LS-DYNA用户子程序开发在“连续介质力学”教学中的应用

彭永 张玉武 李志斌

[摘 要] 在連续介质力学教学中引入LS-DYNA用户子程序开发实践，通过设置内容匹配、难度适当的综合实例将课本知识具体化、程序化，比如材料本构关系子程序开发可使授课对象对某一材料模型有全面的认识并掌握具体细节，从而有效解决课堂教学中理解不深刻、不系统的难题。

[关键词] 研究生教学;连续介质力学;子程序;材料本构

[基金项目] 2018年度国防科技大学研究生教育教学改革研究课题（yjsy2018009）

[作者简介] 彭 永（1989—），男，湖南仙桃人，博士，国防科技大学文理学院讲师，主要从事毁伤评估研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）38-0380-02    [收稿日期] 2019-11-05

引言

连续介质力学[1，2]是面向笔者所在院校力学专业硕士研究生开设的一门核心专业基础课程，目的在于培养研究生力学素养，为后续科学研究打下坚实理论基础。然而，连续介质力学课程中涉及的部分概念比较抽象、公式推导复杂，学生容易陷入似懂非懂、理解片面的学习低潮。为提升学习效果、激发学习热情，尝试将实际科研工具（如LS-DYNA软件）应用到教学中，用难度匹配的综合实例让抽象的课本知识具体化、系统化，这样不仅有利于教学质量的提高，也能帮助研究生早日踏上科研之路。

LS-DYNA软件[3]中的核心原理基本囊括了连续介质力学课程中阐述的关键知识点，如三大守恒方程（质量、动量、能量守恒）、本构关系等。本文以用户自定义材料本构模型开发为例介绍LS-DYNA子程序开发在连续介质力学教学中的应用。

一、LS-DYNA软件简介

LS-DYNA最初由美国Hallquist博士于1976年主持开发完成，是目前国内外广泛使用的动力学有限元程序，在爆炸、侵彻、汽车碰撞、冲压成型等领域成绩斐然。LS-DYNA软件基于连续介质守恒方程组，在输入初始边界（受力）条件基础上结合材料本构模型、状态方程形成封闭偏微分方程组，数值求解动、静力学问题。软件计算以Lagrange方法为主，同时也包含Euler方法、ALE方法、SPH方法;在迭代求解时以显示为主、隐式为辅。

LS-DYNA提供了用户子程序接口，用户可以根据需要开发自定义材料本构模型、自定义荷载、自定义单元等子程序[1]。虽然子程序接口是为新材料、新工况等科研工作预留的，但该接口同时也为相关教学活动提供了很好的工具，比如《连续介质力学》中的本构关系教学部分。材料的本构关系涉及较多的概念公式，纯粹的理论讲解较为抽象，学生的理解很难深刻，而结合自定义材料本构子程序开发可起到事半功倍的效果。

二、自定义本构子程序的开发流程

材料本构关系子程序在LS-DYNA中的作用主要是在每一个时间步内，根据主程序提供的单元应变增量、应变率、应力等历史变量信息，计算出新的单元应力。用户自定义子程序通过软件提供的ls-dyna lib程序包完成，采用FORTRAN语言编程，编译需安装相匹配的FORTRAN编译器以及MS Visual Studio开发工具。对于Windows OS，开发简要流程如下：

1.了解ls-dyna lib程序包中dyn21.F文件中子程序subroutine umat41（umat41～50中任意一个皆可）的基本程序结构和参数。

2.根据需开发的材料本构原理，参照子程序编写自定义本构代码，然后用其替换掉dyn21.F文件中的子程序subroutine umat41。

3.将Fortran构建环境“Fortran Build Environment for applications running on Intel（R） 64”快捷方式拷贝至ls-dyna lib文件夹，运行并输入命令“nmake”，回车生成新的ls971.exe。

4.将新生成的ls971.exe拷贝至LS-DYNA软件安装目录下的program文件中，如C：＼LSDYNA＼program。

5.准备计算所需K文件，并在其中添加关键字“*MAT_USER_DEFINED_MATERIAL_MODELS”，将材料常数在该关键字下按格式输入;按照原有运行LS-DYNA方式，选择新求解器ls971.exe并提交K文件进行求解。

三、流体-理想弹塑性本构及算例

流体-理想弹塑性本构模型是冲击动力学领域的经典材料模型。弹性阶段，使用各向同性线弹性定律（即广义Hooke定律）;塑性阶段为理想塑性模型，使用von Mises屈服准则;材料使用高压物态方程描述静水压力与体应变之间的关系。模型公式如下：

四、结论

针对连续介质力学教学中概念抽象、公式复杂，学习难度大、学生理解不深刻等问题，将LS-DYNA用户子程序开发引入到教学中，通过难度匹配的综合实例课本知识具体化、系统化，有效提升了课堂学习效果。

参考文献

[1]杜珣.连续介质引论[M].北京：清华大学出版社，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