Peridigm框架的用户材料界面与UMAT接口的应用

软件X 21（2023）101322原始软件出版物一个用于Perideparidic Peridigm框架的用户材料界面Christian Willberga，J.，Jan-Timo Hessea，Marc Garbadea，Martin Rädela，Falk Heineckea，Andreas Schustera，Anna Pernatiiba德国航空航天中心，Lilienplatz 7，Braunschweig，38126，德国b奥托·冯·格里克大学，Universitätsplatz 2，Magdeburg，39104，Germanyar t i cl e i nf o文章历史记录：2022年11月25日收到2023年1月17日收到修订版，2023年关键词：围产期学用户资料UMAT接口材料建模损伤模型a b st ra ct有限元代码中的用户材料（UMAT）允许研究人员或工程师应用他们的自己的材料套路。简单的软件接口被指定来表示材料行为in software软件.为了使用这些已经存在的和经常验证的模型，以Peridophilics的UMAT接口。它允许简化使用已经存在的材料例行程序的peridedicic框架Peridigm。该接口基于Abaqus UMAT定义，允许将Fortran例程直接集成到Peridigm中。基于Peridigm的现有UMAT例程的集成消除了从经典连续介质力学理论重新开发和重新编程材料模型的需要此外，相同的材料模型实施方式适用于有限元以及周向模拟。这为分析、核实和比较开辟了新的可能性。有了这个接口，许多材料例程可以重复使用，并应用于渐进失效分析。源代码存储在GitHub存储库中。版权所有2023作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前软件版本0.1此版本可执行文件的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-22-00389法律软件许可证BSD计算平台/操作系统Linux安装要求依赖Trilinos 13.2.0、HDF5 1.12.0、NetCDF 4.8.0、CMake 3.20.5Zenode archivehttps://zenodo.org/record/6418265问题支持电子邮件：christian. dlr.de;jan-timo. dlr.de1. 动机和意义在工程应用中，材料行为通常采用经典的连续介质力学模型。建模发生在偏微分方程的帮助下。由于位移的空间导数的要求，该理论在描述断裂机制时有其局限性一个可能的方法来跨越这些限制代表的Peridynamics。在这里，通过使用积分公式而不是微分公式来克服对空间可导性的要求[1在最初的理论中，结果[6]，现有的材料模型必须重写。为了提高周期性理论的可用性，Silling等人在2007年开发了[7]的文件。该配方引入了*通讯作者。电子邮件地址：christian. dlr.de（Christian Willberg）.一个非局部的整体变形梯度，它允许使用经典的连续力学模型在周波。非局部变形梯度允许经典应变和应力测量的计算由于周波理论是由裂纹扩展过程的分析所激发的，因此通常采用无网格方法进行数值求解。其中一个更先进的框架是由SandiaNational Labs提供的，称为Peridigm [8，9]。该框架允许大规模模型的并行化，并具有与开源软件的后处理接口ParaView。1最近几年引入了一些扩展。在本软件出版物中，例如基于能量的普通态损伤模型、各向异性、对应能量损伤模型[10然而，Peridigm目前的结构不允许直接使用已经存在的1https://www.paraview.org/访问日期：2022年3月7日。https://doi.org/10.1016/j.softx.2023.1013222352-7110/©2023作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxChristian Willberg，Jan-Timo Hesse，Marc Garbade etal.软件X 21（2023）1013222Fig. 1. UML模式。图二、狗 骨模型的块定义，允许指定特性。现有的材料模型。材料模型必须重写才能在Peridigm中使用这适用于经典的周波以及对应的材料模型。Abaqus是一个通用的有限元求解器，可用于模拟不同的材料行为。该软件提供了一个界面，包括用户材料（UMAT）。UMAT通常是用Fortran编写的，它是这个研究领域的准标准，尽管存在替代格式。因此，本出版物的目标是提供一个直接的Peridigm-Abaqus UMAT接口。该接口 减 少 了 Peridigm 框 架 中 材 料 建 模 的 障 碍 ， 并 显 着 增 加 了Peridigm框架的优势这里介绍的方法遵循一个设置，允许轻松扩展到其他材料模型以及语言。2. 软件描述在本节中，我们将讨论UMAT接口的架构和功能。2.1. 软件构架用户材料界面是由Abaqus UMAT界面驱动在使用材料程序之前，必须将应变值转换为局部坐标。通过Fortran程序计算的应力值被转换回原始坐标。表1概述了接口和支持的参数。显然，并非所有参数都有效，因为它们特定于有限元格式。整体接口架构如图所示。1.一、Peridigm用户材料的结构类似于所使用的典型材料在Peridigm。为了能够使用材料例程，UMAT文件必须被预编译并复制到特定的文件夹。引入了一个额外的界面层。它用于转换或计算UMAT的特定参数。因为，材料名称不能直接从Peridigm转移，在C++ to Fortran中，提供了专用的Fortran例程。此例程将C++的字符串定义转换为Fortran的字符字段定义。2.2. 软件功能与任意现有材料模型的接口允许定义任意数量的属性和状态变量。定义如清单1或Zenodo归档文件中的示例所示。状态变量允许特定的计算，例如离散材料响应或特性的历史。可以保存这些状态变量，并在Peridigm输入文件的输出部分请求输出（清单2）。清单1：Yaml接口调用具有名称（用户材料名称）、三个属性和三个状态变量的UMAT。材质：用户材料名称：材料模型：“用户对应“平面应变：fal s e平面压力：真Christian Willberg，Jan-Timo Hesse，Marc Garbade etal.软件X 21（2023）1013223×××+×=-表1Peridigm（PD）中UMAT的接口参数。在example.yaml中，展示了如何调用用户定义的属性和状态变量的数量名称类型尺寸描述支持sigmaNP1 double[] ntens机械应力是statev double[] nstatev用户定义的状态变量是DDSDDE本构模型的双[] ntens ntens公司简介SSE双1比弹性应变能NoSPD双1比塑性耗散无SCD双1比蠕变耗散能无RPL双1单位时间体积发热量无DDSDDTdouble[] ntens应力增量随No的相对于温度DRPLDEdouble[] ntens相对于菌株No.增量。DRPLDTdouble 1 RPL相对于编号的变化温度stran double[] ntens× ntens Strain是dstran double[] ntens× ntens应变增量是time（1）double 1当前增量开始时的步长时间time（2）double 1当前增量开始时的总时间否是dtime double 1时间增量是temp double 1温度是dtemp double 1温度增量是PREDEF double[]DPRED double[]变量CMNAMEstring 80物料名称是ndi int 2或3此时的直接应力分量数点nshr int 1或3工程剪应力数值组件是是ntens int ndi+nshr应力或应变分量数组的大小是nstatev int状态变量的数量是props double[] nprops属性值是nprops int 1属性数量是coords double[] 2或3坐标是drot double[] 33 旋转增量矩阵是PNEWDTdouble1建议的新时间增量的比率否CELENTdouble1特征元素长度否DFGRD 0 double[] 33变形梯度N是DFGRD 1 double[] 33变形梯度N1是 NOEL int 1元素编号NPT int 1积分点数KSLAYint 1层号KSPT int 1段点编号否JSTEP int 1步骤编号否KINC int 1增量数否密度：2.7 e+03杨氏24 e+10泊松比 ： 3 。3 e−01的属性：3 Prop_1：1.0727111897390535e+11 Prop_2：5.2835028748341446e+10 Prop_3：2.721804511278195e+10Number的 状态 变量：3清单2： Yaml接口导出状态参数。输出量：输出滤波器类型：“Exodus II“输出滤波器：“Example”输出频率：1输出变量：State_Parameter_Field_ 1：true State_Parameter_Field_ 2：trueState_Parameter_Field_ 3：f a l s e位移：true3. 说明性实例图 2显示了存储库中在其块定义中提供的示例。块定义不同属性（材料、层位、损坏等）的区域。用户材料是用上面的属性定义的，如清单1所示。性质1是P波模量，性质2是Lames第一参数，第三性质是剪切模量。通过施加u1（x 1）来在张力下加载狗骨形结构（一）0的情况。01米位移在右边-手边。试样左侧边界条件应用区域上的所有平移都是固定的。在Peridigm和Abaqus中使用材料例程。图图3（a）和3（b）显示了所产生的位移。正如预期的那样，结果是相同的。这是因为采用了u1位移作为边界条件。图图3（c）和图3（d）示出了σ11应力分布。两种结果之间存在一些差异。Peridigm和Abaqus之间的数值表示边界条件不能以相同的方式应用，因为周向模型中的每个点都代表一个体积。表面边界条件导致Christian Willberg，Jan-Timo Hesse，Marc Garbade etal.软件X 21（2023）1013224图三. 在张力下加载的铝狗骨（u1（x1=l）= 0. 01 m）。错误.另一个差异不是数字上的。经典的连续介质力学理论和周期理论是不同的公式，如果完全收敛，也会导致微小的差异。4. 影响该接口允许一个简单的集成已经存在-将材料例程集成到有限元方法中。研究有两个主要优势。第一个优点是，它们可以非常容易地验证复杂材料的周向建模，因为材料模型可用于两种不同的方法。这可能有助于加快发展速度。第二个好处是，他们可以专注于专业领域。研究者不需要对Peridigm程序有整体的理解，就可以用循环法分析复杂的材料模型。目前没有扩展的Peridigm软件在几所大学和研究机构使用。简化访问可能有助于增加用户群。5. 质量控制为 接口 提 供了 多 个测 试 例 程。 它 们 基于 现 有的 PeridigmCMake测试环境。在Christian Willberg，Jan-Timo Hesse，Marc Garbade etal.软件X 21（2023）1013225结合使用CTest，用户可以确保Fortran接口按预期工作。实现了两个单元测试和一个功能测试。第一个单元测试需要确保所有张量都被转换为Voigt符号并作为完整的张量返回第二个单元测试能够控制变量在Fortran接口中的正确传递。因此，编写了一个测试用户材料库，如果返回的值与预期的一样，则Fortran接口和属性定义正常工作。此外，全面测试确保用户材料实现在整个Peridigm框架中工作。因此，测试将比较基于预定义Peridigm材料模型的exodus结果文件和作为用户材料模型结果的文件。两种材料模型相似。如果exodus结果在规定的公差范围内，则测试通过。作为参考，如图所示的狗骨模型。2、编译后的fortran例程和exodus结果文件可以在参考的Zenodo归档中找到。6. 结论在这项工作中，我们提出了一个Peridigm-UMAT接口，使材料研究人员可以轻松地访问Peridigm软件。该集成使用了在原始代码中不可用的集成模型。已经存在的材料例程的再利用潜力是巨大的。研究人员避免了在复杂的Peridigm软件中挑战性地实现他们的例程。在接下来的步骤中，该接口用于分析在周向有限元法和有限元法中表示的复杂材料模型的差异。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作数据可用性我们已经包含了软件的链接。致谢作 者 要 感 谢 原 始 Peridigm 框 架 的 开 发 团 队 （ David J.Littlewood ， sandia.gov ， John A. 放 大 amitch@sandia.gov ：Michael L. Parks ， mlparks@sandia.gov ， Stewart A.Silling ，sasilli@sandia.gov）[9]。这项工作由德国研究基金会资助的项目：这项措施是与税收基金共同资助的，德国根据萨克森州议会通过的预算。授权号：3028223。作者感谢资助。引用[1]Askari E. 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