LS-DYNA用戶子程序開發在“連續介質力學”教學中的應用

彭永 張玉武 李志斌

[摘 要] 在連續介質力學教學中引入LS-DYNA用戶子程序開發實踐，通過設置內容匹配、難度適當的綜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，從而有效解決課堂教學中理解不深刻、不系統的難題。

[關鍵詞] 研究生教學;連續介質力學;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

連續介質力學[1，2]是面向筆者所在院校力學專業碩士研究生開設的一門核心專業基礎課程，目的在于培養研究生力學素養，為后續科學研究打下堅實理論基礎。然而，連續介質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、系統化，這樣不僅有利于教學質量的提高，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介質力學課程中闡述的關鍵知識點，如三大守恒方程（質量、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為例介紹LS-DYNA子程序開發在連續介質力學教學中的應用。

一、LS-DYNA軟件簡介

LS-DYNA最初由美國Hallquist博士于1976年主持開發完成，是目前國內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軟件基于連續介質守恒方程組，在輸入初始邊界（受力）條件基礎上結合材料本構模型、狀態方程形成封閉偏微分方程組，數值求解動、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，用戶可以根據需要開發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《連續介質力學》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可起到事半功倍的效果。

二、自定義本構子程序的開發流程

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，根據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開發工具。對于Windows OS，開發簡要流程如下：

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。

2.根據需開發的材料本構原理，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

針對連續介質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、系統化，有效提升了課堂學習效果。

參考文獻

[1]杜珣.連續介質引論[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