LS-DYNA 材料的二次开发

ANSYS/LS-DYNA Training 2001

LS-DYNA 材料的

二次开发

ANSYS/LS-DYNA 专题培训


内容

● 二次开发环境

● 主程序及入口条件

● 开发材料的本构、子程序及求解输入文件描述

● 编译、运行新的求解器

● 开发 Kelvin_voigt 粘弹材料

● 用新材料模式做大变形分析


LS-DYNA 二次开发基于 FORTRAN 环境

在 PC 和 UNIX 平台下都需要进行连接编译，生成新的求解器

Pc 平台需安装 digital visual fortran 5.0 或 Microsoft power station 4.0

提供的资源包括：Ls-dyna.f 用户自定义本构子程序

Ls-dyna.lib 静态连接库

Ls-dyna.dsp digital FORTRAN workspace 文件或 MAKEFILE 用于（包括主程序）

Readme.txt 说明文件

二次开发环境


在 UNIX 平台提供如下资源：Makefile 执行编译批处理文件（？）

object 文件（内含主程序）

dyn21.f 用户定义本构子程序

支持的平台：

940.2 版 DEC NEC IBM

HP SGI SUN

950d 版COMPAQ CRAY SGI

IBM LINUX SUN

用户平台需安装 FORTRAN77


二次开发如何实现？用户自定义的本构代替 ls-dyna.f 或 dyn21.f 中的相关本构描述

LS-DYNA 共提供 10 种 *user_defined_material_model, 由这些输入数据为自定义本构提供参数，完成分析

在程序中使用的自定义 subroutine 要和 Jobname.K 中指定的相同

在一次分析中，用户最多可同时使用 10 种自定义材料本构


主程序及入口条件

c******************************************************************

c| LS-DYNA main program entry |

c******************************************************************

program lsdyna3d

call dyna3d

stop

end

c******************************************************************


入口条件

参数传递c cm(1)=young's modulus

c cm(2)=poisson's ratio

C cm(n)= 用户在点 K 中给定的新本构参数

c eps(1)= x 应变增量

c eps(2)= y 应变增量

c eps(3)= z 应变增量

c eps(4)= xy 应变增量

c eps(5)= yz 应变增量

c eps(6)= zx 应变增量

c 单元类型 etype:

c eq.“brick” 实体单元

c eq.“shell” 壳单元

c eq.“beam” 梁单元

c

c time= 当前时间

c dt1= 当前时间步长

c capa= 纵向剪切缩减因子

c sig(1)= x 应力

c sig(2)=y 应力

c sig(3)=z 应力

c sig(4)=xy 应力

c sig(5)=yz 应力

c sig(6)=zx 应力

c

c hisv(1)= 历史变量 1

c hisv(2)= 历史变量 2

…

c hisv(n)= 历史变量 n


每个积分步、主程序提供如下这些已知量：

6 个应变增量

可能涉及的历史变量 hisv （ n）

单元类型的字符串

当前时间

当前时间步长

用户在点 K 文件中给定如下参数：弹性模量

波松比

其它参数 cm(n)

Ls-dyna.f 或 dyn21.f应完成的工作：

求出 6 个应力增量

求出其它可能涉及的历史变量 hisv （ n ）


参数说明

由主程序提供的所有参数基于单元坐标系，计算得到的应力显然如此，之后由主程序将其转换到整体坐标系

所有的历史变量在初始调用子程序

时将置零

能量计算完全由主程序完成


子程序举例

c******************************************************************

c| user-defined subroutine example |

c******************************************************************

subroutine umat41 (cm,eps,sig,hisv,dt1,capa,etype,time)

c isotropic elastic material (sample user subroutine)

c variables

c cm(1)=young's modulus

c cm(2)=poisson's ratio

c

c eps(1)=local x strain increment

c eps(2)=local y strain increment

c eps(3)=local z strain increment

c eps(4)=local xy strain increment

c eps(5)=local yz strain increment

c eps(6)=local zx strain increment


c sig(1)=local x stress

c sig(2)=local y stress

c sig(3)=local z stress

c sig(4)=local xy stress

c sig(5)=local yz stress

c sig(6)=local zx stress

c hisv(1)=1st history variable

c hisv(2)=2nd history variable

c hisv(n)=nth history variable

c dt1=current time step size

c capa=reduction factor for transverse shear

c etype:

c eq."brick" for solid elements

c eq."shell" for all shell elements

c eq."beam" for all beam elements

c time=current problem time.


character*(*) etype

dimension cm(*),eps(*),sig(*),hisv(*)

c

c compute shear modulus, g

c

g2 =cm(1)/(1.+cm(2))

g =.5*g2

c

if (etype.eq.'brick') then

davg=(-eps(1)-eps(2)-eps(3))/3.

p=-davg*cm(1)/((1.-2.*cm(2)))

sig(1)=sig(1)+p+g2*(eps(1)+davg)



sig(4)=sig(4)+g*eps(4)




elseif (etype.eq.'shell') then

c

gc =capa*g

q1 =cm(1)*cm(2)/((1.0+cm(2))*(1.0-2.0*cm(2)))

q3 =1./(q1+g2)

eps(3)=-q1*(eps(1)+eps(2))*q3

davg =(-eps(1)-eps(2)-eps(3))/3.

p =-davg*cm(1)/((1.-2.*cm(2)))



sig(3)=0.0

sig(4)=sig(4)+g *eps(4)

sig(5)=sig(5)+gc*eps(5)


c


elseif (etype.eq.'beam' ) then

q1 =cm(1)*cm(2)/((1.0+cm(2))*(1.0-2.0*cm(2)))

q3 =q1+2.0*g

gc =capa*g

deti =1./(q3*q3-q1*q1)

c22i = q3*deti; c23i =-q1*deti

fac =(c22i+c23i)*q1

eps(2)=-eps(1)*fac-sig(2)*c22i-sig(3)*c23i

eps(3)=-eps(1)*fac-sig(2)*c23i-sig(3)*c22i

davg =(-eps(1)-eps(2)-eps(3))/3.

p =-davg*cm(1)/((1.-2.*cm(2)))


sig(2)=0.0

sig(3)=0.0


sig(5)=0.0


endif

return

end


对应的点 K 中的材料描述

*MAT_USER_DEFINED_MATERIAL_MODELS

$ MID RO MT LMC NHV IORTHO IBULK IG

1 7.890E-09 41 4 0 0 4 3

$ IVECT IFAIL

0 0

$ P1(E) P2(NU) P3(G) P4(K)

2.100E+05 3.000E-01 80.769E+3 175.0E+3


练习：在 PC 上开发并应用 kelvin-voigt粘弹材料

橡胶采用 kelvin-voigt 模型 , 本构方程由下式给定：

= E0 +E1 （ / t ）

其中： E0 =0.6437Mpa, E1 = 0.0136Mpa·s;

密度： 4000Kg/m3

应用此材料做大变形分析

球直径 10cm, 下面由地板支撑，上部由一钢板在 10ms 将其到厚度为 5cm 的圆饼


步骤：

得到 LSTC公司提供的资源 Ls-dyna.f

Ls-dyna.lib

Ls-dyna.dsp

打开 digit visual fortran

在此环境中打开 Ls-dyna.dsp ，将


subroutine umat41 (cm,eps,sig,hisv,dt1,capa,etype,time,d,s,t)

character*(*) etype

dimension cm(*),eps(*),sig(*),hisv(*),d(6),s(6),t(6)

C

c

character*(*) etype

dimension cm(*),eps(*),sig(*),hisv(*),d(6),s(6),t(6)

c

g2 =cm(1)/(1.+cm(2))

g =.5*g2

Ls-dyna.f


if (etype.eq.'brick') then

davg=(-eps(1)-eps(2)-eps(3))/3.

p=-davg*cm(1)/((1.-2.*cm(2)))

s(1)=p+g2*(eps(1)+davg)



s(4)=g*eps(4)

s(5)=g*eps(5)

s(6)=g*eps(6)

d(1)=eps(1)/dt1

d(2)=eps(2)/dt1

d(3)=eps(3)/dt1

d(4)=eps(4)/dt1

d(5)=eps(5)/dt1

d(6)=eps(6)/dt1

C for the second term in the constitutive

g2 =cm(5)/(1.+cm(2))

davg=(-d(1)-d(2)-d(3))/3.


p=-davg*cm(5)/((1.-2.*cm(2)))

t(1)=p+g2*(d(1)+davg)

t(2)=p+g2*(d(2)+davg)

t(3)=p+g2*(d(3)+davg)

t(4)=g*d(4)

t(5)=g*d(5)

t(6)=g*d(6)

sig(1)=sig(1)+s(1)+t(1)

sig(2)=sig(2)+s(2)+t(2)

sig(3)=sig(3)+s(3)+t(3)

sig(4)=sig(4)+s(4)+t(4)

sig(5)=sig(5)+s(5)+t(5)

sig(6)=sig(6)+s(6)+t(6)

endif

c

return

end


Kelvin.k

*MAT_USER_DEFINED_MATERIAL_MODELS

$ MID RO MT LMC NHV IORTHO IBULK IG

2 4e3 41 5 0 0 4 3

0 0

6.437e5 .49 8e6 2e7 1.36e4


应用此材料模式求解大变形问题，与Moony_rivlin 计算结果比较（略）

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