ABAQUS用户子程序USDFLD应用实例

引言

ABAQUS作为一种强大的有限元分析软件，提供了多元化的分析工具以满足工业设计和工程研究中日益复杂的分析需求。通过对材料模型的深入定制和扩展，ABAQUS允许用户通过自定义材料行为和材料属性来模拟更为精确的物理现象。其中，用户子程序USDFLD的应用应运而生，成为了复杂材料模型建模和分析的强大工具，尤其在领域内如粉末冶金、损伤分析之中，表现出了其独特的优势。

本文将以某一药物粉末模压具体案例为例，详细介绍如何应用ABAQUS中的用户子程序USDFLD进行材料模型的二次开发，实现材料属性随粉体相对密度变化的动态模拟，进而建立高精度的仿真模型。

用户子程序USDFLD简介




功能概览

USDFLD或Use Defined Field，作为ABAQUS用户子程序系列之一，其核心功能是允许用户通过自定义场变量fi的函数来描述材料行为的复杂性，适用于需高度定制和体现非线性行为的材料模型分析。

ABAQUS /Standard中的灵活材料属性定义  通过USDFLD，用户可以在每个单元积分点处精确定义材料属性，如通过场变量fi的值来变化弹性模量、屈服压力、硬化的速率等参数。

记录计算结果数据的功能  通过内嵌套程序如GETVRM，USDFLD允许材料属性动态地基于计算中的特定变量和结果数据进行调用，如密度、应变、应力等。

结合其他特定用户子程序  USDFLD的延展性之大，其用户子程序可通过与其他如CREEP（蠕变分析）、HETVAL（分散值计算）、UHYPEL（高温应力松弛）等进行配合，使某些变量能够作为fi函数，进而搭建组合型材料模型。

单元级应用限制  USDFLD主要用于那些需要定义材料属性变化的单元，例如在流动分析、变形分析或热结构分析中，其作用尤为显著。

案例解析与实现方法


问题描述

为了模拟一种药物粉末根据特定工艺流程进行模压的过程，本文将详细讨论从加载（压缩）、卸载，至最终脱模的完整工艺流程。在此过程中，粉末体将采用Cap Plasticity（Modified DruckerPrager/Cap）模型进行描述，结合USDFLD子程序以实现粉体密度基于成形过程中各点应力状态的动态变化，进而模拟更为准确的材料行为。

材料模型介绍


粉末材料特性的探讨

相比致密材质，粉末材料特征在于其多基于细颗粒组成，填充空间紧密性差异，导至压模成型过程中的体积与密度变化显著。此特性揭示了材料属性，特别是弹性、屈服点及硬化曲线等，与实际密度的关系密切。因此，在仿真分析阶段，必须考虑到密度变化对材料属性的影响，以确保模型的准确性和适用性。

USDFLD在材料模型中的作用

鉴于ABAQUS标准材料模型参数为固定值，无法实用化地模拟粉末压缩过程中的大幅压缩比问题，USDFLD子程序得以强化，实现材料属性随密度动态调用，以此提高仿真分析的整体精准度。

实现策略上，以粉体相对密度为变量f1，内联于目标材料模型的弹性特性、屈服条件和硬化规律的参数定义均为f1的多个函数，以拟合密度变化对本构模型动态影响。

材料参数选择与操作步骤


几何构建与简化的应用

本文采用栈式对称模型简化计算流程，构建粉末体与模具的几何模型，其中，粉末体作为柔性体处理，而模具则作为解析刚体模型创建。这种建模思路既考虑了物理过程的对称性，又降低了计算复杂度。

材料模型设计与USDFLD配置

在USDFLD的利用阶段，首先，在模型中选择User Defined Field（UDF）构建项目基础，随后，通过ABAQUS Depvar（依赖变量）指定将管理状态变量的定数，量化非线性行为与流程变化的关联性。针对本案例，弹性模型（Elastic）、塑性模型（Cap Plasticity）、以及硬化模型（Cap Hardening）需在UDF中进行定义，指定参数Number of field variables=1，简明逻辑下以表格形式输入特定变量与密度的动态关系，锚固USDFLD弹性、塑性与硬化模型变化机制。

分析步建立与输出变量设定

针对模压流程，按阶段划分静态一般的分析类型创建三个步骤（压缩、卸载、脱模），紧跟ABAQUS Default Options（默认选项）的指导，在Field Output（场输出）选取输出特定变量，顺应当分析步进程需求与状态变量追踪，把控仿真流程细部与全场动态。

网格划分与单元属性配置

执行分割网格，并分别指定粉末体针对性单元类型和参数设置，确保模型几何与物理的准确拟合。

接触关系建立与特殊情况处理

建立接触对（接触对关系、固件压力等）并在模拟特定阶段调整接触对所属状态与几何链接，如脱模过程下的接触作用考虑。

约束施加与较为仿真启动

设置固定模具保持静止状态的需求，在不同工艺阶段精确定义移动模具位置，使得仿真流程全面模拟模压全过程。

任务创建与并行计算参数设定

最终，在分析模块查找指定USDFLD主文件，设置预约并行计算参数，若时间允且计算资源优化需求存在，则将仿真任务提交执行。