1、 關于Cohesive模型應用的一些小結學習粘聚力單元時從各種討論中獲益匪淺，現總結自己做過的一些練習模型，希望對大家有所幫助。里面有很多是論壇中帖子里面的知識，在此對原作者一并謝過。錯誤疏漏之處請大家多指正。這里所有的粘聚力模型都是指Traction-separation-basedmodeling(Themodelingofbondedinterfacesincompositematerialsofteninvolvessituationswheretheintermediategluematerialisverythinandforallpracticalpurposesmaybecon

2、sideredtobeofzerothickness，幫助文獻目錄為32.5.1-2)。模型中參數僅作測試用，沒有實際意義。1.引言及一些討論粘聚力模型(CohesiveModel)將復雜的破壞過程用兩個面之間的相對分離位移-力關系表達。這種粘聚力關系很大程度上是宏觀唯象的，有多種表達形式，如圖1-1所示。TtT,T,ierDgi駆bIHsihiicceilongthetrackpathaI)kstBncealonghecrackpath圖1-1常見的粘聚力關系Abaqus軟件中自帶的粘聚力模型為線性三角形(下降階段可以為非線性)。其它如指數、梯形等模型主要通過用戶單元子程序(UEL/VUEL

3、)實現。粘聚力模型的形狀對某些計算結果(例如單純的拉開分層)影響很大。粘聚力單元及粘聚力接觸粘聚力模型可以通過使用粘聚力單元(CohesievElements)或者粘聚力接觸(CohesiveSurfaces)來實現。在模型和參數都一致的時候，兩類方法得到的結果略有差別。1.2粘聚力單元Abaqus中的粘聚力單元包括3D單元COH3D8,COH3D6；2D單元COH2D4；軸對稱單元C0HAX4；以及相應的孔壓單元。單元的厚度(分離)方向對于粘聚力單元,一個非常重要的方面是確定單元的厚度(分離)方向(Thicknessdirection、Stackdirection)。以三維8節點單元COH3

4、D8為例,單元有三組相對的面,但是只能有一組相對的面可以相互分離。在這組可分離的面中,從一個面到另一個面的方向,定義為單元的厚度(分離)方向。對于3D單元，厚度方向對應于單元的第3(Z)方向，對于2D單元，厚度方向對應于單元第2(y)方向。通過編寫inp文件定義的粘聚力單元,分離方向由節點順序決定。對于4/6/8個節點組成的單元,前2/3/4個節點定義的面為底面，后2/3/4個節點定義的面為頂面。從底面到頂面的方向為分離方向(即對于8節點單元，只有1-5，2-6，3-7，4-8這4組相對的節點可以相互斷開)，如圖1-2.粘聚力單元在厚度方向上只能有一層。624y(i)(r)圖1-2粘聚力單元厚

5、度方向bottomfacethicknessdirectionthicknessdirectionandaxisyiiuiieTriccolieseelements.Figure32.5.4-2DefaulttJiicknessdirectionforrftpo-dimeii&iona1thicknessdirectionFigure32.5,4-1Defaultt1tickne$&directionfbrtluee-dimenjionalcohesiveelements.在Abaqus中定義厚度方向主要有以下幾個方法：（1）定義/修改網格劃分掃掠（sweep）方向，如圖1-3。掃掠方向就是厚

6、度方向；Mesh模塊：MeshControlsSweepRedefineSweepPath/AssignStackDirection # # 圖1-3定義/修改掃掠方向（2）在單元修改（只能應用于獨立網格）選項中，定義單元堆疊（stackdirection）方向，如圖1-4堆疊方向就是厚度方向；Mesh模塊：MeshEditElementOrientstackdirectionOfiffiUlicndj1h/ifiS-hAdapvityFEatyreJoels制pV虬QE3U誦縣1(EH砧i電申瘍回匕山匕口口丄1234駆4因怕由PMod*l；IMc?del-1plObjK?；陽就Ebly寸3*

7、rfc|P*r(-l-riMJh-Crvtottom-UpMh_A5.10ci.3trMeihwithGeonetFy-Delete-Me-shAsfi&cialrvTty.Cf4MM#shPiH.S!ElementJype.GlohalNLimberingCantndPart.P*rtNAtkeIM4$h_.DHrtrRgifflnNalirrOrif-nl吠肌ItdirettjcRrhnmrrtMelhcdDeleteenri/uAdlSpirtedgefln/qjad)曲叩diagonalCfcrilSplit1耳噸占idIfflCefflbiw血憶0U汕fienujnbw圖1-4修改單

8、元堆疊方向3）修改inp文件，定義節點順序。單元的輸出結果另外一個需要注意的問題是，粘聚力單元的輸出結果是按照單元局部坐標(自然坐標)輸出的。并且和分離面相對應，采用Traction-separation-basedmodeling的粘聚力單元只有部分的應變/應力分量輸出結果。對于3D單元，輸出的分量為沿單元厚度方向的法向分量(S33Directthrough-thicknessstress)以及相應的兩個切向分量(S13-Transverseshearstress,S23-Transverseshearstress),Ref32.5.9-5。對于2D單元，輸出的分量為沿單元厚度方向的法向分量

9、(S22-Directthrough-thicknessstress)以及相應的一個切向分量(S12-Transverseshearstress)，Ref32.5.8-5。單元的厚度對于采用Traction-separation-basedmodeling的粘聚力單元，截面屬性中的默認選項(Useanalysisdefault)為單位厚度1(Whentheresponseofthecohesiveelementsisbasedonatraction-separationapproach,Abaqusassumesbydefaultthattheconstitutivethicknessiseq

10、ualtoone.Ref32.5.4-3)；這和采用Specify選項并填寫數值1的效果是一樣的。如果截面屬性中不采用Usenodalcoordinates選項，粘聚力單元的幾何建模厚度對計算結果沒有什么影響。對于模擬單一材料中的多裂紋碎裂效果，在每個實體單元周圍都嵌入幾何零厚度的粘聚力單元是比較合理的。對于模擬其他多材料結合部分的開裂，幾何零厚度的粘聚力單元并不是必須的。為了模型更好看的緣故？現在傾向于所有模型中的粘聚力單元都建立為幾何零厚度。對于3D單元，可以使用單元偏移的方法生成幾何零厚度的粘聚力單元。對于2D模型，如果粘聚力單元部分為直線，可以通過在單元編輯選項中，更改粘聚力單元的節點

11、坐標，使得單元呈現出幾何零厚度，具體參見dava獨家原創：cohesiveelement例子的詳細圖解對非直線的曲邊單元來，幾何零厚度的粘聚力單元建模可以參考2D零厚度粘聚力(cohesive)單元建模或者附錄-1。此外，現在已經有很多在模型中批量嵌入零厚度粘聚力單元的程序開發出來。1.3粘聚力接觸粘聚力模型可以作為一種接觸屬性來模擬裂紋在兩個接觸面之間的擴展。在顯式和隱式分析中都能使用粘聚力接觸。在兩種分析步下，接觸屬性的定義是一致的，但是接觸對的定義略有不同。粘聚力接觸屬性粘聚力接觸屬性在interaction模塊中定義，如圖1-5：InteractionPropertyCreate;Me

12、chanicalCohesiveBehavior(選項卡內容可全部為默認項，或者自定義K值)；MechanicalDamageCriterion(選擇損傷起始方式，下方表格填入應力值)；勾選Specifiydamageevolution,填入能量值勾選Specifiydamagestabilization,填入粘性系數。b) ModdRetJisContortInftijliijitiorContort5Tabilij?rti5fi1制隆MattJlAlip)Calibr-ialkins刮需SectionsPrfffiits帥舟Sleps(3fe?屁頁日OutputRequests(1)淚Mi

13、si&i-OtflputRequestK4-.Time-PoirttfiCapALEAdaptive-MeshCjonslraints閣育3!rJUlniiKHIBecameSMppretEe；耳爐icConlJKtControls越Mude-IDjjb姐Models口AsnnriblyDelctra）Medel：|.Ori&CflilhSurffilmEordrlBonrluidexchangeA-coussFc:imedlarKeIfltidinlWo說firTbe:IntProp-tohramjetPropertyOpiiGnfNini;InJApn|帀dTngwaluticM尸5)申片

14、dirYi*InrbalitxiEvaJutionStibiSzatiDFiViirEairty已a屜;血：le4ESpecifydamageevolutiof*應.Specifyd&n呂stahilizrtionQuddfdb:tmaianMabimiirnr-mi：-.d1r*-5tNijmfr申f甲li褂k石FrKbure1IJwhwwrijIurFdeprMfrtH電S（c）圖1-5粘聚力屬性b) 粘聚力接觸對在顯式和隱式分析中，定義粘聚力接觸對的方式略有不同(ThecohesivesurfacebehaviorcanbedefinedforgeneralcontactinAbaqus

15、/ExplicitandcontactpairsinAbaqus/Standard)。在顯示分析中，要定義通用接觸；而隱式分析中，要定義面-面接觸對。(1)在顯式分析Abaqus/Explicit中，如圖1-6：首先新建立一個默認的接觸屬性為通用接觸的屬性，在Mechanical下點選TangentialBehavior和NormalBehavior，選項卡中的值保持默認；InteractionCreatGeneralcontact(Explicit)，建立一個顯示的通用接觸；并選擇新建立的默認接觸屬性作為Globalpropertyassignment；編輯Individualpropert

16、yassignment，選擇兩個接觸面和粘聚力接觸屬性，并通過箭頭按鈕添加。a)lrteartmCflnitraint5nd-coMjctpairs.nproperty*drtCepyBjErwneQpirlelu聊g*CcTjlari匚DErokCorrtactfiHjjisafti口mC&ntactSiaturtionModule;*:中廣叫吃Eu：號呂：3皿rTberadJOF-ModffkJOnrCohStirf-Namc:Jm-CfihtrpuInitial*Type%hxSdected占tpSurSBCe-IO-SurfjrtffcOtaflExpertSetf-rwtart(EK

17、pAcrt)FluidCJfevirdint5Nftril*:Ikit-CiShlptfGm*rlgrat寸(&eplid1)條序l/irtulContartOonunmEnclude_u&_pjir-5cGAJrth)二Se5He3surfcepi臨LuJudedsudacrpiri;Ifcnt*sAirindwdei卩ejrteficKFeatwffedgn,beamsfMentsPvidAnsicalrigid-surFaceSrhewcludsr-rFerencepoints,AtldbuteA55igrwnefTt5CorrtactProperftifsSuHm;*PFQpertie

18、iCort*ctFormulationp聞常軍iriE尊EiJfitlPrgp-Dyltinh_住l/ividudlproperty躬igncigContortSrtaceConfisclPropertiwPropertiesFarmuiatiDnErrtPiap-ccfiCDfflactPropwiAiignmerts企pnpvrhfAwicnmMtrt：ErtPcq艮”GlobalpropertySsignfNiM:lntfTO|i-Deiuh:LEZIINM*：Whfn硏罟rjip”rnvvjH打與fU-avtvrid*li*F由曲毎i*iE直hH*5wellas-iheqJobd“si

19、卯躋cMCoifttactPropertyM晦“皿岸訊Globalproperlya-signmentilntProp-2FintSecondSurfaceSurfic#Surf-batSurf-topPrspertyAs-signedllnt?rop-CGih（c）圖1-6顯示分析中的粘聚力接觸對(2)在隱式分析Abaqus/Standard中，如圖1-7：觸面Interaction-*Creat-*Surface-to-surfacecontact(Standard),建立一個面對面的接觸；選擇接b) # #b) # #Discretization選擇Nodetosurface；Conta

20、ctinteractionproperty選擇粘聚力接觸屬性。b) # #b) #Module:JnterartiDn弓Model:|OfiC-ohSurfNamr;1nE-cnb価itil*+/Typ.tor$tlectdStepGeneraltonEartStsnd-ardjSurlacetc-suirfKtor4act(&tndefd)Self-con?actsndardifiidl毋訴tyTuJPtjtC口呼1巴士口廿S|pie-ciaiJFealureToolsPlu-iinsHtlpk?auhih：Cdact卅帕11ContMtInitiilrMtionContactS3biliz

21、jt:iaiNmr:Irrt-CchT/pe:kirfaw-lD-suriicicStandard!tfEIrvtialniuliiiQn4*finh?或idiw$hm!fEiingDegret：01smKnhiLFw5uppenw*Tl*yccntartpointe4-l4g-鼻djMtrn.ntAdwslArt中陽II*砒$Mtlttrdurlt:Surf-Efifh韓0SImvurhicKSurf-bcfl吟Adj-narJytcrvmcvaEvwclcuj|：aInCeractiDnConstraintndccnEctpairs.Pyopfrdy兇mg*e.“Cam:曰TJJa偃zfp

22、Edit如yl,Miameleleeupp心呂AuatminiSurfacemocdiing|dtaMncFluidsexchangeXFEMcrackgrowthCyclicsymmetry(&tandAfdjfourxSticnb) # #圖1-7隱式分析中的粘聚力接觸對1.4損傷輸出設置需要在場變量輸要在結果云圖中看見粘聚力單元的破壞起始、損傷過程以及刪除后出現的裂紋效果 # #a） 出中勾選相應的輸出項，如圖1-8：新建一個場變量輸出，在Failure/Fracture下面勾選SDEG,DMICRT（這兩項對應于粘聚力單元）;勾選CSDMG，以及和起始準則相應的項（這兩項對應于粘聚力接

23、觸）；在State/Field/User/Time選項卡下面勾選STATUS。NmtwiFjCkrlpuK-CdihEWfl3PLrfwiEGwMi-aIBawirewhdv4iodd*Ld*dcrCTEfijnATUS,renergyRAml/FZefUAUCiEC,hjuwdTM字t廿.Tens峪EJDAMIU5ETTFlbwtanvhdEgrOJMEfC.Itere#r4arEDtM*3F!wr山旳帕申.BJMWEMCMSCHTm沁U亡列X.Chw*Hmu滬&DSTAT.BondtWte上OMCRTrDAirigFi補也HemcwjwriaMSNfKRT.h#sNhefitwrWntil

24、fddnugrwnifratwii胡grrinHSNFCCRT.Hjfhini5fiibe-rccfTTpreciwedjmagfl-inrtiadancrin-rionHSNMTCRT,Hashini-mstriMtensiledamage-inrttrcntevwniIHSNMtCftf,Haihinf-tm#irixCOnpffMdamg*injtia曲冃entfrrionRPRA.TTOJoFpnnciplfCrflirrtffuirdforMutchtfib-prn-c*in?陽FEin#rimrtSHRRATtO,Sh*arstrimratio昌forthe-shear-dauig

25、e-nrEiatiDHer&te-ridn丿OlDMGPc-al-irdiHiies-sdegr-sdabonfortc-hcs-rveMiHce-ECSMAXCRT,間崩i間uinIractiijndamageimciicinerrteriemfiorcoesweturfacesCSMAXUCR.T.PiAasiiHmmdispliENi-rr4dAnhi-g*initiilban諭斫曰円tarEahsjsdrf*etSQUApSCRT,Qw対ralkIrgb腫血砂滬irti亦伸打陽3ZtMifv.Efr!TKrrrilrkrodmaihAewL*iiinEURMAM,tHr-drfd:PH

26、lLSM,Lfvd1setvditt0biDB5,ftinunnge!tvliimbend口帆叭”IwMF*環 # #a） # a） #圖1-8損傷輸出設置1.5收斂設置采用隱式算法計算損傷過程容易出現收斂困難現象。一般可以在材料屬性或者單元屬性中添加適當的粘性系數（Viscosity,10e-5到10e-4左右），減小增量步和在通用收斂設置中勾選嚴重不連續迭代和設置增加試算的次數，如圖1-9：在Step中將最小增量步設置為一個較小的數值；在Step模塊下：OtherGeneralSolutionControlsEditStep-1,彈出警告忽略；在Specify選項下，Timeincreme

27、ntation中勾選Discontinuousanalysis；在第一個More中將IA改成25。圖1-9收斂設置2.Cohesive模型的常見應用粘聚力模型常見于模擬層合板開裂、纖維拔出以及顆粒/基體界面開裂等。對于這幾類常見的問題本節分別應用2D/3D粘聚力單元和粘聚力接觸，模擬裂紋擴展過程。其中粘聚力模型采用Abaqus自帶的三角形式，參數只做測試用(基本單位為mm,Mpa)，沒有實際意義。層合板開裂/Laminatedebonding長X寬為28X2的層合板，厚度方向為0.2。其中上板面略長，在上板面右側通過參考點加載z方向的豎直位移載荷，如圖2-1(a)。拉開效果如圖2-1(b),四

28、種計算模式下的位移仮力曲線如圖2-1(c)。在2D模型中，截面屬性中的Planestress/strainthickness需要填入和3D模型中一致的寬度2。goes-4Q765g1=#a)b)2.2單纖維拔出圖2-1層合板開裂A7a/lA7b/l3D-CohEle2D-ColiEle3D-CohStu2IG?hEh-O-00oH.1130.02H.040.06Dipacenwn:miLic)圖2-2單纖維拔出長3.5，半徑為0.2的纖維嵌入到高度3.5，半徑為3的基體中，其中纖維的嵌入深度為2。在纖維頂端加載豎直方向的位移載荷。由于具有對稱性，3D模型取1/4建模(反力要乘以4),如圖2-2(a)；2D模型為軸對稱模型。拔出效果如圖2-2(b)，四種計算模式下的位移仮力曲線如圖2-2(c)。2.3顆粒/基體界面開裂在邊長(半徑)為5的基體中嵌入半徑為3的球形顆粒，基體高度為5。3D模型取1/8建模，如圖2-3(a)；2D模型為軸對稱模型。模型在x方向單軸拉伸，采用近似周期性邊界條件：在內部邊界為對稱邊界條件，在外部非加載面保持為平面。顆粒/基體界面開裂效果如圖2-3(b)。由于2D和3D模的基體一個為圓柱，一個為立方體，兩者的位移-反力曲線不一致，不再做比較。Tri01101dl41DU