进行了单元操作的并行分析,将产生多个信息文件,这时将在每 个文件名上加上处理标识符。 提示:当 ABAQUS 运行异常终止时,应首先*.dat 文件中查找出错的原因,一般比较简单的 错误如误写关键字等,可在此文件中找到解决办法;当出现不收敛等问题时,则应在*.msg 文件中查错,如网格密度过小、材料参数不正确等。 (5)sta 文件 状态文件(status file) 。*.sta 文件是了解分析过程信息的窗口,在分析复杂问题进行时 间安排时尤其有用。 *.sta 文件包含了分析过程的信息。此外,在 ABAQUS/CAE 中的 Step 模块中,可将单 个节点的单个自由度输出到该类文件中。 提示:采用不同求解器进行求解时,将产生不同的*.sta 文件。如由 ABAQUS/Standard 求解 器产生的*.sta 文件,如下所示:
ABAQUS/STANDARD Version 6.5-1 SUMMARY OF JOB INFORMATION: STEP INC ATT SEVERE EQUIL TOTAL TOTAL DISCON ITERS ITERS TIME/ ITERS 1 1 1 0 1 FREQ 1 1.00 1.00 1.000 STEP TIME/LPF INC OF TIME/LPF DOF IF MONITOR RIKS DATE 11-Feb-2007 TIME 16:19:46

THE ANALYSIS HAS COMPLETED SUCCESSFULLY

由 ABAQUS/Explicit 求解器产生的*.sta 文件,如下所示(部分内容) :
…… STEP 1 ORIGIN 0.0000

Total memory used for step 1 is approximately 49.7 megabytes. Global time estimation algorithm will be used. Scaling factor: 1.0000 Percentage change in total mass at the start of step: 0.0000 STEP INCREMENT TIME TOTAL TIME CPU TIME STABLE INCREMENT 7522 CRITICAL KINETIC ENERGY

ELEMENT 0.000E+00

0 0.000E+00 0.000E+00 ODB Field Frame Number 0 of

00:00:00 3.018E-06

INSTANCE WITH CRITICAL ELEMENT: CRACKCAE-DYNAMIC-3D-1 10 requested intervals at increment zero. 00:02:00 3.919E-06 00:04:00 3.919E-06 00:06:00 3.915E-06 7522 7522 7519 1.487E+00 3.107E+00 3.470E+00 342 1.332E-03 1.332E-03 762 2.978E-03 2.978E-03 1191 4.658E-03 4.658E-03

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

1621 6.341E-03 6.341E-03 2051 8.023E-03 8.023E-03 2481 9.705E-03 9.705E-03 2557 1.000E-02 1.000E-02 …… ODB Field Frame Number 9 of

00:08:00 3.913E-06 00:10:00 3.912E-06 00:12:00 3.912E-06 00:12:22 3.912E-06

7522 7519 7519 7519

3.703E+00 3.961E+00 4.992E+00 5.058E+00

10 requested intervals at 9.000323E-02 01:49:59 3.912E-06 01:51:59 3.912E-06 01:53:59 3.912E-06 01:55:59 3.912E-06 01:57:59 3.912E-06 01:59:53 3.912E-06 7522 7522 7522 7522 7522 7522 3.169E+00 3.537E+00 3.297E+00 3.295E+00 4.327E+00 4.568E+00

23438 9.168E-02 9.168E-02 23868 9.336E-02 9.336E-02 24298 9.505E-02 9.505E-02 24728 9.673E-02 9.673E-02 25158 9.841E-02 9.841E-02 25565 1.000E-01 1.000E-01 Restart Number 1 at 0.10000 10 of ODB Field Frame Number

10 requested intervals at 1.000000E-01

THE ANALYSIS HAS COMPLETED SUCCESSFULLY

(6)f 文件 用 户 子 程 序 或 其 它 特 定 用 途 的 FORTRAN 文 件 ( User subroutine or other special-purpose FORTRAN file) 。用户在编写用户子程序文件时经常用到。 安装完 ABAQUS 程序时,在 C:\ABAQUS\6.5-1\samples\job_archive(假设 ABAQUS 安 装在 C:\ABAQUS)目录下会生成 samples.zip,打开该文件时,会看到很多*.f 文件。在使用 这些*.f 文件时,需要将其改为*.for 文件。

3.7.2 其它文件
(1)rpy 文件 应答文件(replay file) 。当用户开始一个会话(session)定义模型时,ABAQUS/CAE 会生成*.rpy 文件。*.rpy 文件记录了会话(session)过程中所有模型操作的命令。 (2)rec 文件 恢复文件(recover file) 。当用户继续进行模型操作时,ABAQUS/CAE 除生成*.rpy 文 件外,还会生成*.rec 文件。 *.rec 文件包含了恢复内存中模型数据库的 ABAQUS/CAE 命令,但仅仅包含最后存储 文件以来的命令。 (3)lck 文件 锁定文件(lock file) 。当对输出数据库文件(*.odb)进行写操作,或当分析过程中对 输出数据库文件(*.odb)进行写操作时,ABAQUS 将产生*.lck 文件。*.lck 文件阻止同时对 输出数据库文件(*.odb)进行写操作。当输出数据库文件(*.odb)关闭后,或运算终止时, lock file 将自动被删除。 提示:特别地,当某一运算结束之前被异常终止时(如进行 ABAQUS 运算时关闭 ABAQUS Command 窗口) ,*.lck 文件将不会被自动删除。如不删除*.lck 文件,再次进行该运算时, 将出现如下错误信息: ABAQUS Error: Detected lock file crackcae.lck. Please confirm that no other appl ications are attempting to write to the output database associated with this job
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第 2 章 ABAQUS 基础

before removing the lock file and resubmitting. ABAQUS/Analysis exited with errors 这时,应先删除*.lck 文件,再进行运算。 (4)res 文件 重启动文件(restart file) 。*.res 文件可用来继续进行一个完成之前被暂停的分析。在 ABAQUS/CAE 中的 Step 模块中,可以指定为哪些分析步输出重启动分析以及输出频率;在 ABAQUS/Explicit 中, 在 Step 模块中指定的重启动分析信息将写入状态文件 (state file, *.abq) 中。 (5)fil 文件 结果文件(result file) 。*.fil 文件包含分析中所指定的结果,*.fil 文件可供其它后处理 程序进行处理。 子模型分析 (submodel analysis) 可从输出数据库 (*.odb) 或结果文件 (*.fil) 中读入全局模型结果。 默认情况下,ABAQUS/CAE 中的分析不创建结果文件。 (6)log 文件 日志文件(log file) 。*.log 文件包含了当前 ABAQUS 执行程序所调用模块的开始和结 束时间。 (7)mdl 和 stt 文件 模型文件(model file)和状态文件(state file) 。*.mdl 文件和*.stt 文件用于重启动分析。 *.mdl 文件由 ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit 求解器中的 datacheck 选项所创建。 ABAQUS/Standard 求 解 器 中 analysis 和 continue 选 项 可 以 读 写 这 两 种 文 件 ; ABAQUS/Explicit 求解器只可以读入这两种文件。 如果在 ABAQUS/Standard 分析中进行了单元操作的并行分析,将产生多个模型文件和 状态文件,这时将在每个文件名上加上处理标识符。 (8)abq 文件 状态文件(state file) 。*.abq 文件用于重启动分析。 *.abq 文件仅用于 ABAQUS/Explicit,由 analysis、continue 和 recover 选项创建,可由 convert 和 recover 选项读入。 (9)com 文件 执行文件(commander file) 。*.com 文件由 ABAQUS 执行程序所创建。该类文件对用 户意义不大。 (10)ipm 文件 进程信息文件(Interprocess message file) 。当从 ABAQUS/CAE 中进行分析时,将产生 *.ipm 文件, 它包含了 ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit 传给 ABAQUS/CAE 的所有信 息。 (11)pac 文件 包装文件(package file) 。*.pac 文件用于重启动分析。 *.pac 文件包含了模型信息,仅用于 ABAQUS/Explicit。由 analysis 和 datacheck 选项创 建,可由 analysis、continue 和 recover 选择读入。 (12)prt 文件 部件文件(part file) 。*.prt 文件可用来存储部件(part)和装配件(assembly)信息。 在重启动(restart) 、输入(import) 、顺序热应力耦合分析(sequentially coupled thermal-stress analysis) 、对称模型生成(symmetric model generation)和水下爆破分析(underwater shock analysis)时,需要该类文件。在子模型分析时也需要该类文件。 (13)sel 文件
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

选择结果文件(selected results file) 。*.sel 文件用于重启动分析。 *.sel 文件用于 ABAQUS/Explicit 。由 analysis 、 continue 和 recover 选项创建,由 convert=select 选择读入。 (14)023 文件 通讯文件(communications file) 。*.023 文件由 analysis 和 datacheck 选项创建,可由 analysis 和 continue 选项读入。

3.8 ABAQUS 中的帮助文档
ABAQUS 具有一套内容丰富和完整的文档(图 3.43) ,包括印刷品文档和在线文档两种 形式。最常用的帮助文档有:

图 3.43 ABAQUS 中的帮助文档

ABAQUS 分析用户手册(ABAQUS Analysis User’s Manual) 这是最常用的 ABAQUS 手册,包含 ABAQUS 的所有功能。包括对单元、材料模型、 分析过程、输入格式等内容的完整描述。 ABAQUS/CAE 用户手册(ABAQUS/CAE User’s Manual) 该手册对初学者非常有用,通过三个便于理解的教程详细说明了如何运用 ABAQUS/CAE 生成模型、分析、结果评估和可视化。 ABAQUS 实例手册(ABAQUS Example Problems Manual) 该手册包括多达 75 个详细的实例,设计这些例子用来演示那些有意义的线性和非线性 计算分析的方法和结果。 典型的例题有: 地基作用下土壤的固结; 金属薄板的大变形拉伸等。 每一个例题的说明中都包含了对单元类型和网格密度选择的讨论。 ABAQUS 关键词参考手册(ABAQUS Keyword Reference Manual)
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第 2 章 ABAQUS 基础

该手册提供了在 ABAQUS 中全部输入选项的完整描述,包括对每个选项中可能使用的 任何参数的说明。该书册对于编写 inp 文件具有非常重要的帮助。 ABAQUS 网上服务 上面提供了各种关于 ABAQUS 的有用信息, ABAQUS 公司的主页为 www.abaqus.com, 包括: 经常遇到的问题; ABAQUS 系统信息和计算机的硬件要求; 标准校核文档; 出错状态报告; ABAQUS 文档价格表 技术培训班日程; 通讯简报。

3.9 本章小结
本章是 ABAQUS 的基础部分,主要介绍 ABAQUS 的组成、ABAQUS/CAE 中的分析模 块与常用工具、 分析模型组成、 常用命令及其常用文件类型, 为初学者了解和学习 ABAQUS 打下基础。 (1)ABAQUS 主要由 ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit 两个分析模块组成, ABAQUS/CAE 是其默认的前后处理器。 (2)ABAQUS/CAE 主要由菜单栏、工具栏、环境栏、模型树、工具区、视图区和提 示区等组成,其中模型树是 ABAQUS/CAE 的独有工具。 (3) ABAQUS/CAE 中常用模块有 10 个, 依次为 Part (部件) 、 Property (特性) 、 Assembly (装配) 、Step(分析步) 、Interaction(相互作用) 、Load(载荷) 、Mesh(网格) 、Job(作 业) 、Visualization(可视化)和 Sketch(绘图) 。这也是 ABAQUS 推荐的建模顺序。 (4)ABAQUS/CAE 中的常用工具有:查询(Query) 、集合(Set) 、面(Surface) 、剖 分(Partition) 、数据点(Datum)等,可为模型定位、网格划分等提供非常便捷的条件。 (5)ABAQUS 分析模型至少要包含如下信息:离散化的几何形体、单元截面属性、材 料数据、载荷和边界条件、分析类型和输出要求。 (6)ABAQUS 中常用的命令有:abaqus job=job-name int 或 abaqus job=job-name user={source-file | object-file} int,这些命令的灵活使用将为 ABAQUS 学习带来极大方便。 (7)ABAQUS 中的常用文件有:inp 文件、cae 与 jnl 文件、odb 文件、dat 与 msg 文件 等,其中 inp 文件中包含了所分析问题的全部信息。

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

第4章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT
参考: 3. ABAQUS online documentation. ABAQUS Analysis User's Manual: Part IV: Materials. 2005 4. ABAQUS online documentation. ABAQUS Analysis User's Manual : Part IX: User Subroutines and Utilities. 2005 5. 王金昌,陈页开. ABAQUS 在土木工程中的应用[M]. 杭州:浙江大学出版社,2006 6. 付凯敏. 沥青路面结构车辙模拟及抗车辙性能研究[D]:[硕士学位论文]. 东南大学,2008

4.1 道路工程中常用材料的本构模型
在传统的道路工程(包含部分岩土工程)设计计算方法中,材料模型一般采用线弹性模 型。 由于线弹性模型中没有定义材料的粘性和塑性部分, 进而无法真实地模拟沥青路面结构 中沥青层的车辙问题、软土地基的固结沉降问题等。 ABAQUS 软件中包含了丰富的材料模型,如 弹性模型: 线弹性模型,可以定义材料的模量、泊松比等弹性特性; 正交各向异性弹性模型,具有多种典型失效理论,用于复合材料结构分析; 多孔弹性模型,用于模拟土壤和可挤压泡沫的弹性行为; 亚弹性,可以考虑应变对模量的影响; 超弹性,可以模拟橡胶类材料的大应变影响; 粘弹性,时域和频域的粘弹性材料模型。 塑性模型: 扩展 Drucker-Prager 模型,适合于沙土等粒状材料的不相关流动的模拟; Capped Drucker-Prager 模型,适合于地质、隧道挖掘等领域; Cam-Clay 模型,适合于粘土类材料的模拟; Mohr-Coulomb 塑性模型, 这种模型与 Capped Druker-Prager 模型类似, 但可以考虑不光 滑小表面情况; 混凝土材料模型,这种模型包含了混凝土弹塑性破坏理论; 渗透性材料模型, 提供了依赖于孔隙比率、 饱和度和流速的各向同性和各向异性材料的 渗透性模型。 这些经典材料模型为解决道路工程中常见问题提供了有利条件。 但道路工程中某些材料 特性,如沥青混合料的修正 Burgers 模型、级配碎石材料的 k-θ 模型和土的 Duncan-Chang 模型等,这些材料模型并没有包含在 ABAQUS 软件中。为弥补这些不足,ABAQUS 软件为 用户提供了用户自定义材料模型的子程序接口 UMAT(User-Defined Material Mechanical Behavior) ,方便用户添加自己需要的材料本构模型。

4.2 典型的弹性模型和塑性模型
1.线弹性模型
这是使用最广泛的材料模型之一,它基于广义虎克定律,包括各向同性弹性模型、正交 各向异性模型和各向异性模型。
48

第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

线弹性模型的本构方程为

σ = D el ε el

( 4.1 )

式中,σ 为应力分量向量,εel 为应变分量向量,Del 为弹性矩阵。 (1)各向同性弹性模型 最简单的线弹性模型为各向同性线弹性模型,它具有 6 个应力/应变分量(对于平面问 题,只有 3 个应力/应变分量) ,其应力-应变的表达式为:

?ε11 ? ? 1/ E ? ? / E ? ? / E 0 ?ε ? ? ? 22 ? ?? ? / E 1/ E ? ? / E 0 ? ?ε 33 ? ? ?? ? / E ? ? / E 1/ E 0 ? ?=? 0 0 1/ G ?γ 12 ? ? 0 ?γ 13 ? ? 0 0 0 0 ? ? ? 0 0 0 ? ?γ 23 ? ? ? 0

0

? ?σ 11 ? ? ? 0 0 ? ?σ 22 ? ? 0 0 ?? ?σ 33 ? ? ?? ? 0 0 ? ?σ 12 ? 1/ G 0 ? ?σ 13 ? ?? ? 0 1/ G ? ? ?σ 23 ? ? 0

( 4.2 )

各向同性线弹性模型的模型常数为杨氏模量 E (Young’s Modulus) 和泊松比 μ (Poisson’s Ratio) ,剪切模量 G 是 E 和 μ 的函数关系式,其表达式如下:

G=

E 2 (1 + ? )

( 4.3 )

弹性模型参数可定义为场变量(如温度)的函数。 各向同性弹性模量的用法: 输入文件用法:*ELASTIC, TYPE=ISOTROPIC 或*ELASTIC ABAQUS/CAE 用法:Property module: material editor: Mechanical→Elasticity→Elastic: Type: Isotropic

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

图 4.1 各向同性线弹性模型用法(ABAQUS/CAE)

2.正交各向异性弹性模型
正交各向异性的独立模型参数为 3 个正交方向的杨氏模量 E1、E2、E3,3 个泊松比 μ12、 μ13、μ23,3 个剪切模量 G12、G13、G23,其应力-应变的表达式为:

0 0 ? ?σ 11 ? ?ε11 ? ? 1/ E1 ? ?12 / E2 ? ?13 / E3 0 ? ?σ ? ?ε ? ?? ? / E 1/ E ? ? / E 0 0 0 ? 2 23 3 ? 22 ? ? 12 1 ? 22 ? ?? ?13 / E1 ? ?23 / E2 1/ E3 0 ?? ? 0 0 ? ?ε 33 ? ? ? ?σ 33 ? ? ? ?=? ?? ? 0 0 1/ G12 0 0 ? ?σ 12 ? ?γ 12 ? ? 0 ?γ 13 ? ? 0 0 0 0 1/ G13 0 ? ?σ 13 ? ? ? ? ?? ? γ 0 0 0 0 0 1/ G ? ? ? ? 23 ? ? ?σ 23 ? ? 23 ? ??

( 4.4 )

正交各向异性弹性模量的用法: 输入文件用法:*ELASTIC, TYPE=ENGINEERING CONSTANTS ABAQUS/CAE 用法:Property module: material editor: Mechanical→Elasticity→Elastic: Type: Engineering Constants

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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

图 4.2 正交各向同性线弹性模型用法(ABAQUS/CAE)

在正交各向异性模型中, 如果材料的某个平面上的性质相同, 即为横观各向同性弹性体, 假定 1-2 平面为各向同性平面, 那么有 E1=E2=Ep, μ31=μ32=μtp, μ13=μ23=μpt, 以及 G13=G23=Gt, 其中 p 和 t 分别代表横观各向同性体的横向和纵向,因此,横观各向同性体的应力-应变表 达式为:

0 0 ? ?σ 11 ? ?ε11 ? ? 1/ E p ? ? p / E p ? ? pt / Et 0 ? ? ? ? ? ? p / E p 1/ E p ? ? pt / Et 0 0 0 ? ?σ 22 ? ε ? 22 ? ? ? ? ?? ? / E ? ? / E ? ?σ ? ? ? ε 1/ E 0 0 0 ? 33 ? ? tp p ? ? 33 ? tp p t ? ?=? ?? ? 0 0 1/ G p 0 0 ? ?σ 12 ? ?γ 12 ? ? 0 ?γ 13 ? ? 0 0 0 0 1/ Gt 0 ? ?σ 13 ? ? ? ? ?? ? γ ? ? ?σ ? ? ? 0 0 0 0 0 1/ G ? 23 ? ? t ? ? 23 ?

( 4.5 )

其中,G p = E p / 2 1 + ? p ,所以,该模型的独立模型参数为 5 个。横观各向同性弹性模型 用法与正交各向异性模型用法相同。

(

)

3.Mohr-Coulomb 塑性模型
Mohr-Coulomb 破坏和强度准则在岩土工程和道路工程中的应用十分广泛,大量的岩土 工程和道路工程设计计算都采用了 Mohr-Coulomb 强度准则。
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

该模型具有以下特征:①模拟服从经典 Mohr-Coulomb 屈服准则的材料;②允许材料各 向同性硬化或软化;③采用光滑的塑性流动势,该流动势在子午面(图 4.3)上为双曲线形 状,在偏应力平面上为分段椭圆形;④可与线弹性模型组合使用;⑤在岩土工程领域,可用 来模拟单调荷载作用下材料的力学行为。

图 4.3 常用应力平面(偏平面和子午面)

(1)屈服准则 Mohr-Coulomb 屈服准则假定:作用在某一点的剪应力等于该点的抗剪强度时,该点发 生破坏,剪切强度与作用于该面的正应力呈线性关系。Mohr-Coulomb 塑性模型是基于材料 破 坏 时 应 力 状 态 的 摩 尔 圆 提 出 的 , 破 坏 线 是 与 这 些 摩 尔 圆 相 切 的 直 线 ( 图 4.4 ) , Mohr-Coulomb 屈服准则如下:

τ = c ? σ tan φ

( 4.6 )

式中,τ 为剪切强度,c 为材料的粘聚力,σ 为正应力(压应力时为负) ,φ 为材料的内摩擦 角。

图 4.4 Mohr-Coulomb 破坏模型
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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

(2)屈服特性 采用应变不变量时,Mohr-Coulomb 模型的屈服面方程为:

F = Rmc q ? p tan φ ? c = 0

( 4.7 )

式中,φ(θ,fα)为材料在子午面上的摩擦角,θ 为温度,fα,α=1,2,…,为待定变量; c( ε
pl

,θ,fα)表示材料粘聚力按等向硬化(或软化)方式的变化过程; ε

pl

为等效

& pl = σ : ε & pl ; 塑性应变,其应变率可定义为塑性功的表达式: cε
Rmc 为 Mohr-Coulomb 模型的偏应力系数,定义为

Rmc (θ , φ ) =

1 π? 1 π? ? ? sin ? θ + ? + cos ? θ + ? tan φ 3? 3 3? 3 cos φ ? ?

( 4.8 )

式中,φ为 Mohr-Coulomb 屈服面在 p-Rmcq 平面上的斜角,一般指材料的内摩擦角;θ 为广

?r? ,p 为等效压应力,q 为 Mises 等效应力。 义剪应力方向角( cos ( 3θ ) = ? ? ) ?q?
摩擦角 φ 同样控制材料在 π 平面上屈服面的形状,如图 4.5 所示。摩擦角的取值范围是 0 ≤φ≤90o,当 φ=0o 时,Mohr-Coulomb 模型退化为与围压无关的 Tresca 模型,此时 π 平面 上的屈服面为正六边形,当 φ=90o 时,Mohr-Coulomb 模型将演化为 Rankine 模型,此时 π 平 面 上的 屈服 面 为正 三边 形, 而且 Rmc→∞ ,在 ABAQUS 中 这 种极 限状 态 不允 许在 Mohr-Coulomb 模型中出现。
o

3

图 4.5 Mohr-Coulomb 在子午面和 π 平面上的屈服面

提示:ABAQUS 中,定义屈服面时常用的应力不变量有: (1)等效围压应力 p

1 1 p = ? trace (σ ) = ? (σ 11 + σ 22 + σ 33 ) 3 3
(2)Mises 等效应力 q

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q=

3 (S : S ) 2
1/ 3

(3)第三应力不变量 r

?9 ? r = ? S ?S : S ? ?2 ?

=

1/ 3 9 Sij S jk S ki ) ( 2

在 ABAQUS 中,除了 Mohr-Coulomb 模型,在所有的模型中均定义了偏应力值 t(可用 来表示 π 平面上屈服面的“圆度” ) ,其表达式见式 4.10。 (3)Mohr-Coulomb 模型用法 弹性部分通过命令*Elastic 定义,该弹性为各向同性弹性。 材料的硬化通过命令*MOHR COULOMB HARDENING 给出,认为服从各向同性粘聚 硬化。硬化曲线必须描述出粘聚屈服应力(yield cohesion)与塑性应变的关系,需要时可以 考虑为温度等场变量的函数。 输入文件用法:*MOHR COULOMB *MOHR COULOMB HARDENING ABAQUS/CAE 用法: Property module: material editor: Mechanical → Plasticity→ Mohr Coulomb Plasticity: Hardening

图 4.6 Mohr-Coulomb 模型用法(ABAQUS/CAE)
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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

4.线性 Drucker-Prager 模型
ABAQUS 对经典的 Drucker-Prager 模型进行了扩展,扩展的 Drucker-Prager 模型的屈服 面在 π 平面上不是圆形的,屈服面在子午面上包括线性模型、双曲线模型和指数模型。扩展 的 Drucker-Prager 模型具有如下特点:①用来模拟土、岩石等摩擦材料,这些材料的屈服与 围压有关,围压越大,材料的强度越高;②允许材料各向同性硬化或软化;③考虑了材料的 剪胀性; ④可以模拟蠕变功能以描述材料的长期非弹性变形; ⑤可用来模拟单调加载下材料 的力学行为。 (1)屈服准则 Drucker-Prager 模型的屈服准则取决于屈服面在子午面中的形状。在 ABAQUS/Standard 中,屈服面可以为线性、双曲线或者一般指数函数形式;而在 ABAQUS/Explicit 中,只能使 用线性模型。线性模型在子午面上的屈服面如图 4.7 所示。

图 4.7 子午面上的屈服面(线性 Drucker-Prager 模型)

线性 Drucker-Prager 模型的屈服准则为(由三个应力不变量 p、q、r 表示) :

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F = t ? p tan β ? d = 0

( 4.9 )

式中,t 为偏应力参数,其定义如式 4.10 所示,不同的 t 值对应 π 平面上拉伸和压缩的不同 应力值,所以增加了拟合实验数据的灵活性,但由于 π 平面上屈服面太光滑,使其与 Mohr-Coulomb 模型的屈服面一致性不好。
3 1 ? 1 ? 1 ?? r ? ? t = q ?1 + ? ? 1 ? ? ? ? ? 2 ? K ? K ?? q ? ? ? ?

( 4.10 )

β(θ,fi)为线性屈服面在 p-t 应力平面上的倾角,通常指材料的摩擦角。 d 为材料的粘聚力, 其值与输入的硬化参数 σc 有关, 当硬化参数由单轴压缩试验参数 σc 定 义 时 , d = ?1 ?

? ?

1 ? tan β ? σ c ; 当 硬 化 参 数 由 单 轴 拉 伸 试 验 参 数 σt 定 义 时 , 3 ?

?1 1 ? d = ? + tan β ? σ t , 而 当 硬 化 参 数 由 纯 剪 切 试 验 参 数 d ( 粘 聚 力 ) 定 义 时 , ?K 3 ?
d= 3 ? 1? τ ? 1 + ? ;d,σc 和 σt 均为等向硬化参数。 2 ? K?

K(θ,fi)为三轴拉伸屈服应力与三轴压缩屈服应力之比,因此该值控制着屈服面对中 间主应力值的依赖性。 若采用单轴压缩试验定义材料硬化,线性屈服准则要求内摩擦角 β 不能大于 71.5o。当 K=1 时,t=q,屈服面在 π 平面上为 Von Mises 圆,这种情况下三轴拉伸应力与三轴压缩应力 相等。为了保证屈服面外凸,要求 0.778≤K≤1.0。 (2)屈服特性 线性 Drucker-Prager 模型在 π 平面上的屈服面不是圆形,如图 4.8 所示,非圆形的屈服 面可以真实地反映不同的三轴拉伸和压缩屈服强度,π 平面上的塑性流动以及不同的摩擦角 和剪胀角。

图 4.8 π 平面上线性 Drucker-Prager 模型的典型屈服面

当实验数据以粘聚力和内摩擦角的形式给出时,可以采用线性 Drucker-Prager 模型进行
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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

模型参数的标定。 (3)线性 Drucker-Prager 模型用法 输入文件用法:*DRUCKER PRAGER, SHEAR CRITERION=LINEAR ABAQUS/CAE 用 法 : Property module: material editor: Mechanical → Plasticity → Drucker-Prager: Shear criterion: Linear

4.3 道路工程常见材料模型及 UMAT
4.3.1 道路工程中常见材料模型
1.沥青混合料的 Burgers 模型
Burgers 模型常用来表征沥青混合料的高温蠕变行为。ABAQUS 软件自带的蠕变模型
cr m +1 & cr = A(σ cr ) n t m 或 ε & cr = ( A(σ cr )n ? ε ,主 ? (m + 1)ε ? ? ) (均采用 Bailey-Norton 蠕变规律) m 1

要用来描述金属的蠕变行为, 不能区分出粘弹性变形及粘性流动变形。 而在沥青路面车辙分 析中, 对车辙有影响的主要是粘性流动变形, 而粘弹性变形可以逐渐恢复。 因此采用 Burgers 模型来描述沥青混合料的高温蠕变行为更合适。 (1)Burgers 模型 Burgers 模型是由 Maxwell 模型与 Kelvin 模型串联组成的四单元模型。

图 4.9 Burgers 模型及蠕变变形曲线

Burgers 模型蠕变方程为:

ε =σ0 ?
加载:

?1 ? t 1 + + (1 ? e ?τ t ) ? ? E1 η1 E2 ?
0 0

( 4.11 )

卸载:

ε = σ 0 ? 1 + (1 ? e ?τ t ) e?τ (t ?t ) ? ?η1 E2 ?

?t

1

?
,其中

τ=

η2

E2
( 4.12 )

Burgers 模型将沥青混合料的永久变形表征为时间的线性函数,而实际上沥青混合料的 粘性流动变形并不随荷载作用时间的延长而无限增加, 而是随着时间的推移, 粘性流动变形 的增量逐渐减小,最终使粘性流动变形趋于一个稳定值,即产生所谓的“固结效应” 。可见, Burgers 模型没有反映出沥青混合料永久变形的固结效应。 (2)修正的 Burgers 模型 修正的 Burgers 模型是在 Burgers 模型的基础上,对其第一粘性元件进行非线性修正, 即将 Burgers 模型中表征材料粘性流动变形特性的外部粘壶元件扩展为广义粘壶,且使其粘 度为 η1(t)=AeBt。
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

图 4.10 修正的 Burgers 模型

修正的 Burgers 模型蠕变方程为:

ε =σ0 ?
加载:

?1 ? 1 1 + 1 ? e ? Bt ) + (1 ? e ?τ t ) ? ( E2 ? E1 AB ?

( 4.13 )

ε =σ0 ?
卸载:

? 1 1 ?τ t ? t ? 1 ? e ? Bt0 + 1 ? e ?τ t0 e ( 0 ) ? E2 ? AB ?

(

)

(

)

τ=
,其中

η2

E2
( 4.14 )

可以看出,采用修正的 Burgers 模型,弥补了 Burgers 模型的不足,能够反映出沥青混 合料永久变形的“固结效应” ,从而有效地表征了沥青混合料的变形特性。

2.级配碎石材料的 k-θ 模型
大量的研究表明,级配碎石材料回弹行为的影响因素有:粒料种类、级配、密实度、含 水量以及所受应力状态等, 其中应力状态影响最大。 这种影响使得级配碎石回弹模量具有依 赖于应力状态而变的非线性特性(应力依赖性模型) ,即:

E = K1θ K 2
式中: E ——级配碎石回弹模量(MPa) ; θ ——第一应力不变量,θ=σ1+2σ3(MPa) ; K1、K2 ——回归系数。

( 4.15 )

3.土的 Duncan-Chang 模型
1963 年, Kondner 根据大量土的三轴试验的应力应变关系曲线, 指出可以用双曲线拟合 出一般土的三轴试验(σ1-σ3)~εα 曲线,如图 4.11 所示,其表达式为

σ1 ? σ 3 =

a + bε α

εα

( 4.16 )

其中,a,b 为试验常数。Duncan 等人根据这一双曲线应力应变关系提出了目前被广泛应用 的增量弹性模型,即 Duncan-Chang 模型。

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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

图 4.11 土的应力应变双曲线

Duncan-Chang 模型为非线性弹性模型,该模型为切线模型,即是建立在增量应力应变 关系基础上的弹性模型,模型参数 Et、μt 是应力的函数。 切线弹性模量的表达式为

Et = (1 ? R f s ) Ei
2

( 4.17 )

式中,Ei 为初始模量,其表达式为

?σ ? Ei = kPa ? 3 ? ? Pa ?
Rf 为破坏比,其表达式为

n

( 4.18 )

Rf =

(σ 1 ? σ 3 ) f (σ 1 ? σ 3 )ult

( 4.19 )

s 为破坏比,它表示当前应力圆直径与破坏应力圆直径之比,反映强度发挥程度,其表 达式为

s=

σ1 ? σ 3 (σ 1 ? σ 3 ) f

( 4.20 )

破坏偏应力(σ1-σ3)f 与固结压力 σ3 有关,其表达式为

(σ 1 ? σ 3 ) f
体变模量 Bt 的表达式为

=

2c cos ? + 2σ 3 sin ? 1 ? sin ?

( 4.21 )

?σ ? Bt = kb Pa ? 3 ? ? Pa ?
切线泊松比 μt 为

nb

( 4.22 )

?t = ?

1 2

Et 6 Bt

( 4.23 )

为了反映土变形的可恢复部分与不可恢复部分,Duncan-Chang 模型在弹性理论的范围 内,采用了卸载—再加载模量不同于初始加载模量的方法,卸载模量的 Eur 的表达式为

?σ ? Eur = kur Pa ? 3 ? ? Pa ?

n

( 4.24 )

在有限元计算中要给出一个在什么情况下使用 Eur 的标准,实际上是一个屈服准则。当 然,这里不需要像弹塑性模型的屈服准则那么严格,只要有一个粗略的规定即可。可以采用
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

这样的标准:当 σ1-σ3<(σ1-σ3) ,且 s<s0 时,用 Eur,否则用 Et。这里的(σ1-σ3)为历史上 曾经达到的最大偏应力,s0 为历史上曾达到的最大应力水平。 Duncan-Chang 模型没有给出固结压力降低情况下弹性模量的确定方法,这是另一种性 质的回弹。固结压力降低后为超固结土,其回弹模量与先期固结压力有关。在有限元计算中 可作这样的处理:当 σ3 降低时,用历史上曾经达到的最大固结压力 σ30 计算 Ei,再以式 4.17 求 Et,式 4.17 中的应力水平 s 仍用当前固结压力 σ3,计算 Eur 和计算 Et 一样,也应用 σ30。 Depvar=3,即为历史上曾达到的最大偏应力(σ1-σ3)0,历史上曾经达到的最大固结压 力 σ30 和历史上曾达到的最大应力水平。在输入文件 inp 中,要给出这些状态变量的初始值。 *initial conditions,type=solution Set,var1,var2,var3 Duncan-Chang 模型的模型参数(共 9 个)为:k,n,Rf,c,φ,Pa,kb,nb,kur *material,name=soil *depvar 3, *user material,constants=9 k,n,Rf,c,φ,Pa,kb,nb,kur(应采用相应的变量符号代替这些模型参数) 对于卸载的情况,采用 Eur 计算,在 Eur 的表达式中,参数 n 与加载时基本一致,而 kur =(1.2~3.0)k,对于密砂和硬粘土,kur=1.2k;对于松砂和软土,kur=3.0k;一般土介于上述两 者之间。在 Duncan-Chang 模型的模型参数中,不直接给出 kur 值,而是给出 kur/k 的比值。 确定加载切线模量 Et,卸载切线模量 Eur 和切线泊松比 μt 后,即可得到 Duncan-Chang 模型的雅可比矩阵为

?t ?t ? ? 0 0 ? 1 1? ? 1? ? 0 ? t t ? ? ? ?t ?t ? 0 0 0 ?1 ? ? 1 1 ? ? ? t t ? ? ? ?t ? ?t 1 0 0 0 ? ? Et (1 ? ?t ) ?1 ? ?t 1 ? ?t ? [ D] = ? ? 1 ? 2 ?t (1 + ?t )(1 ? 2 ?t ) ? 0 0 0 0 0 ? 2 (1 ? ?t ) ? ? ? ? 1 ? 2?t ? 0 0 0 0 0 ? 2 (1 ? ?t ) ? ? ? 1 ? 2 ?t ? ? 0 ? 0 0 0 0 2 1 ? ? ? ( ) t ? ? ?

( 4.25 )

4.3.2 用户子程序 UMAT 和应用程序(Utilities)
1.用户子程序(User Subroutines)和应用程序(Utilities)
虽然 ABAQUS 为用户提供了大量的单元库和材料模型(如金属、橡胶、塑料、混凝土、 岩土等) ,使用户能够利用这些模型处理绝大多数的问题,但对于上述道路工程(包含部分 岩土工程) 中常见材料模型, 并没有包含在 ABAQUS 软件中去。 为了弥补这一不足, ABAQUS 提供了大量的用户子程序(User Subroutines)和应用程序(Utilities) ,用户可以自行定义符
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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

合特定问题的模型。 用户材料子程序 UMAT 用户材料子程序 UMAT(User-Defined Material Mechanical Behavior)是 ABAQUS 提供 给用户进行材料本构模型二次开发的一个用户子程序接口,可以定义 ABAQUS 材料库中没 有包含的各类材料本构模型,这大大增强了 ABAQUS 的应用面和灵活性。 用户子程序 UMAT 具有如下特点: (1)用来定义材料的本构关系; (2)当材料的定义包含用户自定义材料模型时,每一个计算单元的材料积分点都可以 调用 UMAT; (3)可以用于力学行为分析的任何分析过程; (4)可以使用状态变量; (5) 对于力学本构关系, 必须在 UMAT 中提供材料本构模型的雅可比矩阵 ??σ / ??ε ; (6)可以和用户子程序 USDFLD 联合使用,通过 USDFLD 重新定义任何常变量值并 传递到 UMAT。 UMAT 子程序的核心内容就是给出定义材料本构模型的雅可比矩阵(Jacobian 矩阵,即 应力增量对应变增量的变化率 ??σ / ??ε ) ,并更新应力提供给 ABAQUS 主程序。例如,已 知第 n 步的结果 σn 及 εn 等,然后 ABAQUS 主程序给出一个应变增量 dεn+1,UMAT 根据提供 的 Jacobian 矩阵 DDSDDE 计算出新的应力 σn+1。 UMAT 子程序采用 Fortran 编写,从主程序获取数据,计算单元的材料积分点的雅可比 矩阵,并更新应力张量和状态变量,UMAT 的接口格式如下: SUBROUTINE UMAT(STRESS,STATEV,DDSDDE,SSE,SPD,SCD,RPL,DDSDDT, 1 DRPLDE,DRPLDT,STRAN,DSTRAN,TIME,DTIME,TEMP,DTEMP,PREDEF,DPRED, 2 CMNAME,NDI,NSHR,NTENS,NSTATV,PROPS,NPROPS,COORDS,DROT, 3 PNEWDT,CELENT,DFGRD0,DFGRD1,NOEL,NPT,LAYER,KSPT,KSTEP,KINC) C INCLUDE 'ABA_PARAM.INC' C CHARACTER*80 CMNAME C DIMENSION STRESS(NTENS),STATEV(NSTATV),DDSDDE(NTENS,NTENS), 1 DDSDDT(NTENS),DRPLDE(NTENS),STRAN(NTENS),DSTRAN(NTENS), 2 TIME(2),PREDEF(1),DPRED(1),PROPS(NPROPS),COORDS(3),DROT(3,3), 3 DFGRD0(3,3),DFGRD1(3,3) User coding to define DDSDDE,STRESS,STATEV,SSE,SSD,SCD and ,if necessary, RPL,DDSDDT,DRPLDE,DRPLDT,PNEWDT RETURN END UMAT 子程序主要变量说明: (1)DDSDDE(NTENS,NTENS) :是一个 NTENS×NTENS 维的方阵,称为本构关系 的雅可比(Jacobian)矩阵,即 ??σ / ??ε , ?σ 是应力增量, ?ε 是应变增量,DDSDDE (I,J)表示增量步结束时第 J 个应变分量的改变引起的第 I 个应力分量的变化。通常雅可 比矩阵是一个对称矩阵。 (2)STRESS(NTENS) :应力张量数组,对应 NDI 个直接分量和 NSHR 个剪切分量。 增量步开始时,该数组从 ABAQUS 主程序获取数据 σn 并作为已知量传入 UMAT;增量步结
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

束时,在子程序中更新应力张量为 σn+1。如果定义了初始应力,那么分析开始时该应力张量 的数值即为初始应力。对于包含刚体转动的有限应变问题,一个增量步调用 UMAT 之前就 已经对应力张量进行了刚体转动,因此在 UMAT 中只需处理应力张量的共旋部分。UMAT 中应力张量的度量为柯西(真实)应力。 (3)STATEV(NTENS) :状态变量数组,用于存储状态变量的数组,数值在增量步开 始时从主程序传递到 UMAT,也可以在 USDFLD 或 UEXPAN 中先更新数据,然后增量步开 始时将更新的数据传递到 UMAT 子程序中。 在增量步结束时, 必须更新 STATEV 中的数据返 回给主程序。状态变量数组的维数通过 ABAQUS 输入文件中的关键字“*DEPVAR”定义,关 键字下面数据行的数值即为状态变量数组的维数。 状态变量数组是用来保存用户自己定义的 一些变量,如累计塑性应变,粘弹性应变等。 (4)STRAN(NTENS) :总应变数组,存储增量步开始时的总应变 εn,由 ABAQUS 主 程序自动更新。 (5)DSTRAN(NTENS) :总应变增量 dεn+1。 (6)PROPS(NPROPS) :材料常数矩阵,用来保存用户自定义材料参数,即用户自定 义材料本构关系的模型参数。材料常数的个数 NPROPS 等于关键字“*USER MATERIAL”中 的“CONSTANTS”参数设定的值,矩阵中元素的数值对应关键字“*USER MATERIAL”下面的 数据行。 (7)SSE,SPD,SCD:分别定义每一增量步的弹性应变能、塑性耗散和蠕变耗散。它们 对计算结果没有影响,仅仅作为能量输出。 (8)DTIME:时间增量 dt。 (9)NDI:法向应力、应变个数,对三维问题、轴对称问题自然是 3(11,22,33) ,平面 问题是 2(11,22)。 (10)NSHR:剪切应力、应变个数,三维问题时 3(12,13,23),轴对称问题是 1(12)。 (11)NTENS:应力和应变分量数组的大小(NTENS=NDI+NSHR) 。 (12)DROT:对 finite strain 问题,应变应该排除旋转部分,该矩阵提供了旋转矩阵。 (13)PNEWDT:可用来控制时间步的变化。如果设置为小于 1 的数,则程序放弃当前 计算,并用新的时间增量 DTIME×PNEWDT 作为新的时间增量计算;对时间相关的材料如 聚合物等有用;如果设为大于 1 的数,则下一个增量步加大 DTIME 为 DTIME×PNEWDT。 (14)KSTEP,KINC:ABAQUS 传到 UMAT 的当前分析步和增量步数值。 (15)TIME(1),TIME(2):当前分析步时间(STEP TIME)和增量步时间(INCREMENT TIME)值。 应用程序(Utilities) ABAQUS 提供了一些实用的应用程序( Utility Routines ) ,供用户在开发用户子程序 UMAT 时调用,这些程序包括应力不变量的计算,主应力的计算等。 (1)SINV:用于计算应力不变量 CALL SINV(STRESS,SINV1,SINV2,NDI,NSHR) STRESS:应力张量; NDI:法向应力分量的数量; NSHR:剪切应力分量的数量; SINV1:第一应力不变量, SINV 1 =

1 traceσ ,其中 σ 为应力张量; 3

SINV2 : 第 一 应 力 不 变 量 , SINV 2 =

3 S :S , 其 中 S 为 偏 应 力 张 量 , 2

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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

1 S = σ ? traceσI ; 3
(2)SPRINC:用于计算主应力值 CALL SPRINC(S,PS,LSTR,NDI,NSHR) S:应力或应变张量; PS(I),I=1,2,3:三个主应力值; LSTR:标识,LSTR=1 表示 S 为应力张量,LSTR=2 表示 S 为应变张量。 (3)SPRIND:用于计算主应力值和主应力方向 CALL SPRIND(S,PS,AN,LSTR,NDI,NSHR) S:应力或应变张量; AN(K1,I),I=1,2,3:PS(K1)法向应力的方向余弦。

2.ABAQUS 主程序与 UMAT 子程序协同工作过程
ABAQUS 主程序与 UMAT 子程序之间是一个动态交互传递数据、 协同工作的过程。 UMAT 子程序作为 ABAQUS 主程序的一个接口,在单元的积分点上调用,增量步开始时,主程序 通过 UMAT 的接口进入 UMAT 子程序,单元当前积分点必要变量的初始值将随之传递给 UMAT 子程序的相应变量,UMAT 子程序计算单元材料积分点的雅可比矩阵,并更新应力张 量和状态变量,最后将这些变量的更新值通过接口返回主程序。 ABAQUS 主程序与 UMAT 子程序的交互计算过程如下:从第 tn 时刻开始,ABAQUS 在 △t 时间增量内产生一个由外荷载产生的应变增量△ε, UMAT 子程序通过给定的本构方程为 主程序提供新的柯西应力张量 σ(tn+△t) ,如果计算的应力应变结果收敛,那么 ABAQUS 主程序继续计算第 tn+1 步,并根据上一步的收敛情况来选取下一步增量步长。Jacobian 矩阵 即 DDSDDE 的精度影响程序的收敛速度,但是并不影响计算结果的准确性。 以下节研究的 Burgers 蠕变模型为例, 某一材料单元积分点上 ABAQUS 主程序与 UMAT 子程序协同工作过程,如图 4.12 所示。

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

第一步 平衡时刻 tn,ABAQUS 主程序提供: 总应变 ε(tn) 应力 σ(tn) 时间增量 △t 第二步 ABAQUS 主程序产生总 应变增量 △ε(tn) , 调用 UMAT 计算获得: 蠕应变增量 △εc(tn) △σ(tn) 应力增量 非线性方程:

非线性 迭代

?ε c

( n +1)

=∫

t +?t

t

& ( n+1) τ S ( n+1) 3 τε c dτ 2 τ σ ( n +1)

?σ ( n +1) = De (?ε ( n +1) ? ?ε c ( n +1) )

更新应力张量:

σ(tn+△t)=σ(tn)+△σ(tn)

UMAT 子程序实现

第三步 UMAT 返回 σ(tn+△t)给 ABAQUS 主程序, 同时 ABAQUS 主程序更新应变:

ε(tn+△t)= ε(tn)+△ε(tn)
第四步 达到最大迭 代次数? 否 n=n+1, 返回第一 步,进行下一增 量步平衡迭代 平衡 主程序系统 平衡判断 不平衡 返回第二步,进 行本增量步的下 一次平衡迭代 是 减小时间步长, 返回第一步,重 新进行平衡迭代

ABAQUS 主程序实现

图 4.12 ABAQUS 主程序与 UMAT 子程序协同工作过程

第一步:平衡时刻 tn,ABAQUS 主程序提供给 UMAT 子程序总应变 ε(tn) 和应力 σ(tn),同时 ABAQUS 主程序自动产生一个时间增量△t。 第二步:ABAQUS 主程序产生一个总应变增量△ε(tn),调用 UMAT 子程序计算△ε(tn) 对应的 蠕应变增量△εc(tn)及应力增量△σ(tn),此过程是一个非线性迭代求解的过程。迭代 收敛后更新应力张量 σ(tn+1)=σ(tn)+△σ(tn) 。 第三步:UMAT 子程序将更新后的应力 σ(tn+1)返回给 ABAQUS 主程序,同时 ABAQUS 主程
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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

序自动更新总应变 ε(tn+1)=ε(tn)+△ε。 第四步: ABAQUS 主程序进行最大迭代次数的检查 (控制最大迭代次数是出于计算成本的考 虑) ,如果迭代次数超过了限定的最大迭代次数(ABAQUS 默认的最大迭代次数为 16 次) , 那么 ABAQUS 主程序就会自动减小时间增量, 然后返回到第一步重新进行 迭代平衡; 然后 ABAQUS 主程序将 σ(tn+1) 代入系统平衡方程进行平衡判断, 若满足 系统平衡标准,结束本增量步的迭代,进入下一增量步。若不满足系统平衡,此时 ABAQUS 主程序将放弃本次的应力、应变更新,回复到增量步初始时刻的值,并继 续进行本增量步的下一次平衡迭代,直到满足系统平衡标准为止。

4.3.3 修正 Burgers 模型用户子程序 UMAT 的编写
1.蠕变的有限元实现
与弹塑性分析相似,在当前的大多数研究中,是将单轴试验中观察到的规律,通过试验 与推理将它推广至多维状态。金属蠕变表明,与塑性应变相同,蠕变由应力偏量产生,而静 水压力起的作用很小。 因此, 可以将塑性理论的一些方法推广至蠕变的情况, 例如 Von Mises 理论和 Tresca 理论。 现用 Von Mises 的等效应变和等效应力代替式 4.26 中的单轴蠕变本构方 程中的应力与应变,就得到多维应力情况下的蠕变本构关系为式 4.27:

ε c = a0σ a t a
1

2

( 4.26 )

其中 a1,a2,a0 为材料常数,通过测量不同温度下的这三个常数来考虑温度对蠕变应变的影 响。

ε c = a0σ a t a
1

2

( 4.27 )

式中, ε c , σ 分别表示等效蠕变应变和等效蠕变应力。 对于蠕变应变与应力之间的关系,假定流动定律依然成立,即
c d ε ij = λc (?f / ?σ ij )dt

( 4.28 )

式中,f 为与塑性理论相似的加载曲面。 将式 4.28 写成率的形式为
c ε& ij = λc (?f / ?σ ij )

( 4.29 )

将式 4.29 代入等效蠕变应变表达式,再根据等效应力公式可以推出 由

2 c c 1/ 2 3 d ε c = ( d ε ij d ε ij ) , σ = ( Sij Sij )1/ 2 , ?f / ?σ ij = Sij 3 2
c c c 1/ 2 ε& = ( ε&& = λc ( ij ε ij )



2 3

2 ?f ?f 1/ 2 2 ) = λcσ 3 ?σ ij ?σ ij 3

( 4.30 )

所以

c λc = 3ε& /(2σ )

( 4.31 )

65

ABAQUS 软件在道路工程中的应用

因此,式 4.29 在 Von Mises 准则情况下为
c c & ε& ij = 3ε Sij /(2σ )

( 4.32 )

对于与时间相关的非线性问题, 当前还不能像与时间无关的弹塑性那样, 找到一个应力 与总应变之间的材料本构矩阵。 处理的方法则是采用初应力或初应变法。 即把非弹性应变增 量当作各增量步开始时的初应变, 把初应变对应的应力由虚功原理等价到有限元结点上, 构 成一项载荷。具体步骤如下: 总应变增量可以写为

{?ε } = {?ε e } + {?ε p } + {?ε c } + {?ε T }

( 4.33 )

式中,{△ε},{△εe},{△εp},{△εT}分别为总应变增量、弹性应变增量、塑性应变增量、蠕变 应变增量和温度应变增量。 应力增量可写为

{?σ } = [ De ]({?ε } ? {?ε p } ? {?ε c } ? {?ε T }) = [ De ]({?ε } ? {ε 0 })
式中,{ε0}称为初应变。

( 4.34 )

{ε 0 } = {?ε p } + {?ε c } + {?ε T }

( 4.35 )

在没有塑性应变和温度应变的情况下,只有蠕变应变为初应变。根据虚功原理,从式 4.41 可得到有限元方程为

[ K ]{?u} = {?R} + {?P0 }

( 4.36 )

其中, [K]为弹性刚度矩阵, {△u}为位移增量, {△R}为外荷载增量及不平衡力的合力, {△P0} 为初应变引起的初应力增量。

{?P0 } = ∑ ∫ [ B ] [ De ]{ε 0 }dv
T v

( 4.37 )

显然,初应力增量并不是已知数,而是非线性应变的函数,也即是位移的函数,在求解 之前未知。因而,式 4.36 是非线性方程。其求解方法与弹塑性问题相似,将荷载时间函数 按时间分成若干段,按时间段逐个加载荷。不同之处在于弹塑性问题与时间无关,而蠕变却 是真实的时间。其蠕变应变增量与时间相关,因而,初应力也与时间相关。

2.瞬态温度场下蠕变求解方法
在环境因素的影响下, 实际路面结构的温度随着路面深度和时间时刻发生着变化, 其温 度场是瞬态温度场。作为路面材料的沥青混合料,其材料特性受温度影响很大,材料参数随 温度而变化。瞬态温度场下的材料参数每时每刻都在变化,这和恒定温度场下有所不同,在 求解蠕变增量和应力增量的时候,需要考虑温度的影响。方程求解可以采用常刚度迭代法, 所不同之处在于初应力和常刚度矩阵。具体实现过程如下: 弹性应力应变关系为:
e e σ ij = Dijkl ε kl

( 4.38 )

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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

将弹性应力应变关系,应用到材料常数 E 和 μ 也随温度变化的情形,可以得到:
e e e e e c e e dσ ij = t Dijkl d ε kl + dDijkl ε kl = t Dijkl (d ε kl ? d ε kl ) + dDijkl ε kl

( 4.39 )

与不考虑温度影响的弹性增量应力应变关系式相比,现在多增加了以初应力项出现的
e e dDijkl ε kl ,也即考虑了由于温度变化引起材料常数变化而产生的应力项。

将式 4.39 改写为如下的增量形式:
e c e e e ?σ ij = t Dijkl (?ε kl ? ?ε kl ) + ( t +?t Dijkl ? t Dijkl ) tε kl

e e e e c e e e = t0 Dijkl ?ε kl + ( t Dijkl ? t0 Dijkl )?ε kl ? t Dijkl ?ε kl + ( t +?t Dijkl ? t Dijkl ) t ε kl

( 4.40 )

其中, 0 Dijkl , Dijkl ,
t

t

e

t

e

t +?t

e 分别是其材料常数 E,μ,G 取 t0,t,t+ ?t 时刻的弹性张量, Dijkl

e c ε kl 是 t 时刻的弹性应变, ?ε kl , ?ε kl 分别是 ?t 时间增量内的总应变及蠕应变增量。

同理,根据增量形式的虚位移原理[式 4.41],将 ?u = N ?a , ?ε = B?a 代入,可得到 用初始弹性刚度矩阵表示的有限元方程,其矩阵形式如[式 4.42]:

∫ (σ
t v

ij

+ ?σ ij )δ (?ε ij )dv ? ∫ ( t Fi + ?Fi )δ (?ui )dv ? ∫ ( tTi + ?Ti )δ (?ui )ds = 0
v Sσ

( 4.41 )

t0

K e ?a = ?Q + ∑ ∫ BT [ t De ?ε c ? ( t De ? t0 De )?ε ? ( t +?t De ? t De ) tε e ]dv
e ve

( 4.42 )

其中, 0 K e 是结构初始时刻的弹性刚度矩阵, ?Q 是不平衡力向量。它们的表达式分别为:
t

t0

K e = ∑ ∫ BT t0 De Bdv
e ve Sσ e ve

( 4.43 )

?Q = ∑ (∫ N T t +?t Fdv + ∫ N T t +?tT ds) ? ∑ ∫ BT tσ dv
e ve e

( 4.44 )

由于式 4.42 右端的 ?ε , ?ε c 都是待求的未知量,同理需要迭代求解。迭代方程如下:
t0

K eδ a ( n +1) = ?Q + ∑ ∫ BT [ t De (?ε c ( n ) ? ?ε (n ) ) ? ( t +?t De ? t De ) tε e ]dv
e ve
(n)

( 4.45 )

式中, ?ε ( n ) , ?ε c

是本增量步经过 n 次迭代以后的 ε 和 ε c 的增量 ?ε 、 ?ε c ;而左端的

δ a ( n+1) 是本增量步 ?a 的 n+1 次修正量。 ?ε (0) 是本增量步开始迭代时的预测值,或者简单
地取为零;而 ?ε c
(0)

的计算公式为:

?ε c (0) =

& ?t t 3 tε c S 2 tσ
67

( 4.46 )

ABAQUS 软件在道路工程中的应用

t & t t 其中, tσ , t S 分别是 t 时刻的等效应力和偏应力; ε c 是等效蠕变应变率,由 σ 和 T 决

定。 在每次总体平衡迭代得到系统的位移增量△a 的修正量 δa(n)以后,进而利用几何关系可 以得到 δε(n)以及△ε(n+1)=△ε(n)+δε(n)。 在进行新的迭代之前, 需要决定每一个高斯积分点的新 (n+1) 计算出该点的△εc(n+1)和△σ(n+1)。而这三者构成 的状态量,即由每一个高斯积分点的△ε 以下的非线性方程组:

?ε c

( n +1)

=∫

t +?t

t

& ( n+1) τ S ( n+1) 3 τε c dτ 2 τ σ ( n +1)

( 4.47 )

?σ ( n +1) = De (?ε ( n +1) ? ?ε c ( n +1) )

( 4.48 )

上述非线性方程组的求解比较复杂, 特别是由于△εc(n+1)强烈地依赖于应力状态 σ, 容易 导致求解过程的不稳定。为此,可采用如下的迭代方案。 对于式 4.47 所表示的蠕变本构关系积分,为了保持数值稳定,宜采用隐式积分的广义 中心法进行。在此情况下,以上非线性方程组可以改写成以下迭代求解形式:

?ε c ( k )
t +θ?t

( n+1)

3 = 2

t +θ?t

& ?t ε c(k )

( n+1)

t +θ?t

t +θ?t

σ (k )

( n+1)

S (k) =

( n+1)

t +θ?t

β

( n+1) (k )

?tC

t +θ?t

σ

( n+1) (k)

(k=0,1,2,3,…..) ( 4.49 )

式中:

& = (1 ? θ ) tε & + θ t +?t ε & ( n+1) ε c(k ) c c(k )
( n+1)
t t +?t

t +θ?t

+1) σ (( n k ) = (1 ? θ ) σ + θ

+1) σ (( n k)

t +θ?t

S((kn)+1) = (1 ? θ ) S + θ
t

t +?t

S ((kn)+1)

t +θ?t

σ ((kn)+1) = (1 ? θ ) σ + θ
t

t +?t

σ ((kn)+1)

t +θ?t

β

( n +1)
(k)

3 = 2

t +θ?t
t +θ?t

& ( n +1) ε c(k )

n +1) σ ((k )

C

t +θ?t

σ ( n +1) =
(k)

t +θ?t

S ((kn)+1)

?σ ((kn)+1) = De (?ε ( n+1) ? ?ε c((nk+)1) )
其中,
t +θ?t

(k = 0,1, 2,......)

( 4.50 )

σ ( n+1) =t σ ;参数 θ 可在(0~1)之间选取,即满足 0 ≤ θ ≤ 1 。当 θ ≥ 1/ 2 时,
( 0)

算法是稳定的。式中 C = ? I ? mm ? , mT = [111 0 0 0] 。 ? 3 ?
T

?

1

?

求解

t +?t

+1) σ ((kn+ 1) 的方程为:

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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

t +?t

+1) ( n +1) σ ((kn+ 1) = σ + ?σ
t (k)

( 4.51 )
( n+1) c ( k +1)

当从该式解得

t +θ?t

+1) σ ((kn+ 1) 以后,将其回代式 4.49 即可得到 ?ε

。将 ?ε c ( k +1) 和 ?ε c ( k ) 进

( n+1)

( n+1)

行比较,如果满足收敛准则:

?ε c ( k +1) ? ?ε c ( k ) ?ε c ( k +1)
则结束该积分点的迭代,并令 ?ε c
( n+1)
( n+1)

( n +1)

( n+1)

≤ er
( 4.52 )

= ?ε c ( k +1) 。

( n+1)

如果不满足收敛准则,则将 ?ε c ( k +1) 代入继续对该积分点进行下一次本构关系的迭代。 当所有积分点的本构关系迭代完成以后,则将各个积分点的 ?ε c
( n+1)

( n+1)

和 ?ε ( n +1) 代入式 4.45 的

右端,并开始本增量步的系统平衡方程的下一次(n+2)次的迭代。

& 应采用 t 时刻对应的材料参数,而求取 值得注意的是,求取 tε
刻对应的材料参数。

t +?t

& ( n +1) 应采用 t+ ?t 时 ε c(k )

3.编程要点及框图
前面讨论了蠕变的有限元实现方法,从而为 UMAT 子程序编程提供了思路。ABAQUS 提供了二次开发的平台,用户无需自编一套大型有限元程序,而只需编制 UMAT 子程序, 借助接口参数与 ABAQUS 主程序进行数据的交换和调用。 UMAT 子程序的编写采用 Fortran 语言,但需要注意的是,不同 ABAQUS 版本对应不同 的编译环境,如 ABAQUS 6.5 版本,需要 Compaq Visual Fortran 6.0 和 Microsoft Visual C++ Version 6.0 支持进行编译; ABAQUS 6.6 版本, 需要 Intel Visual Fortran 9.0 和 Microsoft Visual Studio .NET 2003 支持才能进行正常的编译。 为了保证 UMAT 子程序的正常运行,用户在编写子程序时,必须遵循子程序编写规范, 某些特定字符不得改变其原有特定定义, 否则会产生意想不到的错误, 也即用户能定义的参 数仅仅是那些符合 UMAT 规定的“可被定义的参数” 。 进行 UMAT 子程序编程时,需注意以下要点: (1)ABAQUS 中进行蠕变有限元分析时,一般采用两个分析步,首先是瞬态弹性分析 步,然后是粘性分析步。因此,在编制 UMAT 子程序时,需区分瞬时弹性和蠕变,可以接 口参数 KSTEP 作为判定依据。当 KSTEP=1,则为瞬时弹性分析;当 KSTEP>1,则为蠕变 分析。 (2)在 ABAQUS 中,剪切应变采用工程剪切应变的定义,即 γ ij = ui , j + u j ,i ,所以剪切 模量是 G 而不是 2G。本 UMAT 子程序中采用的弹性 Jacobian 矩阵 DDSDDE 形式如下:

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

? λ + 2G λ ? λ λ + 2G ? ? λ λ ? ? ? ? ?

? ? ? ? λ + 2G ? G ? ? G ? G?

λ λ

(3)在 UMAT 子程序的接口参数中,只有总应变 STRAN,没有区分蠕变应变和弹性应 变。因此,在编制 UMAT 子程序时,用户需定义蠕变应变和弹性应变作为状态变量保存在 STATEV 数组中。当然,用户还可以将需要的一些变量,如等效蠕变应变、等效粘弹性应变 和等效粘性应变保存在 STATEV 数组中, 以备输入 ODB 文件, 进而在后处理模块 Visualization 中查看。 (4) 状态变量 STATEV 数组需采用 ABAQUS 中的另外一个用户子程序 SDVINI 赋初值, 对于本 UMAT 子程序,状态变量赋初值为 0。 (5)对于某材料单元的一个积分点,一般来说,在每个增量步的每一次迭代过程中, 需要调用 UMAT 子程序一次,但第一次迭代需额外多调用一次形成刚度矩阵。 (6)粘性分析时,ABAQUS 主程序给定的总应变增量 DSTRAN 包含了弹性应变增量和 蠕变应变增量,在求解蠕变应变增量和应力增量时,需进行多次迭代求解,因为蠕变增量强 烈地依赖于应力状态,容易导致求解过程的不稳定。本次编程迭代求解非线性方程时,θ 取 为 0.8。 (7)注意 ABAQUS 主程序更新应力、应变等变量的方式。对于每一增量步的每一次迭 代,如果系统不平衡,则 ABAQUS 主程序会放弃本迭代步的应力、应变等变量的更新,回 复到增量步初始时刻的变量值。只有当系统迭代平衡后,ABAQUS 主程序才会更新应力、应 变等变量。 (8)对总应变增量 DSTRAN 的理解。DSTRAN 是一个总应变增量,真正的物理意义为 某一增量步△t 时间内产生的总应变增量,而不是该增量步的每一次迭代步产生的总应变修 正量,这一点对于 UMAT 子程序初学者来说,经常会产生误解。因为按照蠕变有限元的系 统平衡方程,每次迭代得到一个试探应力 σ(tn+ ?t ) ,进而进行系统平衡判断,如果不满足 平衡判定标准,则得到总位移增量△a 的一个修正量 δa(n),根据几何方程可以得到总应变增 量△ε 的修正量 δε(n)=Bδa(n)。这时 ABAQUS 主程序并不把修正量 δε(n)传给 UMAT 子程序,而 是先将总应变增量△ε 进行更新△ε(n+1)=△ε(n)+δε(n),然后再传给 UMAT 子程序。 (9)瞬态温度场下的 UMAT 子程序需要根据当前积分点的温度值,在给定的材料参数 之间自动插值对应温度下的材料参数。 瞬态温度场 UMAT 子程序的编程思路,如图 4.13 所示。

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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

ABAQUS 主程序传递应力 σ(tn) 、 总应变 ε(tn)、 时间增量 ?t 、 总应变增量 DSTRAN 根据当前温度值插值材料参数 UMAT 子程序 从 STATEV 中获取状态变量值 以 KSTEP 判定分析步 UMAT 子程序

弹性分析

KSTEP=1

KSTEP>1

粘性分析

ABAQUS 提供的总应变增量 DSTRAN 为弹性应变增量

ABAQUS 提 供 的 总 应 变 增 量 DSTRAN 包含弹性应变增量和蠕变 应变增量

形成弹性 Jacobian 矩阵 DDSDDE 形 成 弹 性 Jacobian 矩 阵 DDSDDE

非线性迭代收敛得出蠕应变增量 △εc(tn)和应力增量△σ(tn)

更新应力 σ(tn+ ?t )=σ(tn)+△σ(tn) =σ(tn)+DDSDDE*DSTRAN

更新应力 σ(tn+ ?t )=σ(tn)+△σ(tn)=σ(tn) +DDSDDE*(DSTRAN-△εc(tn))

更新 Jacobian 矩阵 DDSDDE UMAT 子程序 更新状态变量数组 STATEV 返回更新应力 σ(tn+ ?t )给 ABAQUS 主程序
图 4.13 瞬态温度场 UMAT 子程序编程思路框图

UMAT 子程序

4.UMAT 子程序源代码
按照上述编程思路框图,编制了瞬态温度场 Burgers 模型的 UMAT 用户子程序。 --------------------------------------------------------------C 瞬态温度场下修正 Burgers 模型 UMAT 子程序源代码 C C 给状态变量数组赋初值为零,调用 ABAQUS 子程序 SDVINI C GIVE STATEV THE INITIAL VALUE OF ZERO C SUBROUTINE SDVINI(STATEV,COORDS,NSTATV,NCRDS,NOEL,NPT,LAYER,KSPT)
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

C INCLUDE 'ABA_PARAM.INC' C DIMENSION STATEV(NSTATV),COORDS(NCRDS) C DO K=1,NSTATV STATEV(K)=0.0 END DO C RETURN END C C C 瞬态温度场下修正 Burgers 模型 UMAT 子程序 UMAT FOR MODIFIED BURGERS MODEL SUBROUTINE UMAT(STRESS,STATEV,DDSDDE,SSE,SPD,SCD,RPL,DDSDDT, 1 DRPLDE,DRPLDT,STRAN,DSTRAN,TIME,DTIME,TEMP,DTEMP,PREDEF,DPRED, 2 CMNAME,NDI,NSHR,NTENS,NSTATV,PROPS,NPROPS,COORDS,DROT, 3 PNEWDT,CELENT,DFGRD0,DFGRD1,NOEL,NPT,LAYER,KSPT,KSTEP,KINC) C INCLUDE 'ABA_PARAM.INC' C CHARACTER*80 CMNAME C DIMENSION STRESS(NTENS),STATEV(NSTATV),DDSDDE(NTENS,NTENS), 1 DDSDDT(NTENS),DRPLDE(NTENS),STRAN(NTENS),DSTRAN(NTENS), 2 TIME(2),PREDEF(1),DPRED(1),PROPS(NPROPS),COORDS(3),DROT(3,3), 3 DFGRD0(3,3),DFGRD1(3,3) C C LOCAL ARRAYS(定义局部数组,即用户自己定义的数组) C ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------C EELAS - ELASTIC STRAINS C DEELA - ELASTIC STRAINS INCREMENT(dt) C ECREE - CREEP STRAINS C DECRE - CREEP STRAINS INCREMENT(dt) C STREST - TEMPORARY ARRAY FOR SAVED STRESS(t+dt) C DECRT - TEMPORARY ARRAY FOR SAVED CREEP STRAINS INCREMENT(dt) C DSTREST- STRESS INCREMENT(dt) C STREST2- TEMPORARY ARRAY FOR SAVED STRESS(t+θdt) C DVSTRESS-DEVIATORIC STRESS(t+θdt) C PARAM - ARRAY FOR SAVED MATERIAL PARAMETERS AT TEMPERATURE C OF THE KSTEP C ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------C
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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

DIMENSION EELAS(6),ECREE(6),DECRE(6),DVSTRESS(6),STREST(6), 1 DECRT(6),DEELA(6),DSTREST(6),STREST2(6),PARAM(7), 2 TABLE(NPROPS/7,7),TABLE0(7),TABLE1(7) C PARAMETER(ZERO=0.D0,ONE=1.D0,TWO=2.D0,THREE=3.D0,SIX=6.D0, 1 ENUMAX=.4999D0,NEWTON=50,TOLER=1.0D-4) C C ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------C UMAT FOR MODIFIED BURGERS MODEL C ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------C PARAMETERS OF MODIFIED BURGERS MODEL AT TRANSIENT TEMPERATURE C FIELD(材料参数说明) : C PROPS(1)- T Temperature C PROPS(2)- E0 Young's modulus of the Hookean spring C PROPS(3)- μ0 Poisson's ratio C PROPS(4)- E1 Young's modulus of the Kelvin Unit C PROPS(5)- η1 Viscosity coef. of the Kelvin unit C PROPS(6)- A C PROPS(7)- B A and B are parameters of the seperate dashpot C --------------------------------------------------------------------------------------------------------------C 定义初始时刻材料的瞬时弹性参数 NVALUE=NPROPS/7 IF(KINC.EQ.0)THEN IF(NVALUE.EQ.1)THEN DO K1=1,7 PARAM(K1)=PROPS(K1) END DO END IF IF(NVALUE.GT.1)THEN DO K1=1,NVALUE DO K2=1,7 TABLE(K1,K2)=PROPS(7*(K1-1)+K2) END DO END DO C 参数输入应按温度从小到大输入。 LOOP2:DO K1=1,NVALUE-1 TEMP1=TABLE(K1+1,1) IF(TEMP.LT.TEMP1)THEN TEMP0=TABLE(K1,1) DO K2=1,7 TABLE1(K2)=TABLE(K1+1,K2) TABLE0(K2)=TABLE(K1,K2) END DO DO K3=1,7
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

C

C

C

C C

这种在不同温度时参数的插值方法似乎不对。廖公云注 PARAM(K3)=TABLE0(K3)+(TEMP-TEMP0) 1 *(TABLE1(K3)-TABLE0(K3))/(TEMP1-TEMP0) END DO EXIT LOOP2 END IF END DO LOOP2 IF(TEMP.LT.TABLE(1,1).OR.TEMP.GT.TABLE(NVALUE,1))THEN DO K1=1,7 TABLE1(K1)=TABLE(NVALUE,K1) TABLE0(K1)=TABLE(1,K1) END DO 这种在不同温度时参数的插值方法似乎不对。廖公云注 DO K2=1,7 PARAM(K2)=TABLE0(K2)+(TEMP-TABLE(1,1))*(TABLE1(K2) 1 -TABLE0(K2))/(TABLE(NVALUE,1)-TABLE(1,1)) END DO END IF END IF END IF EMOD=PARAM(2) !E0 ENU=PARAM(3) !μ0 IF(ENU.GT.0.4999.AND.ENU.LT.0.5001)ENU=0.499 EBULK3=EMOD/(ONE-TWO*ENU) !3K EG2=EMOD/(ONE+ENU) !2G EG=EG2/TWO !G EG3=THREE*EG !3G ELAM=(EBULK3-EG2)/THREE !λ 迭代之前获取上一步的状态变量 DO K1=1,NTENS EELAS(K1)=STATEV(K1) !弹性应变 ECREE(K1)=STATEV(K1+NTENS) !蠕变应变 END DO EQCRE=STATEV(1+2*NTENS) !等效蠕变应变 EQVSE=STATEV(2+2*NTENS) !等效粘性流动应变 EQVEE=STATEV(3+2*NTENS) !等效粘弹性应变 定义瞬时弹性性能 IF(KSTEP.EQ.1)THEN 形成初始时刻弹性刚度 DO K1=1,NTENS DO K2=1,NTENS DDSDDE(K1,K2)=ZERO END DO END DO
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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

C

DO K1=1,NDI DO K2=1,NDI DDSDDE(K2,K1)=ELAM END DO DDSDDE(K1,K1)=EG2+ELAM END DO DO K1=NDI+1,NTENS DDSDDE(K1,K1)=EG END DO 根据弹性应变计算初始时刻应力 DO K1=1,NTENS DO K2=1,NTENS STRESS(K2)=STRESS(K2)+DDSDDE(K2,K1)*DSTRAN(K1) END DO EELAS(K1)=EELAS(K1)+DSTRAN(K1) END DO END IF

C C C-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------C CALCULATE CREEP STRAIN(计算蠕变应变) C-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------IF(KSTEP.GT.1)THEN C 采用常刚度迭代方案,刚度为初始时刻弹性刚度 DO K1=1,NTENS DO K2=1,NTENS DDSDDE(K1,K2)=ZERO END DO END DO DO K1=1,NDI DO K2=1,NDI DDSDDE(K2,K1)=ELAM END DO DDSDDE(K1,K1)=EG2+ELAM END DO DO K1=NDI+1,NTENS DDSDDE(K1,K1)=EG END DO C
t & 求取 tσ , ε c

SMISES1=(STRESS(1)-STRESS(2))**2+(STRESS(2)-STRESS(3))**2 1 +(STRESS(3)-STRESS(1))**2 DO K1=NDI+1,NTENS SMISES1=SMISES1+SIX*STRESS(K1)**2
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

C

C

END DO SMISES1=SQRT(SMISES1/TWO) 获取 t 时刻材料参数 E1,η1,A,B E1=PARAM(4) Y1=PARAM(5) A=PARAM(6) B=PARAM(7) 下面的参数分别表示对外置粘壶和内置粘壶的 ε 求导。 EQVSER1=SMISES1*EXP(-1.0*B*TIME(1))/A EQVEER1=SMISES1*EXP(-1.0*E1/Y1*TIME(1))/Y1 EQCRER1=EQVSER1+EQVEER1 迭代之前,认为
t +?t

C

( n +1) n + 1 ) σ (0) = σ(
t

C

C C

DO K1=1,NTENS STREST(K1)=STRESS(K1) END DO 给存储蠕应变增量的数组赋初值为 0 DO K1=1,NTENS DECRT(K1)=0.0 END DO 非线性迭代过程,求取△ε(n+1)对应的△εc(n+1)和△σ(n+1) LOOP1:DO KEWTON=1,NEWTON 求取错误!不能通过编辑域代码创建对象。 、错误!不能通过编辑域代码创建对象。 SMISES2=(STREST(1)-STREST(2))**2+(STREST(2)-STREST(3))**2 1 +(STREST(3)-STREST(1))**2 DO K1=NDI+1,NTENS SMISES2=SMISES2+SIX*STREST(K1)**2 END DO SMISES2=SQRT(SMISES2/TWO) EQVSER2=SMISES2*EXP(-1.0*B*(TIME(1)+DTIME))/A EQVEER2=SMISES2*EXP(-1.0*E1/Y1*(TIME(1)+DTIME))/Y1 EQCRER2=EQVSER2+EQVEER2 求取
t +θ?t

C C

+1) ( n +1) σ (( n +θ k ) = (1 ? θ ) σ
t

t +?t

n +1) σ ((k )

t +θ?t

& = (1 ? θ ) t ε & ( n+1) + θ t +?tε & ( n+1) ε c(k ) c c(k )
( n+1)

SMISES3=0.2*SMISES1+0.8*SMISES2 EQCRER3=0.2*EQCRER1+0.8*EQCRER2 C 求取
t +θ?t

β

( n +1)
(k)

3 = 2

t +θ?t
t +θ?t

& ( n +1) ε c(k )

n +1) σ ((k )

TERM1=(THREE/TWO*EQCRER3)/SMISES3 C 求取
t +θ?t

n + 1 ) σ ((kn)+1) = (1 ? θ ) σ ( +θ
t

t +?t

σ ((kn)+1)
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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

C

C

DO K1=1,NTENS STREST2(K1)=0.2*STREST(K1)+0.8*STRESS(K1) END DO 计算偏应力错误!不能通过编辑域代码创建对象。 PRESS=0.0 DO K1=1,NDI PRESS=PRESS+STREST2(K1)/THREE END DO DO K1=1,NDI DVSTRESS(K1)=STREST2(K1)-PRESS END DO DO K2=NDI+1,NTENS DVSTRESS(K2)=STREST2(K2) END DO 计算蠕应变、弹性应变、等效蠕应变等的增量 DO K1=1,NTENS DECRE(K1)=TERM1*DTIME*DVSTRESS(K1) DEELA(K1)=DSTRAN(K1)-DECRE(K1) END DO DEQCRE=EQCRER3*DTIME DEQVSE=(0.2*EQVSER1+0.8*EQVSER2)*DTIME DEQVEE=(0.2*EQVEER1+0.8*EQVEER2)*DTIME

C

收敛判定

?ε c ( k +1) ? ?ε c ( k ) ?ε c ( k +1)
( n+1)

( n +1)

( n+1)

≤ er ,则结束迭代

TERM2=0.0 TERM3=0.0 DO K1=1,NTENS TERM2=TERM2+(DECRE(K1)-DECRT(K1))**2 TERM3=TERM3+DECRE(K1)**2 END DO TERM4=SQRT(TERM2) TERM5=SQRT(TERM3) TERM6=TERM4/TERM5 IF(TERM6.LE.TOLER)THEN EXIT LOOP1 END IF C 求取
t +?t

+1) ( n +1) σ ((kn+ 1) = σ + ?σ
t (k)

DO K1=1,NTENS DSTREST(K1)=0.0 END DO DO K1=1,NTENS
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

C

C

C

DO K2=1,NTENS DSTREST(K1)=DSTREST(K1)+DDSDDE(K1,K2)*DEELA(K2) END DO END DO DO K1=1,NTENS STREST(K1)=STRESS(K1)+DSTREST(K1) END DO 把蠕变增量保存到临时数组 DECRT 中 DO K1=1,NTENS DECRT(K1)=DECRE(K1) END DO END DO LOOP1 更新应力 DO K1=1,NTENS STRESS(K1)=STREST(K1) END DO 更新状态变量,包括蠕变应变、弹性应变以及等效应变等 DO K1=1,NTENS ECREE(K1)=ECREE(K1)+DECRE(K1) EELAS(K1)=EELAS(K1)+DEELA(K1) END DO EQCRE=EQCRE+DEQCRE EQVSE=EQVSE+DEQVSE EQVEE=EQVEE+DEQVEE END IF 更新 JACOBIAN 矩阵 DO K1=1,NTENS DO K2=1,NTENS DDSDDE(K1,K2)=ZERO END DO END DO DO K1=1,NDI DO K2=1,NDI DDSDDE(K2,K1)=ELAM END DO DDSDDE(K1,K1)=EG2+ELAM END DO DO K1=NDI+1,NTENS DDSDDE(K1,K1)=EG END DO 保存状态变量 DO K1=1,NTENS STATEV(K1)=EELAS(K1)
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C C

C

第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

STATEV(K1+NTENS)=ECREE(K1) END DO STATEV(1+2*NTENS)=EQCRE STATEV(2+2*NTENS)=EQVSE STATEV(3+2*NTENS)=EQVEE C RETURN END ---------------------------------------------------------------

5.两个约定
针对本上述瞬态温度场蠕变 UMAT 子程序,用户在进行材料参数输入时,与 ABAQUS 自带材料库参数输入有所不同,因此有必要进行说明。在编制此 UMAT 子程序时,对输入 用户材料做了如下约定: (1)输入用户材料(User Material)时,需按照如下的输入顺序:第一个材料参数为 温度 T (Temperature) , 接下来的六个参数分别对应修正 Burgers 模型中的瞬时弹性模量 (E1) 、 泊松比(μ) 、Kelvin 元件中的弹性模量 E2 和粘壶粘滞系数 η2、外置粘壶的粘滞参数 A、B; 接下来输入的又是新的温度值 T 以及对应的修正 Burgers 模型参数,如此循环,直到输入参 数结束。 (2)如果用户只输入一组参数,那么这意味着本次蠕变分析针对的是恒温分析情况, 即整个模型各个积分点的温度值相同,此时瞬态温度场蠕变 UMAT 退化为恒温蠕变 UMAT 子程序,用户输入的参数必须是此恒温温度值及对应的参数。

4.3.4 Duncan-Chang 模型用户子程序 UMAT 的编写
按照前述沥青混合料修正 Burgers 模型 UMAT 的编写思路,进行了 Duncan-Chang 模型 UMAT 的编写。Duncan-Chang 模型 UMAT 子程序的源代码如下: --------------------------------------------------------------SUBROUTINE UMAT(STRESS,STATEV,DDSDDE,SSE,SPD,SCD, 1 RPL,DDSDDT,DRPLDE,DRPLDT, 2 STRAN,DSTRAN,TIME,DTIME,TEMP,DTEMP,PREDEF,DPRED,CMNAME, 3 NDI,NSHR,NTENS,NSTATV,PROPS,NPROPS,COORDS,DROT,PNEWDT, 4 CELENT,DFGRD0,DFGRD1,NOEL,NPT,LAYER,KSPT,KSTEP,KINC) C INCLUDE 'ABA_PARAM.INC' C CHARACTER*80 CMNAME DIMENSION STRESS(NTENS),STATEV(NSTATV),DDSDDE(NTENS,NTENS), 1 DDSDDT(NTENS),DRPLDE(NTENS),STRAN(NTENS),DSTRAN(NTENS), 2 TIME(2),PREDEF(1),DPRED(1),PROPS(NPROPS),COORDS(3),DROT(3,3), 3 DFGRD0(3,3),DFGRD1(3,3) C--------------------------------------------------------------C AK 即 k,AN 即 n,RF 破坏比,c 即凝聚力,FA 即内摩擦角,PA 大气压力,VKB 即 Kb,VNB 即 nb,AUR 为卸荷 Kur/k
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

C--------------------------------------------------------------DIMENSION PS(3) AK=PROPS(1) AN=PROPS(2) RF=PROPS(3) C=PROPS(4) FA=PROPS(5)/180*3.1415926 PA=PROPS(6) VKB=PROPS(7) VNB=PROPS(8) AUR=PROPS(9) S1S3O=STATEV(1) ! S1S3O 为历史上最大主应力差 S3O=STATEV(2) ! S3O 为前期固结应力 SSO=STATEV(3) ! SSO 为历史上最大应力水平 CALL SPRINC(STRESS,PS,1,3,3) ! 计算主应力 DO 10 I=1,2 DO 20 J=I+1,3 IF(PS(I).GT.PS(J))THEN PPS=PS(I) PS(I)=PS(J) PS(J)=PPS END IF 20 CONTINUE 10 CONTINUE IF(PS(3).GT.0)THEN C--------------------------------------------------------------C 进行拉应力修正 C--------------------------------------------------------------C STRESS(6)=PS(1)/(PS(1)-PS(3))*STRESS(6) C STRESS(3)=PS(1)/2*(1-(STRESS(3)-STRESS(1))/(PS(3)-PS(1))) C STRESS(1)=PS(1)/2*(1+(STRESS(3)-STRESS(1))/(PS(3)-PS(1))) PS(3)=0 END IF C--------------------------------------------------------------C 计算应力水平 s C--------------------------------------------------------------S=(1-SIN(FA))*(PS(3)-PS(1)) IF((2*C*COS(FA)+2*(-PS(3))*SIN(FA)).ne.0) THEN S=S/(2*C*COS(FA)+2*(-PS(3))*SIN(FA)) ELSE S=0 END IF IF(S.GT.SSO) SSO=S IF(S.GE.0.95) THEN
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第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

S=0.95 END IF C--------------------------------------------------------------C 计算切线弹性模量和切线体积模量 C--------------------------------------------------------------IF(-PS(3).GT.S3O) S3O=-PS(3) EI=AK*PA*(S3O/PA)**AN C--------------------------------------------------------------C 加载卸载判断 C--------------------------------------------------------------IF((PS(3)-PS(1)).LT.S1S3O.AND.S.LT.SSO) THEN ET=AUR*AK*PA*(S3O/PA)**AN ELSE ET=EI*(1-RF*S)**2 END IF ETMIN=0.25*AK*PA*(0.02)**AN IF(ET.LT.ETMIN) ET=ETMIN C BT=VKB*PA*(S3O/PA)**VNB BTMIN=(ET/3.0)*((2.0-SIN(FA))/SIN(FA)) IF(BT.LT.BTMIN) THEN BT=BTMIN C PMIUT=0.5-ET/(6.0*BT) IF(PMIUT.GT.0.49) THEN PMIUT=0.49 ELSE PMIUT=PMIUT END IF C--------------------------------------------------------------C 获得 Jacobian 矩阵 C--------------------------------------------------------------FEI=ET*(1-PMIUT)/(1+PMIUT)/(1-2*PMIUT) C--------------------------------------------------------------DDSDDE(1,1)=FEI DDSDDE(2,2)=FEI DDSDDE(3,3)=FEI DDSDDE(4,4)=ET/2./(1+PMIUT) DDSDDE(5,5)=DDSDDE(4,4) DDSDDE(6,6)=DDSDDE(4,4) DDSDDE(1,2)=FEI*PMIUT/(1-PMIUT) DDSDDE(1,3)=DDSDDE(1,2) DDSDDE(2,1)=DDSDDE(1,2) DDSDDE(3,1)=DDSDDE(1,3) DDSDDE(2,3)=FEI*PMIUT/(1-PMIUT)
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

DDSDDE(3,2)=DDSDDE(2,3) C--------------------------------------------------------------IF(S.GT.SSO) SSO=S IF((PS(3)-PS(1)).GT.S1S3O) S1S3O=PS(3)-PS(1) C--------------------------------------------------------------C 更新应力张量 C--------------------------------------------------------------DO 70 K1=1,6 DO 60 K2=1,6 STRESS(K2)=STRESS(K2)+DDSDDE(K2,K1)*DSTRAN(K1) 60 CONTINUE 70 CONTINUE C--------------------------------------------------------------C 更新状态变量 C--------------------------------------------------------------STATEV(1)=S1S3O STATEV(2)=S3O STATEV(3)=SSO RETURN END ---------------------------------------------------------------

4.3.5 UMAT 用户子程序的用法
应用 UMAT 用户子程序分析具体问题时,一般的步骤如下: ABQUS/CAE 用法:

4.4 小结

82

第 3 章 道路工程中常用材料的本构模型及 UMAT

第5章 单元及网格划分技术(待完成)

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

第6章 Inp 文件用法
Inp 文件是 ABAQUS 中最关键、最核心的文件。本章主要讲述 inp 文件格式(文件结构 和约定) 、完整编写和部分编写 inp 文件的实例。通过本章的学习,应善于综合运用 ABAQUS/CAE 和 inp 文件编写技巧(即部分编写 inp 文件) ,提高计算工作效率。

6.1 Inp 文件格式
参考: 1.ABAQUS Keywords Reference Manual 2.Getting Started with ABAQUS/Standard: Keywords Version:2.2 Format of the input file 3.http://www.engin.brown.edu/courses/en175/Abaqustut/abaqustut.htm 模型输入文件(*.inp)是沟通前处理器(通常为 ABAQUS/CAE)与分析求解器(通常 为 ABAQUS/Standard)的桥梁,包含了一个数值模型的完整描述。它是易于辨识的、基于 关键字的文本文件,可使用文本编辑器方便地进行修改。实际上,对于简单的模型,采用直 接输入*.inp 文件将非常方便。 一个完整的模型输入文件 (*.inp) 包含模型数据 (model data) 和历史数据 (history data) 两部分。 模型数据包含了定义所分析结构的所需信息,包括节点、单元、材料特性等; 历史数据定义了模型发生情况,如载荷顺序、结构响应序列等,历史可被分为一系列的 分析步(steps) ,每个分析步定义了一个单独的模拟过程(包括分析类型、加载和输出需求 等) ,例如第一个分析步定义一个静态荷载,第二个分析步定义一个动态荷载。 提示:每个分析步以*STEP 开始,用*END STEP 结束。*STEP 是模型数据和历史数据的分 界点,第一次出现*STEP 之前的是模型数据,之后的是历史数据。 一个简单的 inp 文件例子(an overhead hoist 桥式吊架) ,如图 6.1 所示。可以看出,inp 文件由大量的选项块(Option block)组成,每个选项块由关键字行(keyword line)开始, 其后紧跟一个或多个数据行(data line) 。关键字行和数据行每行不得超过 256 个字符。 (1)关键字行(keyword line) 关键字或选项(Keywords or options)总是由*开头。例如,*NODE 是用来指定节点坐 标的关键字,*ELEMENT 是用来指定单元连接的关键字。 关键字后常紧跟多个参数,有些参数是必须的。由于在定义单元时必须给定单元类型, 因此在*ELEMENT 选项中参数 TYPE 是必须的。例如,*ELEMENT, TYPE=T2D2 其作用是 定义单元 T2D2(二维二节点桁架单元) 。 许多参数是可选的, 只有在需要的时候进行定义, 如*NODE, NSET=PART1 表示把该选 项块内定义的节点放到集合 PART1 中。把这些节点放到集合 PART1 中,并不是必须的(即 NSET 参数不是必须的) 。 关键字和参数对大小写不敏感(但是唯一的例外是文件名区分大小写) ,应使用足够的 字符以保证其唯一性(某些情况下关键字和参数可简写,但不推荐使用) 。参数之间用逗号 (, )隔开。 如果需要为参数赋值,应采用等号(=)把参数和值联系起来,且紧邻等号(=)两侧 不得有逗号。 每个关键字行不得超过 256 字符。但有时参数太多在一行放不下时(即超过 256 个字
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第 3 章 Inp 文件用法

符) ,这时应在该行末尾加一个逗号(, )作为续行标志符。如, *ELEMENT, TYPE = T2D2, ELSET = FRAME 就是一个有效的关键字行。 关键字行中可存在空格(但关键字本身不能含有空格,如*No de 将是无效的) 。

图 6.1 input 文件实例

提示:每个 inp 文件必须以*HEADING 开头。 (2)数据行(data line) 关键字行后通常都会紧跟数据行。在数据行中,可方便地列出所有所需的数据(如节 点坐标、单元连接、材料属性表格(如应力应变曲线) ) ,比在关键字行上参数赋值方便。每 个选项块都有特定的数据需求。例如,以下选项块用来定义节点: *NODE 101, 0., 0., 0. 102, 1., 0., 0. 103, 2., 0., 0. 104, 0.5, 0.866, 0.
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

105, 1.5, 0.866, 0. 其中每行的第一个整数表示节点号,第二、第三、第四个浮点数表示节点坐标(x1、x2、 。 x3) 数据行中数字之间用逗号(, )隔开,数据之间允许任意多个空格。如果数据行只有一 个数据,应在行后加一个逗号(, ) 。 (3)注释行(comment line) 为了便于阅读和理解,可在 inp 文件中除第一行外的任何行插入注释行。注释行以**开 头。在 ABAQUS 模拟计算时,注释行将不被执行。 除以上介绍的语法规则之外,inp 文件还应遵守以下语法规则: (1)*.inp 文件中不能包含空行。 提示:*.inp 文件中包含空行,是许多 ABAQUS 模拟运算不正确的原因之一。应该引起用户 的足够重视。

6.2 编写完整 inp 文件实例:桥式吊架
问题描述:桥式吊架是一个简支的铰接桁架,左端为固定铰支座,右端为滑动支座。各 杆件可绕节点自由转动。桁架的离面运动已被约束。当作用一个 10kN 荷载时,请分析结构 中杆件的位移和峰值应力(图 6.2) 。 由于该问题非常简单,所以很容易编写 input 文件。

所有杆件均为圆形 钢棒,直径 5mm。 材料属性: ρ=7800kg/m3 E=200×109Pa v=0.3

图 6.2 桥式吊架示意图

6.2.1 编写 inp 文件
使用任何一种文字处理器(如记事本、写字板) ,创建一个名为 frameinp.inp 的文件 (ABAQUS 模型输入文件的文件名后缀为 inp) 。 1.单位 此实例中采用国际单位制 SI。 2.单位系统 ABAQUS 中的全局坐标系是右手、矩形(迪卡尔)坐标系。本例中,1 坐标采用吊架
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第 3 章 Inp 文件用法

的横轴,2 坐标采用竖直轴(图 6.3) ,3 坐标垂直于吊架平面。原点(x1=0、x2=0、x3=0)为 吊架坐下角的端点。
原点

图 6.3 模型原点和坐标系

3.网格 为模型划分网格时,必须指定单元类型和网格密度。用户应逐渐积累网格划分技巧。本 例中使用桁架单元(仅能承受轴向拉、压应力,是模拟铰接结构如桥式吊架的理想单元)来 模拟吊架的各个杆件,如图 6.4 所示。
节点 桁架单元

图 6.4 有限单元网格

桥式吊架中桁架单元的连接,如图 6.5 所示。其节点和单元号是唯一的标示符,一般由 ABAQUS/CAE 或其他前处理器自动生成。对节点和单元号的唯一要求是其必须为正整数。 编号时允许有间隔,编号顺序也随意。已定义的任何节点,如果没有与单元相联系,该节点 将被自动删除,并不会包含在模拟计算中。

图 6.5 2 节点桁架单元(T2D2)的连接

本例中,使用如图 6.6 所示的单元和节点编号。

图 6.6 吊架模型中的节点和单元
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4.模型数据(Model data) inp 文件的第一部分必须包含所有的模型数据。这些数据定义了分析的结构。本例中, 吊架模型包含以下部分: (1)几何 节点坐标、单元连接、单元截面属性 (2)材料特性 标题(Heading) ABAQUS 模型输入文件的第一个选项必须是*HEADING。紧跟该选项的数据行是描述 所模拟问题的文本。为便于以后阅读,用户应给出足够精确的描述。同时,最好给定系统单 位、全局坐标系统的方向。例如,本例中*HEADING 选项块包含以下内容: *HEADING Two-dimensional overhead hoist frame SI Units 1-axis horizontal, 2-axis vertical 数据文件打印选项(Data file printing options) 默认情况下,ABAQUS 不会在打印输出文件(.dat)中打印输入文件的 echo 或者模型 数据、历史定义数据。 (By default, ABAQUS will not print an echo of the input file or the model and history definition data to the printed output (.dat) file.)但是,建议用户在分析运算之前, 用 datacheck 选项检查模型和历史定义。 如果需要打印输入文件、模型和历史定义数据,应在输入文件中添加以下语句: *PREPRINT, ECHO=YES, MODEL=YES, HISTORY=YES 节点坐标(Nodal coordinates) 当用户选择了网格设计和节点编号规则后,可以用*NODE 选项为每个节点定义坐标。 该选项的每个数据行具有以下形式: <node number>,<x1-coordinate>,<x2-coordinate>,<x3-coordinate> 本例中的节点定义为: *NODE 101, 0., 0., 0. 102, 1., 0., 0. 103, 2., 0., 0. 104, 0.5, 0.866, 0. 105, 1.5, 0.866, 0. 提示:用户在定义节点时,应慎重考虑所采用的网格和单元类型。如果未考虑好之前,就贸 然编写节点和单元,在以后修改时,将不仅影响节点和单元本身,还会影响边界条件、载荷 等的施加。 针对所研究的问题,设计好适宜的网格是编写输入文件(*.inp)成功的一半。 单元连接(Element connectivity) 桁架单元的每个数据行格式为: <element number>, <node 1>, <node 2> 其中 node 1 和 node 2 是单元两端的节点。例如,单元 16 连接单元 103 和 105,所以这 个单元的数据行为: 16, 103, 105 *ELEMENT 选项块中的 TYPE 参数必须给定,以指定单元类型。本例中使用 T2D2 桁
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第 3 章 Inp 文件用法

架单元。 ABAQUS 中最有用的功能之一是采用节点和单元集(sets) 。使用*ELEMENT 选项块中 的 ELSET 参数,可将所有在该选项块中定义的单元添加到名为 FRAME 单元集中去。 提示:集合名必须以字母开头,最多可含有 80 个字符。 本例中完整的*ELEMENT 选项块如下: *ELEMENT, TYPE=T2D2, ELSET=FRAME 11, 101,102 12, 102,103 13, 101,104 14, 102,104 15, 102,105 16, 103,105 17, 104,105 单元截面属性(Element section properties) 每个单元必须指定一个单元截面属性。 对于 T2D2 单元, 必须使用*SOLID SECTION 选 项块,并在其后一个数据行中给定单元横截面。如果数据行为空,横截面假定为 1.0。 本例中,所有杆件均为圆形钢棒,直径为 5mm,其截面积为 1.963*10-5m2。 大多数单元截面选项块中的 MATERIAL 参数,应为单元材料属性定义的名字。 提示:材料属性名必须以字母开头,最多可含有 80 个字符。 单元通过单元名与材料属性相联系。 本例中的所有单元被添加到单元集 FRAME 中。 单 元集 FRAME 被赋予为单元截面属性中的 ELSET 参数。将下列选项块添加到输入文件中:

桁架单元的横截面积

输入文件中所有以**开头的行将 被视为注释行

材料(Materials) 在 ABQAQUS 中,在所有的单元中可使用几乎所有的材料模型。ABQAQUS 中含有大 量的材料模型,本例中使用最简单的材料模型:线弹性模型。该模型由两个常量来表征:杨 氏模量 E 和泊松比 v。 ABAQUS 输入文件中的材料定义,以*MATERIAL 选项开始。参数 NAME 与单元截面 属性中的材料名相同。例如,

*MATERIAL 选项后紧跟材料子选项。可能需要多个材料子选项,所有材料子选项必须 包含在最近的*MATERIAL 选项块中。本例中的材料子选项由*ELASTIC 定义,具有如下形 式: *ELASTIC <E>,<v> 本例中完整的材料定义如下: *MATERIAL, NAME=STEEL
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*ELASTIC 200.E9, 0.3 至此,模型定义部分全部完成。 5.历史数据(History data) 历史数据定义了模拟过程中的相关事件。荷载历史被细分成一系列的分析步(steps) , 每个分析步定义了结构荷载的一部分,包含以下信息: 模拟分析类型(静态、动态等) 、载荷和约束、输出需求。 本例中,关心的是中部 10kN 载荷对桥式吊架的静态响应,吊架左下端完全固定,右端 滚动约束。只需要一个分析步就可完成整个模拟过程。 每个分析步以*STEP 开始,其后紧跟包含分析步描述的数据行。本例中,使用以下形 式的*STEP 选项块: *STEP,PERTURBATION 10kN central load 参数 PERTURBATION 表示线性分析。如果此参数被忽略,则分析可能是线性的,也可 能是非线性的。 分析程序(Analysis procedure) *STEP 选项块后必须紧跟定义的分析程序(模拟计算的类型) 。本例中,关心的是结构 的长期静态响应(用*STATIC 定义) 。对于线性分析,*STATIC 没有参数或数据行,其形式 为: *STATIC 分析步中的其他输入数据,用来定义边界条件(约束) 、载荷、输出需求,它们之间的 前后顺序不限。 边界条件(Boundary conditions) 当模型某部分的位移已知时, 可应用边界条件。 这些部分可能在模拟计算中保持固定 (零 位移)或移动指定非零位移。这些约束直接施加在模型的节点上。 在一些情况下,一个节点被完全约束,在任何方向上不能移动(如节点 101) ;另一些 节点在某些方向上被限制而在其他方向上可自由移动 (如节点 103 竖向被约束, 在横向可自 由移动) 。 提示:节点可移动的方向称为自由度(degrees of freedom (dof) ) 。桁架单元中的节点具有两 个自由度,梁单元和壳单元上的节点还具有 2~3 个转动自由度(最多 6 个自由度) 。 ABAQUS 中的自由度约定如下所示:
1 1 方向平动(U1) 2 2 方向平动(U2) 3 3 方向平动(U3) 4 绕 1 轴的转动(UR1) 5 绕 2 轴的转动(UR2) 6 绕 3 轴的转动(UR3)

节点上的活动自由度依赖于其所属的单元类型。 二维桁架单元 T2D2 在每个节点具有两 个自由度:1 方向和 2 方向上的平动(dof1 和 dof2) 。 节点的约束由*BOUNDARY 选项定义,其后的数据行具有如下的形式:
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第 3 章 Inp 文件用法

<node number>, <first dof>, <last dof>, <magnitude of displacement> 第一个自由度和最后一个自由度用来定义受约束的自由度范围。例如, 101, 1, 3, 0.0 约束了节点 101 的 1、2 和 3 方向的位移量(均为 0,即该节点在 1、2 和 3 方向均不能 移动) 。 如果在数据行中没有指定位移量,则该位移量为 0。如果节点仅一个方向受限,则第三 个数据(即<last dof>)为空或等于第二个数据(即 first dof) 。例如,为了仅仅限制节点 103 在 2 方向上的位移,可使用以下任何一种数据行形式: 103, 2,2, 0.0 或 103, 2,2 或 103, 2 节点上边界条件是累积的。下列输入将约束节点 101 在 1 方向和 2 方向上的位移: 101, 1 101, 2 除单独指定每个方向的自由度,可使用如下更常用的约束形式: ENCASTRE 约束节点上所有的位移和转动; PINNED 约束节点上所有平动自由度; XSYMM 关于 x1 平面对称的约束; YSYMM 关于 x2 平面对称的约束; ZSYMM 关于 x3 平面对称的约束; XASYMM 关于 x1 平面反对称的约束; YASYMM 关于 x2 平面反对称的约束; ZASYMM 关于 x3 平面反对称的约束; 因此,约束节点 101 上所有活动自由度,也可以采用以下形式: 101, ENCASTRE 本例中完整的*BOUNDARY 选项块形式如下: *BOUNDARY 101,ENCASTRE 103,2 载荷(Loading) 载荷可引起结构的位移或变形,包括:集中荷载、面荷载、分布牵引荷载、壳单元上分 布边荷载和弯矩、非零边界条件、体力、温度等。 集中荷载由*CLOAD 选项块定义,其后数据行具有如下形式: <node number>, <dof>, <load magnitude> 本例中, 在节点 102 的 2 方向上作用了一个-10kN 的集中荷载 (作用方向与 2 方向相反, 所以为负值) ,该选项块如下: *CLOAD 102, 2, -10.E3 输出需求(Output requests) 有限单元分析可产生大量的数据。ABAQUS 允许用户控制和管理这些输出数据,以便 只输出可解释模型结果的数据。有四种类型的输出数据: 可供 ABAQUS/Viewer 进行后处理的中性二进制文件(ABAQUS 输出数据库文件,其 后缀为.odb) ;
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打印输出结果(ABAQUS 数据文件,其后缀为.dat) ; 可供继续分析的重启动文件(ABAQUS 重启动文件,其后缀为.res) ; 可供第三方软件进行后处理的中性文件(ABAQUS 结果文件,其后缀为.fil) 。 本例中采用前两种文件。 默认情况下,对于给定类型的分析,ABAQUS 会产生一个输出数据库文件,其中包含 了预先选择的、最常用的输出变量组合。 选择输出结果也可以表格的形式写入 ABAQUS 数据文件(.dat)中。默认情况下,在 ABAQUS 数据文件(.dat)中没有任何信息。*NODE PRINT 选项块可控制节点输出(如位 移和抗力) ,*EL PRINT 选项块可控制单元输出。 上述两种选项块中的数据行将以表格列的形式列出输出数据。 每个数据行产生一个单独 的数据表格,最大可输出 9 列数据。 本例中,关心的是节点位移(输出变量 U) 、受约束节点的结构抗力(输出变量 RF) 、 杆件中的应力(输出变量 S) 。在输入文件中添加以下语句,以在数据文件中产生三个输出 数据表格。 *NODE PRINT U, RF, *EL PRINT S, 至此,已完成了分析步所需的全部数据,使用*END STEP 选项块以结束分析步的定义。 *END STEP 整个输入文件已完成了。将以上所有数据存为 frameinp.inp。退出文本编辑器。 提示:本例子也可以采用 ABAQUS/CAE 来建模,在 job(作业)模块中可生成 inp 文件(如 framecae.inp) 。用文本编辑器打开 framecae.inp,并与 frameinp.inp 文件进行比较。 (1)文件结构 两者的文件结构存在较大差别。由 ABAQUS/CAE 生成的 inp 文件,基本上依次由以下 部分组成:文件头(HEADING ) 、部件(PARTS,包括节点、单元、截面定义) 、装配件 ( ASSEMBLY , 包 括 部 件 实 体 ) 、 材 料 ( MATERIAL ) 、 边 界 条 件 ( BOUNDARY CONDITIONS) 、分析步(STEPS,包括荷载、输出需求等) 。可以看出,两者的主要区别在 于:直接编写的 inp 文件(frameinp.inp)没有明显的部件和装配件的概念。 (2)文件大小 由 于 直 接 编 写 的 inp 文 件 没 有 部 件 和 装 配 件 的 概 念 , 其 文 件 大 小 明 显 小 于 由 ABAQUS/CAE 生成的 inp 文件, 因此显得结构紧凑。 但直接编写 inp 文件需要对 inp 文件结 构以及关键字等非常熟悉,适合于高级用户。

6.2.2 检查运行 inp 文件
1.检查 inp 文件 在正式运行模拟计算之前,在 ABAQUS Command 环境下输入以下命令,检查 inp 文件 中是否存在错误: abaqus job=frameinp datacheck interactive 提示:在正式模拟计算前,进行 datacheck 分析,可确保输入文件的正确性,以及是否具有

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第 3 章 Inp 文件用法

足够的磁盘空间和内存容量。 但也可将 datacheck 分析和正式分析结合在一起,采用以下命令直接进行模拟计算: abaqus job=frameinp int 运行上述命令后,ABAQUS 将产生许多文件,其中对用户最有用的文件是数据文件, 即 frame.dat 文件。采用任意的文本编辑器打开该文件,可以看到由以下几部分组成: (1)输入文件 echo(input file echo) (2)ABAQUS 选项列表(list of options) 该部分列出了 inp 文件中所有的关键字行。 提示:如果存在错误,ABAQUS 将在相应部位产生错误或警告信息。 (3)模型数据(model data) 该部分列出了所有的模型数据。 提示:在这一部分中要特别注意检查材料的属性定义。有时材料属性定义错误,将导致错误 的结果或模拟计算根本无法收敛。这一点往往被用户所忽视。 (4)历史数据(history data) 该部分列出了所有的历史数据(如载荷的施加、输出需求等) 。 (5)研究问题和文件大小的总结(summary of problem and file sizes) 在这一部分,用户应着重关注模拟计算所需的磁盘空间需求。 如果以上(2) 、 (3)和(4)任何一个部分存在错误或警告信息,用户应根据所分析的 问题,更正所有的错误。 提示:当模型较复杂时,数据文件(.dat)将很大,直接查找错误或警告信息比较繁琐。这 时,应采用文本编辑器的查找功能,直接搜索关键字 error 或 warning,再进行相应的修改。 查找并修改 inp 文件中的错误,是一件费时、费力的技术活,用户应逐渐积累这方面的 经验。 2.运行 inp 文件 当用 datacheck 选项检查无误后, 在 ABAQUS Command 环境下输入以下命令进行模拟 计算: abaqus job=frameinp int 当运算结束后,就可采用 ABAQUS/Viewer 或第三方软件进行模型结果的后处理。在此 从略。 提示:可利用 odb 文件或 dat 文件中的输出结果,检查 inp 文件的正确性。这需要用户根据 相关知识对所分析问题的结果做出正确的判断。 关于直接编写 inp 文件的其它实例,可参见**章中的实例“路面结构裂缝问题的算例分 析” 。

6.3 编写部分 inp 文件实例:软土地基上路面结构的沉降
上面介绍的直接编写 inp 文件的方法,对于比较简单的问题,可能比较容易。但对比较 复杂的问题(如软土地基上路面结构的沉降问题) ,直接编写 inp 文件需要较高的技巧和熟 练程度。这对初学者而言,是很难达到这种要求的。因此,一般情况下,并不建议对所有问 题都完整编写 inp 文件,而是结合 ABAQUS/CAE,只需编写部分 inp 文件的内容,以提高 工作效率。 通常情况下,使用 ABAQUS/CAE 生成部分模型数据(包括部件、实体和装配件,不
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

包含材料属性定义,但需要创建材料名) ,其他部分(包括材料属性定义和历史数据)直接 在 inp 文件中编写。这种编写部分 inp 文件的方法使用更为普遍。 使用 ABAQUS/CAE 生成部分模型数据,可以避免繁琐的节点和单元定义,大大提高效 率; 采用 ABAQUS/CAE 生成模型数据操作直观, 便于修改; 一般仅需要在 Part、 Property、 Assembly、Mesh 和 Job 模块中进行操作,其它模块的内容由直接编写 inp 文件来完成。 问题描述:修筑在软土地基上的沥青路面结构(图 6.7) ,由五种材料组成,其厚度和材 料属性参数如表 6.1 所示。 路堤高 4m,采用 Drucker-Prager(D-P)弹塑性模型,材料属性参数如表 6.2 和表 6.3 所示。砂垫层厚 0.5m,其弹性模量 E 为 50MPa,泊松比 v 为 0.3。两层软土分别为淤泥质粘 土和粉质粘土,分别厚 11.5m 和 8m,淤泥质粘土采用 Drucker-Prager(D-P)弹塑性模型, 其材料属性参数如表 6.2 和表 6.3 所示;粉质粘土采用 Clay plasticity 模型,材料特性参数如 表 6.4 所示。 地下水位线为砂垫层以下 1.0m。模型底面宽度取 60m,模型表面(路面表面)为 28m, 模型总厚度为 24.69m。路面和路堤按 1:1.5 放坡。 路面结构的填筑顺序和填筑时间(加载历时曲线) ,如图 6.8 所示。请分析路面结构在 15 年后的不均匀沉降(路肩与路中沉降差) 。
路面 地下水位线 路堤 堤址点 砂垫层

淤泥质粘土

60m

图 6.7 软土地基上路面结构模型 表 6.1 路面材料属性

结构层 表面层 中面层 下面层 上基层 下基层

材料名称 沥青玛蹄脂 SMA 沥青混凝土 AC20 沥青稳定碎石 ATB 级配碎石 GM 水泥稳定碎石 CTB

厚度(cm) 4 6 24 15 20

弹性模量 E (MPa) 1400 1200 1000 500 1500

泊松比 μ 0.35 0.3 0.3 0.35 0.25

表 6.2 Drucker-Prager 模型参数

材料类型 路堤填土 淤泥质粘土

γd(kN/m3) 18.3 17.6

c 29.3 8.0

φ’
36.5 24.0

E 5600 2500

υ
0.24 0.35

β
28.7 35.3

8m

粉质粘土

11.5m

k 1.00 1.00

ψ
28.7 35.3

表 6.3 Drucker-Prager 模型的硬化参数

硬粘土
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淤泥质粘土

第 3 章 Inp 文件用法

σ1-σ3(kPa) 170.1 649.9 740.3 801.4 848.0

εp 0.000 0.035 0.050 0.073 0.091

σ1-σ3(kPa) 57.04 102.359 177.59 282.18

εp 0.000 0.0082 0.024 0.056

表 6.4 Clay Plasticity 模型参数

材料类型 粉质粘土

γd(kN/m3) 17.8
高度/ m
6 5

c 22.4

φ’
31.6

κ
0.02

υ
0.31

λ
0.07

M 1.27

α0
0.00

β
1.00

K 1.00

e1 1.02

路面施工期
4 3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14

1 5 年工后固结

预压 分级加载

时间/ m o n t h
16 18 20 22

图 6.8 加载历时曲线

6.3.1 ABAQUS/CAE 生成部分模型数据
1.Part(部件)模块 在 ABAQUS/CAE 环境下,点击左侧工具区 (Create Part) ,弹出 Create Part 对话

框,将 Modeling Space 设为 2D Planar,Type 设为 Deformable,Base Feature 设为 Shell, 点击 按钮,ABAQUS 自动进入 Sketch 绘图环境。 点击左侧工具区 (Create lines: Connected) ,在提示区输入(-30,-20) (实际输入时

不需要括号,下同) ,按 Enter 键确认,继续在提示区输入(30,-20) ,再按 Enter 键确认。 按照同样的步骤, 分别在提示区中输入 (30,0) 、 (21.035,0) 、 (14,4.69) 、 (-14,4.69) 、 (-21.035,0) 、 (-30,0) ,分别按 Enter 键确认,再用鼠标左键点击起始点(-30,-20) 。点击鼠标右键,再点 击 Cancel Procedure。此时,视图区将显示模型的外部轮廓线。点击提示区的 按钮, 以退出 Sketch 绘图环境。 用鼠标左键按住左侧工具区 图标不放,稍等片刻,在弹出的系列图标中选择 按

钮(Create Datum Point: Offset From Point) ,选择路面表面左侧顶点为偏移基准点,在提 示区输入(-0.06,-0.04,0) ,按 Enter 键确认。按照同样的方法,仍以路面表面左侧顶点为偏 移 基 准 点 , 分 别 在 提 示 区 中 输 入 ( -0.15,-0.10,0 ) 、 ( -0.51,-0.34,0 ) 、 ( -0.735,-0.49,0 ) 、
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

(-1.035,-0.69,0) 、 (-2.535,-1.69,0) 、 (-4.035,-2.69,0) 、 (-5.535,-3.69,0) ,分别按 Enter 键确 认。 再以砂垫层左侧顶面点为偏移基准点,分别在提示区中输入(0,-0.50,0) 、 (0,-12.0,0) , 分别按 Enter 键确认。 点击左侧工具区 环境。 点击工具栏 (Partition Face: Sketch)按钮,ABAQUS 自动进入 Sketch 绘图 (Box Zoom View) 按钮, 在视图区用鼠标左键划选路面左侧区域 (图

6.9) ,点击鼠标右键,选择 Cancel Procedure。

图 6.9

(Box Zoom View)按钮的使用

图 6.10 剖分模型

点击左侧工具区 按钮, 再次点击工具栏

按钮, 点击创建的第一个数据点, 点击工具栏

(Auto-Fit View)

(Box Zoom View) 按钮放大模型右侧区域 (可能需要多次放大) ,

当鼠标指针移至模型右边界上出现“×”时(图 1.10) ,单击鼠标左键,按“Esc”键完成线 段的绘制,完成路面表面层的剖分。 按照同样的步骤,完成整个模型的剖分,点击提示区的 按钮,ABAQUS 自动退出 Sketch 绘图环境,再次点击提示区的 按钮。剖分后的模型如图 6.11 所示。

图 6.11 剖分完成后的模型

点击窗口顶部工具栏上的

(Save Model Database) ,键入所需的文件名(softpave) ,
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第 3 章 Inp 文件用法

ABAQUS/CAE 会自动加上.cae 后缀。 2.Property(特性)模块 在 ABAQUS/CAE 窗口顶部的环境栏 点击左侧工具区 输入 SMA,点击 中选择 Property(特性)模块。

(Create material)按钮,弹出 Edit material 对话框,在 Name 后 按钮,完成材料 SMA 的创建。

提示:材料的属性参数,直接在 inp 文件中给出,可避免繁琐的菜单操作。建议所有用户采 用这种方式。 按照同样的步骤完成其他材料的创建(图 6.12) 。其中 SG、sand、soft1、soft2 分别代 表路堤、砂垫层、淤泥质粘土和粉质黏土。

图 6.12 Material Manager 对话框

点击左侧工具区

(Create Section)按钮,弹出 Create Section 对话框,保持默认参 栏

数不变, 点击 Continue。 在弹出的 Edit Section 对话框中的 中选择 SMA,点击 按钮,完成截面 Section-1 的创建。

按同样的步骤,创建 AC20 等其他材料的截面属性。 提示:为避免出错,一般按照从上到下的顺序创建材料截面。 点击左侧工具区 (Assign Section)按钮,在视图区中模型最上部分区域点击鼠标 按 钮 , 在 弹 出 的 Edit Section Assignment 对 话 框 中 的 栏中选择 Section-1, 点击 按照同样步骤,完成其他材料的定义(图 6.13) 。 按钮完成 SMA 材料的定义。

左键,再点击提示区的

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

图 6.13 Section Assignment Manager 对话框

3.Assembly(装配)模块 在 ABAQUS/CAE 窗口顶部的环境栏 配件。 (1)部件实体化 点击左侧工具区 (Instance Part)按钮,弹出 Create Instance 对话框,将 Instance 按钮,以完成部件的实体化(图 中选择 Assembly(装配)模块,以创建装

Type 设为 Independent(mesh on instance),点击 6.14) 。

A

B

C

D

E
图 6.14 部件实体化后的装配件

F

(2)定义集合 ①用于施加边界条件的集合 依次点击菜单栏上[Tools]→[Set]→[Create],在弹出的 Create Set 对话框中的 Name 后

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第 3 章 Inp 文件用法

输入 left, 点击 Continue, 点击提示区的

(Show/Hide Select Options) , 在弹出的 Option

对话框中选择 Edges,并将选择实体的方法设为 Select Entities Inside the Drag Shape(选择 拖拽框内的实体,即 点击提示区中 被选中) ,在视图区中划选模型左侧边界(图 6.14 中 AE 线段) ,

按钮完成集合 left 的定义。按照同样方法,以模型右侧边界(图 6.14 中

DF 线段)为集合 right,模型底部边界(图 6.14 中 EF 线段)为集合 bottom。 ②用于定义排水的集合 依次点击菜单栏上[Tools]→[Set]→[Create],在弹出的 Create Set 对话框中的 Name 后 输入 freesurf,点击 Continue,在视图区中同时选取 AB、CD 线段(图 6.14) ,点击提示区 中 按钮;按照同样的方法创建集合 inisurf(图 6.14 中线段 BC) 。 ③用于定义施加载荷的集合 依次点击菜单栏上[Tools]→[Set]→[Create],在弹出的 Create Set 对话框中的 Name 后 输入 SMA,采用工具栏 (Box Zoom View)按钮(或滚动鼠标滚轮)放大模型表面的区

域,在路面结构第一层(SMA)内电击鼠标左键,这时视图区如图 6.15 所示,点击提示区 的 按钮。

图 6.15 创建集合 SMA

按照同样的步骤完成,其它模型层次的集合。完成后的集合如图 6.16 所示。

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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

图 6.16 创建好的集合

提示:当创建多个集合 (sets)时, 容易出错。这时可在 Set Manager 对话框中点击 按钮,这时提示区将显示该集合所代表的区域,如果显示区域不正确,可重新选区正确的模 型区域。 注意:上图中集合 SMA 与材料名 SMA,名字相同,但含义不同,注意不要混淆。 4.Mesh(网格)模块 在 ABAQUS/CAE 窗口顶部的环境栏 格。 点击左侧工具区 (Seed Part Instance)按钮,在弹出的 Global Seeds 对话框中,将 按钮,完成模型种子(Seeds)定义。 中选择 Mesh(网格)模块,为模型划分网

Approximate global size 设为 1,点击 点击左侧工具区 提示区中

(Assign Mesh Controls)按钮,在视图区中选择整个模型,点击

按钮, 弹出 Mesh Controls 对话框, 将 Technique 设为 Structure, 点击 按钮,完成网格控制的定义。 (Assign Element Type)按钮,在视图区中选择模型上半部(路面

按钮,点击提示区中 点击左侧工具区

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第 3 章 Inp 文件用法

结构和路堤) ,点击提示区中

按钮,弹出 Element Type 对话框。将 Geometric Order

设为 Linear(线性单元) ,将 Family 设为 Plane Strain,此时对话框中显示单元为 CPE4R (4 节点线性平面应变减缩积分单元) , 点击 按钮; 再在视图区中选择模型下半部 (除

路面结构和路堤外) , 在 Element Type 对话框将 Family 设为 Pore Fluid/Stress,此时对话框 中显示单元为 CPE4P(4 节点线性平面应变孔隙压力单元) ,点击 区中 按钮,完成模型单元的定义。 (Mesh Part Instance)按钮,在视图区中选择整个模型,点击提 按钮,点击提示

点击左侧工具区 示区中的

按钮,完成网格的划分。完成后的模型网格如图 6.17 所示。

图 6.17 划分网格后的模型

5.Job(作业)模块 在 ABAQUS/CAE 窗口顶部的环境栏 点击左侧工具区 中选择 Job (作业) 模块, 创建并提交作业。

(Job Manager)按钮,弹出 Job Manager 对话框。点击 按钮,在弹出 按钮,ABAQUS

按钮,弹出的 Create Job 对话框,将 Name 设为 softpave,点击 的 Edit Job 对话框中点击 按钮;点击对话框右上角的 将在当前工作目录生成名为 softpave.inp 的文件。 退出 ABAQUS/CAE 环境。

6.3.2 编写部分 inp 文件
1.softpave.inp 中的内容 用文本编辑器打开 softpave.inp,可以看到该文件主要包含了以下内容: (1)文件头(Heading) (2)部件(Parts)
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ABAQUS 软件在道路工程中的应用

提示:由于在 Assembly(装配)模块中,将部件实体设为了 Independent(mesh on instance) (独立实体) ,因此该部分仅包含了下列两行: *Part, name=softpave *End Part (3)装配件(Assembly) inp 文件中这部分内容几乎占有全部文件的 80%以上,包含了节点和单元定义、材料截 面属性定义、部件实体和集合定义等。这部分内容完全包含在以下两条语句之间: *Assembly, name=Assembly …… *End Assembly (4)材料

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