Abaqus 中利用 Fortran Module 在不同子程序間傳遞參數

在 Abaqus 二次開發中，常需在同一模型內同時使用多個 Fortran 子程序。本文示範如何利用 Fortran Module，實現 UMAT 與 DLOAD 之間共用彈性模數參數，包含完整程式碼架構與基本說明，方便工程師直接重現與延伸至其他子程序組合。

為何需要在子程序間傳遞參數

在 Abaqus 中，可透過多種 Fortran 子程序實作材料本構、荷載、邊界條件與單元技術等功能，例如 DLOAD、DFLUX、DISP、MPC、UMAT 與 UEL 等。同一模型若同時需要多個子程序，Abaqus 一般只允許提交一個 Fortran 原始碼檔，因此必須在同一檔案中整合多個子程序，並在必要時建立彼此間的參數傳遞機制。

通常 UMAT（材料本構）與 DLOAD（荷載定義）在同一模型中可以獨立運作，互不影響。但若實務需求要求荷載必須依材料參數或計算結果變動，就需要讓這兩個子程序之間建立明確的資料共享關係。

本文示例設定如下情境：
UMAT 的輸入參數彈性模數為 E，DLOAD 需在模型上施加一個壓力荷載，其數值與 E 完全相同。這個例子本身不一定必須使用子程序才能完成，但非常適合作為說明「如何在 UMAT 與 DLOAD 之間傳遞參數」的教學案例。

使用 Fortran Module 的設計概念

在 Fortran 中，若要在不同子程序之間共享變數，常見作法包括 Common 區塊與 Module。本文僅介紹 Module 的方式；實際上，現代 Fortran 更倡導使用 Module 來封裝變數、常數、型別與過程，同一 Module 在多個子程序中使用時，當中的變數可以在這些子程序間共享。

因此，本例採用一個 Module 來承載 UMAT 與 DLOAD 之間要共享的變數。

具體做法是：
在 Module 中定義一個實數變數 force1，UMAT 將材料彈性模數 E 指定給 force1，而 DLOAD 則將要施加的壓力荷載 F 設為 force1，即等於 E。

本文圖像版權歸原作者所有，本圖僅用於技術說明與資訊分享。

範例程式碼與關鍵參數說明

以下為依示例邏輯重現 UMAT 與 DLOAD 之間參數共享的主要步驟，實際模型與檔案可由原文作者提供的下載連結取得。[資料來源]

建立 Fortran Module
• 在 Fortran 檔案開頭定義一個 Module，例如 module mod_a，於其中宣告欲共享之變數，例如 real(8):: force1，並以 end module mod_a 結束。
在 UMAT 中引用 Module 並寫入共享變數
• 定義 UMAT 子程序，包含 STRESS、STATEV、DDSDDE、PROPS 等標準引數，並引入 INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'。
• 在 UMAT 內先使用 use mod_a 匯入Module，以便讀寫 Module 中的變數 force1。
• 將材料彈性模數 EMOD=PROPS(1) 讀出，並指定 force1=EMOD，將該值寫入共享變數。
• 其餘程式碼依線彈性材料邏輯，建立彈性矩陣 DDSDDE 並計算 STRESS，示例中採用 NDI、NTENS、ENU 等標準參數與迴圈結構。
在 DLOAD 中引用 Module 並讀取共享變數
• 定義 DLOAD 子程序，包括 F、KSTEP、KINC、TIME、COORDS 等標準引數，同樣引入 INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'。
• 在 DLOAD 內部，同樣使用 USE mod_a 來存取 force1。
• 直接設定 F=force1，令施加之壓力荷載大小，等同於先前在 UMAT 中寫入的將 UMAT、 EMOD 值，因此完成了「由 UMAT 將 E 傳遞給 DLOAD」的需求。
• D 均位於同一 Fortran 原始檔（例如 a.f），並在 Abaqus 分析提交時，指定此檔案作為子程序來源。
DLOAD 與 Module 整合於同一 Fortran 檔
• 確保 Module、UMAT、DLOAD 均位於同一 Fortran 原始檔（例如 a.f），並在 Abaqus 分析提交時，指定此檔案作為子程序來源。
建立 Abaqus 模型並指定子程序
• 在 Abaqus 模型中，使用 UMAT 定義材料本構，並在荷載定義中指定使用 DLOAD 子程序。
• 以相同的材料參數（包含 PROPS(1)=E ）及分析設定，分別比較「使用上述子程序」與「不透過子程序、直接以相同值定義壓力」之結果。
驗證結果一致性
• 示範中兩種方式的計算結果完全一致，可視為 Module 參數傳遞方式的驗證案例。
• 實務應用時，建議針對自有模型執行類似對照，以確認自行擴充之邏輯正確性。