UMAT4COMSOL （也称为 UMAT4COMSOL) 是一个 C 语言包装器，它允许在 COMSOL Multiphysics 中使用 Abaqus 用户材料子程序 (UMAT)。.
Abaqus UMAT 是用 Fortran 编写的例程，用于定义自定义本构关系（例如复杂塑性、损伤或超弹性模型），而 COMSOL 的 外部材料 接口需要 C 语言编写的 Material 函数。.
UMAT4COMSOL 在两者之间进行转换：它在 C 中实现了 COMSOL eval 回调，内部调用了 Fortran UMAT，并在 COMSOL 和 Abaqus 约定之间转换变量（应变、应力、切线）。.
这解决了在 COMSOL 多物理场环境中重用数十年来 Abaqus 开发的材料模型的问题。正如 Martínez-Pañeda 和 Lucarini 指出的，COMSOL 的内置材料无法直接集成 UMAT，因此 MAT4COMSOL“将 COMSOL 的外部材料子程序输入和输出转换为 Fortran 编码的 Abaqus UMAT 输入和输出”。.
实际上，MAT4COMSOL 充当适配器，使 COMSOL 能够访问任何已作为 Abaqus UMAT 实现的先进本构模型。.
COMSOL的 外部材料 该功能已允许用户使用 C 语言编写自定义材料定律，并将其编译成共享库。MAT4COMSOL 利用此功能，将 UMAT 调用序列编译成这样的库。.
换句话说，MAT4COMSOL 将 UMAT 打包成 COMSOL 兼容的 DLL 文件（Linux 系统下为 .so 文件），以便 COMSOL 求解器将其视为任何其他材料函数。这使得基于 UMAT 的本构行为（例如弹塑性、粘塑性、晶体塑性、超弹性等）与 COMSOL 的多物理场（热、流体、电磁、化学等）功能相结合成为可能。.
设置和配置
MAT4COMSOL 以 C 和 Fortran 源代码的形式分发（可在 GitHub 和作者网站上获取）。安装过程包括下载代码、将封装器和 UMAT 编译成共享库，以及将该库链接到 COMSOL 模型中。.
主文件是一个名为 UMAT4COMSOL.c 的 C 语言封装程序。编译后，它可以作为用户自定义外部材料库在 COMSOL 中使用。编译过程中，UMAT4COMSOL.c 和 umat.f 文件应位于同一文件夹中。可以使用以下命令编译代码：
gfortran -c umat.f
gcc -c UMAT4COMSOL.c
gcc -shared -o extmat.dll umat.o UMAT4COMSOL.o
-lgfortran -lquadmath
这将生成一个包含 UMAT 接口的动态库（Windows 系统下为 extmat.dll，Linux 系统下为 extmat.so）。如果需要有限应变行为，则会提供一个单独的 C 封装程序 (UMAT4COMSOLfinite.c)。编译后的库必须同时包含 UMAT 例程 (umat.o) 和封装程序 (UMAT4COMSOL.o)。.
库构建完成后，可以按如下方式将其加载到 COMSOL 中： – 在 模型制作者, ，添加一个 外部材料 在适当的 材料 分支。.
– 选择正确的外部材料类型（例如. 一般应力-应变关系 对于小菌株或 一般应力-变形 （对于有限应变）在结构力学界面中。.
– 在外部材质的设置中输入已编译库（extmat.dll）的路径。.
– 指定 材料模型参数 包括任何 UMAT 属性（PROPS 向量），并定义状态变量（及其初始值）的数量以匹配 UMAT 的 STATEV。.
– 在 固体力学 物理学，使用一个 外部应力-应变 （或者 应力-变形) 节点并将其链接到新的外部材料。.
这些步骤配置 COMSOL 在每个积分点调用 MAT4COMSOL 库。在非线性分析中，COMSOL 将在每次迭代中调用该封装程序两次（一次用于计算 UMAT 的应力，一次用于获得一致切线）。.
上图展示了一个带有外部材料的模型；MAT4COMSOL 会在后台处理转换，因此该过程对用户来说是自动的。.
支持的版本： MAT4COMSOL 可与支持外部材料库的 COMSOL 版本（例如 COMSOL 5.x 和 6.x）以及以固定格式 (Fortran 77) 或自由格式 (Fortran 90+) 编写的 Abaqus UMAT 配合使用。.
它没有显式的版本锁定；仅依赖于标准编译器工具链。实际上，它已在 COMSOL 和 Abaqus 的最新版本（2020-2024 版本）上进行了测试。.
安装概要：
1. 下载 UMAT4COMSOL 源代码可从 [GitHub 存储库] 或 [empaneda.com/codes] 获取。.
2. 准备UMAT考试： 请确保您的 Abaqus UMAT Fortran 文件 (umat.f) 可以自行编译。.
3. 编译： 使用 Fortran 和 C 编译器构建库（如上所述）。.
4. 设置 COMSOL 模型： 在 COMSOL 的模型构建器中，创建一个外部材料条目并链接到 extmat.dll。包含所有 UMAT 属性和状态。.
5. 运行模拟： 利用一般应力-应变（或应力-变形）关系求解。.
提示：您可以在我们的博客中了解有关 Abaqus umat 的所有信息：
开始撰写您的第一份 UMAT Abaqus 和 VUMAT Abaqus 试卷
应用程序
MAT4COMSOL 功能 利用先进本构模型进行多物理场仿真 通过重用 Abaqus 子程序。典型应用场景包括任何需要在 COMSOL 中模拟复杂材料行为（之前以 UMAT 形式编码）的场景。例如：
- 金属塑性和成形： 在COMSOL中，可以将复杂的金属塑性UMAT（例如Drucker-Prager模型、晶体塑性模型、运动硬化模型）嵌入到耦合的热力学或化学力学模型中。作者展示了小应变弹塑性（带孔板）和多晶塑性实例。.
- 超弹性与聚合物： 现有的超弹性或粘弹性UMAT（例如定制橡胶或软组织模型）可以重复用于COMSOL中涉及大变形、流固耦合或压电效应的分析。MAT4COMSOL框架支持有限应变UMAT（例如新胡克模型），如验证案例所示。.
- 复合材料： 针对复合材料损伤、分层或各向异性行为的定制化UMAT（专为Abaqus复合材料编写）可以集成到包含热、湿或电化学耦合的COMSOL仿真中。例如，可以使用基于Abaqus的损伤UMAT在COMSOL的多物理场环境中模拟复合材料层合板的湿热老化。.
- 生物力学： 生物力学材料模型（例如肌肉、韧带或肌腱的本构关系）通常以 UMAT 的形式存在；MAT4COMSOL 允许在多物理场环境中使用这些模型（例如与组织中的流体流动或化学传输耦合）。.
- 腐蚀和氢脆： 用于氢捕获、相变或腐蚀损伤的材料UMAT（通常在Abaqus中开发）可以与COMSOL的电化学或扩散模块相结合。作者通过将晶体塑性UMAT与单晶中的氢传输相结合，展示了这种潜力。.
简而言之，MAT4COMSOL 在研究人员想要……的时候最为有用。 利用现有的UMAT材料模型 在 COMSOL 的灵活平台上，这在航空航天和汽车（先进合金和复合材料）、能源（电池和燃料电池材料）、生物医学（软组织、植入物）和制造（金属成形、焊接）等行业中具有重要价值——基本上任何复杂材料行为和多物理场相互作用的领域都适用。.
实例和案例研究
开发者提供了多个示例和教程来展示 MAT4COMSOL 的实际应用。[GitHub 代码库] 包含示例文件夹，例如弹塑性、新胡克、晶体塑性和耦合模型，每个文件夹都包含一个 COMSOL 模型和相应的 UMAT 源文件。这些示例包括：
- 弹塑性示例： 使用小应变塑性UMAT方法对受拉孔板进行四分之一模型建模。COMSOL的计算结果与Abaqus的计算结果吻合。.
- 超弹性示例： 使用新胡克UMAT对大变形块体进行分析。.
- 晶体可塑性： 采用晶体塑性 UMAT 对多晶聚集体进行建模，展示了各向异性弹性和滑移的处理方法。.
- 耦合物理： 使用 UMAT 进行塑性分析，并使用 COMSOL 进行扩散耦合，对单晶进行氢扩散拉伸试验（展示氢脆建模）。.
这些案例研究验证了 MAT4COMSOL 的正确性，并展示了典型的工作流程。源代码、文档和示例 COMSOL 模型文件均可免费获取（参见下方链接）。研究人员也已开始在在线论坛上讨论 MAT4COMSOL，并将其集成到用户自定义的仿真工作流程中。.
应用、验证和代表性示例
UMAT4COMSOL 能够将先进的材料建模和多物理场工具相结合，这对于预测现代材料和器件的结构完整性和失效至关重要。它具有普适性，允许在 COMSOL 中重复使用任何现有的 Abaqus UMAT 模型。.
CAE 助手 Umat/Vumat 存储库
我们的资源详细介绍了如何使用 UMAT 和 VUMAT 在 Abaqus 中实现各种高级本构模型，尤其侧重于复合材料、损伤力学和非线性材料行为。您可以在我们的资源中找到上述代码。 包裹 通过搜索它们。.
复合材料损伤和失效
| Mode/Criterion | Subroutine(s) | Exact Usage |
|---|---|---|
| Hashin Damage (Initiation) | UMAT, VUMAT, USDFLD | Used for preparing the 3D continuum HASHIN damage initiation model in Abaqus. Necessary because Abaqus software lacks a built-in damage model for continuum elements. |
| Hashin Progressive Damage | VUMAT | Implementation of progressive damage based on the Hashin theory using the energy method for 3D continuum composite materials. This code can be used for both dynamic (impact) and static problems. |
| Modified Hashin Criteria | UMAT | Used for simulating woven composite fatigue, adapted from the original Hashin model. |
| 冰球标准 | UMAT, VUMAT, USDFLD | Simulation of composite PUCK damage in 3D continuum elements. The Puck model detects compressive and tensile failure in fibers and matrix and determines the angle of fracture. |
| Puck Criterion (Pressure Vessel) | UMAT | Implementation of progressive Puck failure for the failure analysis of composite pressure vessels. |
| 蔡-希尔准则 | UMAT | Implementation of the Tsai-Hill failure criterion for orthotropic composites (e.g., plane stress problem, shell elements). |
疲劳和循环载荷
| Application | Subroutine(s) | Exact Usage |
|---|---|---|
| Composite Fatigue (General) | UMAT | Simulation and analysis of a fatigue composite model for cyclic loading, including 2D (shell elements) 和 3D space. Calculates fatigue and final fatigue life based on the number of loading cycles, modeling the reduction of material properties. |
| Composite Fatigue (Dynamic) | VUMAT | Simulation of composite fatigue, specifically tailored for the explicit solver, meaning acceleration effects are included in each cycle. |
| Short Fiber Composite Fatigue | UMAT (or VUMAT version for explicit solver) | Implemented based on Avanzini’s damage model, typically using UMAT for smooth material strength and property reduction. |
Plasticity and Ductile/Brittle Damage
| Model/Criterion | Subroutine(s) | Exact Usage |
|---|---|---|
| 运动硬化塑性 | VUMAT | Implementation for kinematic hardening, including calculation of internal and dissipation energy equations, often part of training on complex subroutines. |
| 约翰逊-库克可塑性 | VUMAT | Implemented to model Johnson-Cook plasticity and damage initiation. |
| Johnson-Cook Progressive Damage | VUMAT | Implemented for Johnson-Cook progressive damage, following a complete flowchart including plasticity and damage initiation stages. |
| Lemaitre Damage Model | VUMAT | Implementation of the fully coupled elastic-plastic-damage model for ductile materials, often used for complex problems like the upsetting process. Used for shell elements. Includes calculating the damage parameter and element deletion. |
| Ductile Damage (CDM) | VUMAT | Implements the continuum damage mechanics (CDM) framework for ductile materials, including the effect of micro-crack closure. Utilizes the element deletion option to simulate ductile crack growth. |
| Brittle Materials | VUMAT | Simulation of elasticity behavior for brittle materials, incorporating a failure criterion and the element removal setting. |
| Von Mises Plasticity | UMAT, VUMAT | Implementation of the Von Mises model, often including kinematic hardening, for material behavior definition. |
| Cohesive Zone Model (CZM) | UMAT | Implementation of gradual progressive damage for CZM (adhesives), based on energy criteria. |
粘弹性材料、粘塑性材料及其他先进材料
| Model/Criterion | Subroutine(s) | Exact Usage |
|---|---|---|
| Generalized Maxwell Viscoelastic | UMAT | Implementation of the rheological Maxwell viscoelastic model (e.g., considering five Maxwell elements) for the Abaqus standard solver. |
| Kelvin-Voigt Viscoelastic | UMAT, VUMAT | Implementation for the Kelvin-Voigt viscoelastic model to simulate viscoelastic materials (e.g., bituminous concrete, epoxy) using both standard (UMAT) and explicit (VUMAT) solvers. |
| Perzyna Viscoelastic | UMAT | Implementation of the Perzyna viscoplastic model to simulate accurate 2-3D mechanical responses of time-dependent, inelastic materials like metals, polymers, and elastomers. |
| Shape-Memory Alloys (SMAs) | UMAT | Modeling the constitutive behavior of SMAs, specifically simulating the superelasticity effect in SMA wires under tension. |
| CJS Soil Model | VUMAT (or UMAT if standard solver is needed) | Implementation of advanced soil constitutive models (CJS-II and CJS-III) for geotechnical simulations in Abaqus. |
| Damage in Thermoplastic Polymers | UMAT | Simulation of damage properties using a constitutive damage model, often utilizing an implicit scheme for numerical integration, such as the Eindhoven Glassy Polymer (EGP) model. |
| Non-Isothermal Elasticity | UMAT | Used to handle scenarios where the elastic behavior of the material is temperature-dependent. |
| Isotropic Isothermal Elasticity | UMAT, VUMAT | Used as a basic implementation (e.g., linear elastic material) to demonstrate the core functions of the subroutine and verify results. |
UMAT4COMSOL显著提升了Abaqus用户子程序库的价值，这些子程序库提供了自定义的复杂本构模型。源材料中编译的子程序库展示了现在可以通过UMAT4COMSOL封装器在COMSOL中使用的各种高级材料模型。.
在线资源
- 官方代码： 主要源代码和文档都在 GitHub 上： sergiolucarini/UMAT4COMSOL. 该存储库包括 C 封装器、示例 UMAT 和说明。.
- 开发者网站： 作者网站上提供了可下载的代码和教程： www.empaneda.com/codes. 该网站列出了 MAT4COMSOL，并提供了期刊文章和示例文件的链接。.
- 已发表论文： 同行评审的描述（Lucarini & Martínez-Pañeda，2024）位于 工程软件的进展. 它包含了转换的详细说明、使用说明和验证结果。.
- COMSOL 文档： COMSOL 官方文档对外部材料接口进行了描述。例如，COMSOL 指出“外部材料函数用 C 语言编写并编译成共享库”，并且可以通过 C 封装器调用其他语言编写的材料例程。虽然 COMSOL 的文档没有专门介绍 MAT4COMSOL，但它们解释了用户子例程的框架。.
- 用户论坛： 用户可以在 COMSOL 社区论坛、Abaqus 论坛和 StackExchange（例如 [cstheory.stackexchange.com]）上讨论 MAT4COMSOL。由于 MAT4COMSOL 是一款新兴工具，专门的论坛数量有限，但社区中关于“Abaqus + COMSOL 耦合”的问答经常会提到 MAT4COMSOL 作为解决方案。.
与其他方法的比较
MAT4COMSOL 的独特之处在于它提供了 直接、通用 用于 Abaqus UMAT 的桥接器。如果没有它，用户主要有两种替代方案：
- 手动重新实施： 可以从头开始手动将 UMAT 本构逻辑重写为 COMSOL C 子程序。但这非常耗时耗力且容易出错，尤其对于复杂模型而言。COMSOL 自身的示例展示了如何用 C 语言编写外部材料代码（例如简单的塑性或损伤模型），但手动编写任意 UMAT 代码将耗费数年时间。.
- 其他资料库（例如 MFront）： 开源 MFront TFEL 库可以为多个目标生成本构模型代码。值得注意的是，TFEL 具有 COMSOL 接口：用户可以将材料模型（用 MFront 语言编写）编译成可供 COMSOL 使用的 libComsolBehaviour.dll 文件。然而，使用 MFront 需要将材料模型转换为其 DSL（领域特定语言）。例如，一位用户成功地为 Norton 粘塑性模型构建了 libComsolBehaviour.dll 文件。相比之下，MAT4COMSOL 允许您重用原始的 Fortran UMAT 代码，而无需重新编写代码。.
协同模拟或耦合： 部分用户可能会尝试在 Abaqus 和 COMSOL 之间进行协同仿真（例如通过协同仿真接口或 FMU）。这些方法可以同步两个求解器，但需要运行两个独立的仿真并交换边界数据。.
他们确实如此 不是 UMAT被嵌入到COMSOL内部，因此无法直接生成单一的集成解决方案，也无法使用COMSOL的求解器来解决整个问题。相比之下，MAT4COMSOL完全在COMSOL内部运行，可以提供无缝的单模型解决方案。.
总而言之，虽然存在像 TFEL/MFront 和协同仿真这样的工具，但它们会增加复杂性或工作量。MAT4COMSOL 的优势在于其 对任意 Abaqus UMAT 进行非侵入式重用 在 COMSOL 中。据我们所知，它是第一个专门用于 UMAT 与 COMSOL 集成的开源框架。.
想了解 COMSOL Multiphysics 却不知从何入手？请阅读我们的博客：
资源
UMAT4COMSOL：COMSOL 的 Abaqus 用户材料 (UMAT) 子程序封装器 | 材料力学实验室：
https://mechmat.web.ox.ac.uk/publication/1652124/manual
UMAT4COMSOL：COMSOL 的 Abaqus 用户材料 (UMAT) 子程序封装器：
https://arxiv.org/html/2402.13925v1
外部材料实例，结构力学：
https://www.comsol.com/model/external-material-examples-structural-mechanics-32331
在 Comsol 环境中使用 Mfront · thelfer tfel · 讨论 #634 · GitHub：
https://github.com/thelfer/tfel/discussions/634
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