LS-DYNA用戶子程序開發(fā)在“連續(xù)介質(zhì)力學”教學中的應用

彭永 張玉武 李志斌

[摘 要] 在連續(xù)介質(zhì)力學教學中引入LS-DYNA用戶子程序開發(fā)實踐，通過設置內(nèi)容匹配、難度適當?shù)木C合實例將課本知識具體化、程序化，比如材料本構關系子程序開發(fā)可使授課對象對某一材料模型有全面的認識并掌握具體細節(jié)，從而有效解決課堂教學中理解不深刻、不系統(tǒng)的難題。

[關鍵詞] 研究生教學;連續(xù)介質(zhì)力學;子程序;材料本構

[基金項目] 2018年度國防科技大學研究生教育教學改革研究課題（yjsy2018009）

[作者簡介] 彭 永（1989—），男，湖南仙桃人，博士，國防科技大學文理學院講師，主要從事毀傷評估研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）38-0380-02? ? [收稿日期] 2019-11-05

引言

連續(xù)介質(zhì)力學[1，2]是面向筆者所在院校力學專業(yè)碩士研究生開設的一門核心專業(yè)基礎課程，目的在于培養(yǎng)研究生力學素養(yǎng)，為后續(xù)科學研究打下堅實理論基礎。然而，連續(xù)介質(zhì)力學課程中涉及的部分概念比較抽象、公式推導復雜，學生容易陷入似懂非懂、理解片面的學習低潮。為提升學習效果、激發(fā)學習熱情，嘗試將實際科研工具（如LS-DYNA軟件）應用到教學中，用難度匹配的綜合實例讓抽象的課本知識具體化、系統(tǒng)化，這樣不僅有利于教學質(zhì)量的提高，也能幫助研究生早日踏上科研之路。

LS-DYNA軟件[3]中的核心原理基本囊括了連續(xù)介質(zhì)力學課程中闡述的關鍵知識點，如三大守恒方程（質(zhì)量、動量、能量守恒）、本構關系等。本文以用戶自定義材料本構模型開發(fā)為例介紹LS-DYNA子程序開發(fā)在連續(xù)介質(zhì)力學教學中的應用。

一、LS-DYNA軟件簡介

LS-DYNA最初由美國Hallquist博士于1976年主持開發(fā)完成，是目前國內(nèi)外廣泛使用的動力學有限元程序，在爆炸、侵徹、汽車碰撞、沖壓成型等領域成績斐然。LS-DYNA軟件基于連續(xù)介質(zhì)守恒方程組，在輸入初始邊界（受力）條件基礎上結合材料本構模型、狀態(tài)方程形成封閉偏微分方程組，數(shù)值求解動、靜力學問題。軟件計算以Lagrange方法為主，同時也包含Euler方法、ALE方法、SPH方法;在迭代求解時以顯示為主、隱式為輔。

LS-DYNA提供了用戶子程序接口，用戶可以根據(jù)需要開發(fā)自定義材料本構模型、自定義荷載、自定義單元等子程序[1]。雖然子程序接口是為新材料、新工況等科研工作預留的，但該接口同時也為相關教學活動提供了很好的工具，比如《連續(xù)介質(zhì)力學》中的本構關系教學部分。材料的本構關系涉及較多的概念公式，純粹的理論講解較為抽象，學生的理解很難深刻，而結合自定義材料本構子程序開發(fā)可起到事半功倍的效果。

二、自定義本構子程序的開發(fā)流程

材料本構關系子程序在LS-DYNA中的作用主要是在每一個時間步內(nèi)，根據(jù)主程序提供的單元應變增量、應變率、應力等歷史變量信息，計算出新的單元應力。用戶自定義子程序通過軟件提供的ls-dyna lib程序包完成，采用FORTRAN語言編程，編譯需安裝相匹配的FORTRAN編譯器以及MS Visual Studio開發(fā)工具。對于Windows OS，開發(fā)簡要流程如下：

1.了解ls-dyna lib程序包中dyn21.F文件中子程序subroutine umat41（umat41～50中任意一個皆可）的基本程序結構和參數(shù)。

2.根據(jù)需開發(fā)的材料本構原理，參照子程序編寫自定義本構代碼，然后用其替換掉dyn21.F文件中的子程序subroutine umat41。

3.將Fortran構建環(huán)境“Fortran Build Environment for applications running on Intel（R） 64”快捷方式拷貝至ls-dyna lib文件夾，運行并輸入命令“nmake”，回車生成新的ls971.exe。

4.將新生成的ls971.exe拷貝至LS-DYNA軟件安裝目錄下的program文件中，如C：＼LSDYNA＼program。

5.準備計算所需K文件，并在其中添加關鍵字“*MAT_USER_DEFINED_MATERIAL_MODELS”，將材料常數(shù)在該關鍵字下按格式輸入;按照原有運行LS-DYNA方式，選擇新求解器ls971.exe并提交K文件進行求解。

三、流體-理想彈塑性本構及算例

流體-理想彈塑性本構模型是沖擊動力學領域的經(jīng)典材料模型。彈性階段，使用各向同性線彈性定律（即廣義Hooke定律）;塑性階段為理想塑性模型，使用von Mises屈服準則;材料使用高壓物態(tài)方程描述靜水壓力與體應變之間的關系。模型公式如下：

四、結論

針對連續(xù)介質(zhì)力學教學中概念抽象、公式復雜，學習難度大、學生理解不深刻等問題，將LS-DYNA用戶子程序開發(fā)引入到教學中，通過難度匹配的綜合實例課本知識具體化、系統(tǒng)化，有效提升了課堂學習效果。

參考文獻

[1]杜珣.連續(xù)介質(zhì)引論[M].北京：清華大學出版社，1985.

[2]Wu H C.Continuum Mechanics and Plasticity [J].Chapman & Hall/CRC Press，2005.

[3]Hallquist J O.LS-DYNA Keyword User's Manual[Z].Livermore Software Technology Corporation，2007.

Application of LS_DYNA's User Subroutine in Continuum Mechanics Course Teaching

PENG Yong，ZHANG Yu-wu，LI Zhi-bin

（College of Liberal Arts and Sciences，National University of Defense Technology，Changsha，Hunan 410073，China）

Abstract：LS_DYNA user subroutine developments are introduced in the teaching of Continuum Mechanics.By setting a comprehensive example with appropriate content and difficulty，the textbook knowledge becomes detailed and programmed.For example，the material constitutive model subroutine development can make the students have a comprehensive understanding and master the details，thus effectively solving the difficult and unsystematic problems in classroom teaching.

Key words：postgraduate teaching;Continuum Mechanics;subroutine development;material model