ABAQUS用户子程序USDFLD应用实例

     1.问题描述

① 本例模拟了粉末状材料在圆柱形模具中进行压缩固化的过程

②  模拟的工艺流程包括：加载（压缩）、卸载、脱模

③  粉末体采用Cap Plasticity（Modified Drucker-Prager/Cap）材料模型，并结合USDFLD进行建模

④  不考虑压缩过程的温度变化

模压示意图

     2.材料模型介绍

①   粉末材料的特点

与致密材料不同，粉末材料由众多细小的颗粒构成，且颗粒之间存在空隙，在压缩过程中，粉体的体积会明显减小，密度会显著增加。另外，粉末材料的的材料属性如屈服条件、硬化规律等都与其密度密切相关。因此在仿真分析的过程中，势必要考虑粉体密度变化对材料属性的影响。

②   USDFLD在材料模型中的作用

由于ABAQUS自带的材料模型参数为固定值，难以准确模拟粉末压缩的大压缩比问题，因此需要进行USDFLD子程序二次开发，嵌入材料属性随粉体密度的变化规律，提高仿真分析的准确性。

具体方法为：将粉末材料的相对密度定义为场变量f1，并将粉末材料的弹性特性、屈服条件、硬化规律的相关参数均定义为f1的函数。

③   材料模型的选择

‐ 弹性阶段：各向同性线弹性材料模型，弹性模量和泊松比均定义为相对密度f1的函数

‐    塑性阶段：Cap Plasticity（Modified Drucker-Prager/Cap）材料模型，该模型可同时控制材料的剪切行为，压缩导致的屈服过程，以及剪切作用下的无限剪胀，定义该模型的各参数为相对密度为f1的函数

密度对Modified Drucker-Prager/Cap模型的影响

     3.操作流程

①   创建粉末体和模具的几何模型，并建立装配体。为简化计算，使用轴对称模型进行建模。粉末体建立为柔性体，模具建立为解析刚体。

③   建立分析步，设置输出变量。根据工艺流程，分别创建压缩、卸载、脱模的分析步。选择Static General分析类型，具体参数如下图所示，其中Incrementation参数可根据收敛情况进行适当调整。为方便查看程序的运行情况，在Field Output中需选择输出场变量FV和状态变量SDV。

④   划分网格，设置单元类型和参数，如下图所示。

⑤   建立接触关系。采用库伦摩擦模型，摩擦系数为0.2。分别建立粉末体与上模具、下模具、固定模具之间的接触对。注意脱模过程需要将粉末体-上磨具的接触对设置为inactive状态。

⑥   施加约束。约束固定模具保持静止，根据工艺流程设置上模具、下模具的位移量。

⑦   创建Job，选择USDFLD文件，设置并行计算参数，提交分析任务。

     1.后处理

在本案例中，利用ABAQUS软件的USDFLD接口进行Fortran程序编写，实现了材料本构模型参数随着模压过程中相对密度的变化而变化，从而在时间和空间两个维度上描述了材料属性的不均匀性（譬如，弹性模量在空间上的非均匀分布和在时间上的持续演化），极大的拓展了ABAQUS软件的使用范围。