ABAQUS用户材料子程序开发及应用

摘要

隧道式锚碇是悬索桥的主要承重体系，属于大型岩土工程结构。由于无法对其进行足尺模型试验，数值分析就成为此类结构设计的重要依据，也是悬索桥设计中的难点和关键问题之一。由于岩土工程问题的复杂性，单一的本构模型往往无法满足需要，本文拟采用基于Rankine准则的Mohr-Coulomb模型，分析研究依托于大型通用有限元软件ABAQUS的计算平台进行。ABAQUS软件功能强大，特别是能够模拟非线性的影响，它包括了多种材料本构关系及失效准则模型，并具有良好的开放性，提供了若干个用户子程序接口，允许用户以代码的形式来扩展主程序的功能。但ABAQUS没有提供本研究所需要的本构模型，故需利用该软件提供的用户材料子程序UMAT接口对其进行二次开发。本构模型的建立和积分算法的选择是UMAT子程序开发中的核心问题。本文的研究工作紧紧围绕UMAT的二次开发技术，采用FORTRAN语言编制了基于Rankine准则的Mohr-Coulomb模型的接口程序，和常见的显式积分算法不同，本文采用完全隐式的向后Euler回映算法，并比较了二者的优劣性。通过单元测试，验证了所研制的UMAT子程序开发思路正确，计算精度满足要求。应用该程序对四渡河悬索桥隧道锚进行三维弹塑性分析，和长江科学院采用FLAC-3D的分析结果比较，二者具有一致性，表明接口程序具有工程实用价值。本文所开发的UMAT接口程序对任意形如的屈服函数均适用，只需求解本文中提出的“五参数”，即可将屈服函数在ABAQUS中实现。论文所完成的工作扩大了ABAQUS在弹塑性有限元分析中的应用范围，并为ABAQUS其他功能的开发以及有限元程序的开发提供了借鉴。