10 个实用的 Abaqus 子程序（第二部分）| 有限元分析应用

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有限元分析应用 | 有限元方法的工程应用

When you want to simulate an analysis in the ABAQUS, you may encounter some complications that require user-defined coding. So, ABAQUS has left you a coding platform for this matter. It’s called the ABAQUS subroutine. Here, we have presented some Abaqus user subroutine examples. We explained some of them with finite element analysis applications in engineering.

有限元分析 (FEA) 广泛应用于各个行业，用于设计优化、结构分析、热分析、流体流动模拟等。在汽车行业，FEA 有助于分析车辆的碰撞安全性、优化零部件设计以减轻重量以及研究空气动力学。[1][4] 航空航天业依靠 FEA 进行飞机结构完整性分析、机翼设计优化以及研究气流模式。[1] FEA 在土木工程中也至关重要，用于分析建筑物、桥梁和其他基础设施在各种荷载条件下的结构行为。[4] 制造业利用 FEA 来模拟和优化金属成形和成型等制造工艺。[1][5] 有限元分析的应用已得到充分讨论。.

1. FRIC 和 VFRIC

当 ABAQUS 中提供的经典库仑摩擦模型的扩展版本无法解决您的相关问题，并且您需要对接触面之间的剪切传递进行复杂的定义时，以下两种方法可能非常有用。换句话说，如果您需要具有用户自定义摩擦的接触模型，则可以使用 FRIC（标准求解器）或 VFRIC（显式求解器）子程序。.

Some FRIC & VFRIC instances

Pile foundation

2020年，中国山东大学岩土与结构工程研究中心利用ABAQUS子程序进行有限元分析，以预测桩群在不同桩布置下的响应。该子程序FRIC作为辅助平台，采用双曲线端部阻力模型和软化侧摩阻力模型，用于ABAQUS的接触对计算。.

图1：桩群在6400KN总荷载作用下的响应 [参考]

Subsea pipelines

海底管道主要用于输送石油和天然气。.

2019年，德黑兰大学土木工程学院开展了海底管道局部屈曲的研究。他们利用ABAQUS软件和FRIC子程序建立了一个模型，该模型能够消除管道的横向位移。FRIC子程序实现了管道-土壤相互作用模型，该模型控制了管道的横向和轴向位移。.

图2：海底管道

图 3：侧向位移过程中管道-土壤相互作用的循环响应 [参考]

Tire- asphalt pavement contact behavior

2020年，国家自然科学基金资助了一项关于干地条件下轮胎与路面接触行为的研究。研究人员使用ABAQUS软件模拟三维有限元模型来分析这些行为。此外，他们还使用FRIC子程序来定义轮胎与沥青路面之间的接触。有限元分析应用

图 4：轮胎与沥青路面接触的模拟 [参考]

图5：沥青路面上的轮胎痕迹

Metal cutting modeling of titanium alloy

钛合金是硬质金属，广泛应用于航空航天、汽车等众多行业。加工这类合金是一项极具挑战性的工作。.

2011年，中国国家留学基金委资助了一项关于切削过程中应力和损伤评估的研究。研究人员借助ABAQUS子程序模拟了钛合金的切削过程。VFRIC子程序开发了一种改进的摩擦模型和正交切削模型。.

图 6：切削过程模拟 [参考]

笔记： If you want to learn more about this useful subroutine and see some examples, check this course:

ABAQUS 中的 VFRICTION 和 VFRIC 子程序简介

• 5.00

本教程旨在帮助您解决经典哥伦比亚方程较为复杂且无法通过图形化 ABAQUS 环境实现的问题。本软件包介绍并讲解了如何编写这两个子程序。本介绍部分将解释 VFRICTION 和 VFRIC 子程序的各种可选参数和必需参数。.

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2. UMESHMOTION 子程序

如果要定义网格节点的运动，必须使用 UMESHMOTION 子程序。该子程序可帮助您在自适应网格划分期间指定网格运动约束。在执行自适应网格划分的任何增量结束时，都会调用此子程序。UMESHMOTION 子程序中有限元方法的工程应用如下所述。.

Engineering applications of finite element method for the UMESHMOTION subroutine

Artificial knee joints

2020年，东京大学机械工程系开展了人工膝关节磨损模拟研究。研究人员使用ABAQUS软件及其UMESHMOTION子程序来评估人工关节的磨损情况。UMESHMOTION子程序用于更新接触区域的几何形状。这是一个重要的ABAQUS用户子程序示例。.

图 7：全膝关节置换术

图 8：全膝关节置换术模拟 [参考]

子程序编写在人工膝关节的有限元建模和分析中发挥着至关重要的作用，它使研究人员和工程师能够精确地模拟和优化这些植入物的设计和性能。以下是子程序编写在该领域的一些关键应用。.

用户还可以开发自定义子程序来模拟人工膝关节中可能发生的失效和损伤机制，例如磨损、分层、疲劳裂纹或植入物-骨界面松动。这些子程序可以整合先进的损伤模型、断裂力学原理和实验数据，以预测植入物的长期性能和耐久性。. 通过利用子程序编写功能，研究人员和工程师可以创建高度精确且定制化的有限元模型，从而捕捉人工膝关节设计、材料和载荷条件的复杂细节。这些模型可用于设计优化、临床前测试和患者个体化模拟，最终提高植入物的性能、使用寿命和患者疗效。. 

Fretting wear

2020年，中国国家留学基金委资助了一项关于变摩擦系数下微动磨损有限元分析的研究。微动磨损可能导致紧固件松动或其他问题；此外，实验中测量微动也极具挑战性；因此，有限元模拟和ABAQUS子程序可以分析其行为。UMESHMOTION子程序实现了接触面几何形状的连续变化。.

图 9：基本模型的尺寸和几何形状 [参考]

Note: You’re interested in this complicated yet very useful subroutine?! Want to see some examples? Click on this section:

ABAQUS 中的 UMESHMOTION 子程序

• 4.53

如果要定义网格节点的运动，必须使用 UMESHMOTION 子程序。该子程序可帮助您在自适应网格划分过程中指定网格运动约束。在本教程包中，您将学习何时需要使用 UMESHMOTION 子程序以及如何使用它。本教程包包含三个工作坊：“在成形过程中编写 UMESHMOTION 子程序”、“在轧制过程中编写 UMESHMOTION 子程序”和“通过 UMESHMOTION 进行胎面磨损仿真”。磨损过程采用 Archard 模型，该模型在学术和工业项目中应用广泛。.

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3. HETVAL 子程序

该子程序用于在传热分析过程中模拟内部热量产生。例如，它可以与溶液溶解过程中发生的相变相关。该子程序可以依赖于状态变量，例如物质转变的比例。.

HETVAL applications

Phase-field fracture method

相场法是一种常用的技术，用于模拟裂纹萌生、扩展和合并，而无需追踪断裂表面。.

2021年，奥维耶多大学建筑与制造工程系提出了一种在ABAQUS软件中应用相场断裂方法的稳健而简便的方案，该方案采用了HETVAL子程序。利用该方法，用户可以使用ABAQUS的内置功能，无需定义用户单元。HETVAL子程序定义了内部热通量及其对温度的导数。.

图 10：螺旋拉伸试验的最终相场轮廓图 [参考]

Rolling tire

2018年，韩国汽车技术研究院开发了一种动态滚动轮胎的仿真方法，用于预测轮胎温度升高。研究人员使用ABAQUS子程序进行仿真。HETVAL子程序利用总耗散应变能计算热生成率。通过这个Abaqus用户子程序示例，您可以做出更优的设计。.

图 11：滚动轮胎温度分布 [参考]

碳-碳复合材料

2015 年 ASME 大会上发表了一项研究，该研究预测了热冲击条件对 C/C 复合材料的影响。研究人员借助 ABAQUS 子程序 HETVAL 和 UMAT 完成了这项研究。HETVAL 子程序模拟了碳材料降解产生的内部热量。.

图 12：C/C 复合材料内部的热通量分布 [参考]

P91 steel welding

2021年，中国国家重点研发计划资助了一项研究，该研究找到了一种计算P91钢焊接残余应力的方法。研究人员利用ABAQUS软件中的HETVAL等子程序实现了该方法。HETVAL子程序计算了马氏体相变产生的相变潜热。.

图 13：焊接过程中某一工况的应力分布 [参考]

希望您喜欢上述子程序中有限元方法的工程应用。.

4. DFLUX 子程序

该子程序可用于定义质量扩散或热传递分析中的非均匀分布通量。它可以定义为时间、位置、温度、积分点数、单元数等的函数。.

图 14：使用 DFLUX 进行电弧焊接模拟

Several applications of the DFLUX subroutine

Asphalt pavement

2018年，中国大连理工大学开发了一种模拟方法，用于观察在施加反射裂缝的情况下，沥青路面在循环温度作用下的性能变化。研究人员使用了ABAQUS软件中的DFLUX和FILM等子程序。DFLUX子程序用于计算路面结构中的温度分布。这只是ABAQUS用户子程序应用的一个例子。您可以在网上搜索到更多类似的子程序。.

图15：沥青路面结构中的温度分布 [参考]

有限元建模（FEM）已成为土木工程师模拟和分析沥青路面性能不可或缺的工具。FEM 使研究人员和从业人员能够模拟路面系统中复杂的材料特性、荷载条件和结构相互作用，从而为设计优化和性能评估提供宝贵的见解。.

有限元法在沥青路面分析中的关键应用

1. 结构响应分析有限元法被广泛用于预测各种荷载工况（包括静态和动态荷载）下路面的关键响应，例如应力、应变和挠度。这些信息对于评估疲劳裂缝和车辙等路面病害的潜在发生至关重要。.
2. 材料表征: 在 ABAQUS 等 FEM 软件中，用户定义的子程序（例如 Dflux、UMAT、VUMAT）能够实现高级本构模型，从而捕捉沥青材料的非线性、粘弹性和温度相关的行为。.
3. 损伤和失效建模有限元法可以结合损伤模型和断裂力学原理，模拟沥青路面裂纹的萌生和扩展、分层以及其他失效机制。.
4. 路面-车辆相互作用耦合有限元模拟可以模拟路面与移动车辆荷载之间的动态相互作用，从而深入了解交通对路面性能的影响。.

激光熔覆

在第46^th 在2018年举行的SME会议上，研究人员提出了一种数值分析方法，用于确定多层包覆层在芯片修复应用中的硬度和残余应力。该分析采用ABAQUS子程序实现，并使用DFLUX子程序施加热载荷。.

图 16：激光熔覆

图 17：边界条件和计算域
金属-热力耦合分析 [参考]

Additive manufacturing (3D printing)

3D 打印工艺使用高功率激光将粉末床上的金属原料熔化。.

2018年，谢菲尔德大学机械工程系发表了一篇文章，开发了一种用于评估选择性激光熔化Ti6Al4V合金残余应力的模型。研究人员使用ABAQUS软件和DFLUX子程序对该模型进行了仿真。他们利用该子程序编写了一个移动体积热源程序来模拟激光。像这样的Abaqus用户子程序示例是当今最重要的研究领域之一。.

图 18：温度估算位置 [参考]

摩擦搅拌焊接

2019年，印度潘迪特·迪恩达亚尔石油大学利用ABAQUS子程序开发了一个三维有限元模型，用于预测冷却辅助摩擦搅拌焊接过程中的热梯度。摩擦搅拌焊接过程中产生的热量被转化为随时间变化的表面热通量，这一过程由DFLUX子程序实现。.

图 19：摩擦搅拌焊接

图 20：焊接阶段的热分布 [参考]

Note: Tutorial and more examples of this fascinating subroutine:

ABAQUS 中的 DFLUX 子程序（VDFLUX 子程序）

• 4.78

DFLUX 子程序（VDFLUX 子程序）用于热传递和温度位移求解器中各种体热通量和表面热通量状态下的热载荷计算，尤其适用于热通量随时间、位置或其他参数变化的情况。本课程将讲解“何时需要使用此子程序？”、“如何使用 DFLUX 子程序？”、“DFLUX 和 VDFLUX 的区别是什么？”、“如何将 DFLUX 转换为 VDFLUX 以及反之亦然？”以及“如何在示例中使用它？”。课程包含三个研讨会，帮助您在实践中学习所有这些内容： 利用DFLUX子程序模拟两块板材之间的焊接, 使用DFLUX模拟两管之间的电弧焊接, ， 和 不同类型功能性热通量的模拟（体表-表面-采用Johnson-cook塑性模型和VDFLUX子程序进行板元件分析（热机械分析）.

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现在，请获取以下 DFLUX 子程序的免费示例。.

5. DISP 和 VDISP 子程序

最后要介绍的 ABAQUS 子程序是 DISP 和 VDISP。它们用于指定预设的边界条件。DISP 用于 ABAQUS/Standard 求解器，而 VDISP 用于 ABAQUS/Explicit 求解器。当您需要同时定义与时间和位置相关的边界条件，而 ABAQUS 本身的功能无法支持这些问题时，DISP 和 VDISP 子程序将能帮您解决。.

DISP and VDISP applications

Groundwater

2018 年，中国博士后科学基金资助了一篇利用 ABAQUS 和 DISP 子程序模拟有限元模型来研究地下水位随时间波动的文章。.

图 21：计算模型 [参考]

Soft tissue

2016年，谢里夫大学机械工程系开发了一种结缔软组织的本构和微观力学模型。研究人员使用ABAQUS的UMAT和DISP等子程序对该模型进行了模拟。他们使用DISP子程序来模拟周期性边界条件。.

图22：大鼠尾肌腱的剪切应力分布 [参考]

Sheet metal forming

2021年，深圳市跨尺度制造力学重点实验室对超声振动辅助钣金成形进行了研究。研究人员利用ABAQUS软件的VUMAT和VDISP等子程序进行了仿真分析。其中，VDISP子程序用于建立成形工具的预定义路径。.

图 23：边界条件和预定义的成形刀具路径 [参考]

ABAQUS 中的 DISP 和 VDISP 子程序

• 5.00

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获取本文的PDF文件： caeassistant.com 10-useful-abaqus-subroutinepart2

引用：
[1] https://www.industryarc.com/Research/Finite-Element-Analysis-Market-Research-502582
[2] https://www.transparencymarketresearch.com/finite-element-analysis-analysis-software-market.html
[3] https://www.lxsim.com/en/blog/what-are-the-main-applications-of-finite-element-analysis-fea/
[4] https://www.stymertech.com/blog/why-fea-is-important-in-industry/
[5] http://www.designtechsys.com/articles/fea-services[/vc_column_text]