ABAQUS中Cohesive单元建模方法

v1.0可编写可更正复合资料模型建模与解析Cohesive单元建模方法几何模型使用内聚力模型（cohesivezone）模拟裂纹的产生和扩展，需要在估计产生裂纹的区域加入cohesive层。建立cohesive层的方法主要有：方法一、建立完好的结构（如图（1a）所示），而后在上边切割出一个薄层来模拟cohesive单元，用这类方法建立的cohesive单元与其余单元公用节点，并以此传达力和位移。方法二、分别建立cohesive层和其余结构零件的实体模型，经过“tie”绑定拘束，使得cohesive单元双侧的单元位移和应力协调，如图1（b）所示。（a）cohesive单元与其余单元公用节点（b）独立的网格经过“tie”绑定图1.建模方法上述两种方法都可以用来模拟复合资料的分层无效，第一种方法区分网格比较复杂；第二种方法赋资料属性简单，区分网格也方便，但是装置及“tie”很繁琐；所以在实质建模中我们应依据实质结构采纳较简单的方法。资料属性应用cohesive单元模拟复合资料无效，包含两种模型：一种是基于traction-separation描述；另一种是基于连续体描述。此中基于traction-separation描述的方法应用更加广泛。而在基于traction-separation描述的方法中，最常用的本构模型为图2所示的双线性本构模型。它给出了资料达到强度极限前的线弹性段和资料达到强度极限后的刚度线性降低融化阶段。注企图中纵坐标为应力，而横坐标为位移，所以线弹性段的斜率代表的实质是cohesive单元的刚度。曲线下的面积即为资料断裂时的能量开释率。所以在定义cohesive1v1.0可编写可更正的力学性能时，实质就是要确立上述本构模型的详细形状：包含刚度、极限强度、以及临界断裂能量开释率，也许最后无效时单元的位移。常用的定义方法是给定上述参数中的前三项，也就确立了cohesive的本构模型。Cohesive单元可理解为一种准二维单元，可以将它看作被一个厚度分开的两个面，这两个面分别和其余实体单元连接。Cohesive单元只考虑面外的力，包含法向的正应力以及XZ，YZ两个方向的剪应力。下文对cohesive单元的参数进行论述，并介绍参数的选择方法。图2.双线性本构模型Cohesive单元的刚度基于traction-separation模型的界面单元的刚度可以经过一个简单杆的变形公式来理解PL（1）AE此中L为杆长，E为弹性刚度，A为初始截面积，P为载荷。公式（1）又可以写成SK（2）此中SPA为名义应力，KEL为资料的刚度。为了更好的理解K，我们把KEL写成：KEELEL（3）L1L这里我们用L来取代1，此中L可以理解为建模厚度，即建模时cohesiveinterface的几何厚度；L为实质厚度，即cohesiveinterface的真实厚度，这个厚度在cohesivesection中定义。EL可以理解为几何刚度，即模型中cohesiveinterface所拥有的刚度；EL为L2v1.0可编写可更正cohesiveinterface的真实刚度。当L为1时，计算界面刚度就采纳几何刚度EL，当L为时，计算时界面刚度变成1000EL。举个小例子，假如界面的实质厚度为，而在建模时就是依据这个厚度建立的，在定义material-section时又specify这层的厚度为，实质上就等于把界面刚度提升了2个数目级，模拟结果自然是不对的，这时定义section时应采纳默认厚度1。ABAQUS在cohesive建模中使用了很“人性化”的设计，实质问题中界面可能很薄，有的只有0.001mm，甚至更小。有些问题cohesive单元的interface还可能是0厚度（比方crack问题），而相对来说整体模型也许很大，假如不引入这两个厚度，我们就要在很大的模型中去创立这个很小的界面这是一个很麻烦的事情。引入这两个厚度，在建模时我们即可以用有限的厚度来取代这个很小的界面厚度，只需在section中定义这个L就好了。（注：以上大多数内容来自仿真论坛：再议cohesive应用中关于一些参数的理解）一个解说“别的有个我的经验公式：大体上energy>*（damageinitiation）^2/（stiffness）这个公式不难理解，就是锐角三角形的总面积大于一条侧边下的面积，将traction-separationlaw画成图线你就如数家珍了。但是依据不一样的法规，会略微有些区其余。”------以上的话引自dava的个人空间，这里我想解说下这个不等式,有些生手可能一下还看不理解。damageinitiation为开始破坏时的应力，即三角形的高；stiffness为刚度，也就是斜率，即tanq；所以侧边三角形的底边为damageinitiation/stiffness，*（damageinitiation）^2/stiffness）即为侧边下的三角形面积。实质上能量还要大于这个侧边下三角形的面积很多，由于斜率一般都很大。3v1.0可编写可更正关于资料参数定义cohesive的资料时，要填入资料的参数，这些资料参数是资料固有的特征，与几何没相关系，所以放心英勇的填入吧。资料参数是由试验获得的，假如不可以做实验（多数情况这样），就去查国际上相关的文件吧，数据甚至比你自己做试验都要详细，在填入数据时要注意单位的一致。再说句，断裂能为单位面积上的能量，如你的单位采纳N（力的单位）和M（长度单位），那么能量的单位为N/M。下边举例来说明cohesive单元刚度的设置过程，认为例：进入property界面，点击Material→Creat，在弹出的EditMaterial对话框中，可以编写新创立的cohesive资料的名称，而后点击Mechanical→Elasticity→Elastic→Traction，在空格中输入相应的刚度。4v1.0可编写可更正图3.cohesive单元刚度的定义损害准则初始损害准则初始损害对应于资料开始退化，当应力或应变满足于定义的初始临界损害准则，则此5v1.0可编写可更正时退化开始。Abaqus的Damagefortractionseparationlaws中包含：QuadeDamage、MaxeDamage、QuadsDamage、MaxsDamage、MaxpeDamage、MaxpsDamage六种初始损害准则，此中前四种用于一般复合资料分层模拟，后两种主若是在扩展有限元法模拟不连续体（比方crack问题）问题时使用。使用图2所示的双线本构模型，此中：tn0、ts0及tt0分别代表纯Ⅰ型、纯Ⅱ型或纯Ⅲ破坏的最大名义应力，n0、s0，t0代表相应的最大名义应变，当定义界面单元的初始厚度为1时，则名义应变等于与之相对应的相对位移n，s及t。QuadeDamage为二次名义应变准则：当名义应变比的平方和等于1时，损害开始。222nst1000nstMaxeDamage为最大名义应变准则：当任何一个名义应变的比值达到1时，损害开始。max0n,0s,0t1nstQuadsDamage为二次名义应力准则：当各个方向的名义应变比的平方和等于1时，损伤开始。tn222tstt1tn0ts0tt0MaxsDamage为最大名义应力准则：当任何一个名义应力比值达到1时，损害开始。maxtnts,tt10,00tntstt6v1.0可编写可更正图4.初始损害准则定义EditMaterial对话框中，点击Mechanical→DamageforTractionSeparationLaws，而后依据自己的需重点击相应的损害准则。此中最常用是QuadsDamage。损害演化规律选择了初始损害准则以后，而后点击Suboptions→DamageEvolution，窗口如图5所示。此中Type包含Displacement和Energy，Displacement为基于位移的损害演化规律，而Energy为基于能量的损害演化规律。Softening中包含Linear，Exponential及Tabular三种刚度退化方式DamageEvolution中的全部的选项都是用来确立单元达到强度极限此后的刚度降阶方式。一般常用：以能量来控制单元的退化，即Type→Energy；线性融化模型，即Softening→Linear，Degradation→Maximum；Mixedmodebehavior→BK，Modemixratio→Energy，并选中Power。7v1.0可编写可更正图5.损害演化规律定义1.3Cohesive单元界面属性还是在Property界面中，点击Section→Create，在弹出的EditSection对话框中，选择Other→Cohesive。图6.定义资料的界面属性在EditSection对话框中，在material的下拉菜单中选择刚刚创立的cohesive材料，也可以点击右边的create创立一组新的资料；Response选择tractionseparation。Initialthickness为前文提到的L，默认值为1，也可以在specify中指定一个特定的值。8v1.0可编写可更正将所创立的界面属性给予几何实体点击Assign→Section，而后在视图中选中要赋的几何实体，点击左下角的Done，则弹出以下窗口，在窗口是Section中下拉选中所创立的Cohesive截面，点击OK,操作完成。图7.给实体赋截面属性Cohesive单元网格区分Cohesive单元网格的区分与其余单元基本一致，但是以下几点不一样与其余单元，区分网格时应特别注意。①网格密度，cohesive单元的网格尺寸不可以太大，平时需要比较精巧的网格，否则简单引起收敛性问题，甚至没法连续计算。②一定使用sweep（扫掠）区分网格的方法，而且扫掠的方向垂直于cohesive面，即沿着cohesive单元的厚度方向。③单元种类的选择9v1.0可编写可更正图单元种类选择在单元库中选择cohesive，可以在Viscosity，specify中指定一粘性系数，来改进收敛性，但是粘性系数的设置不可以太大，否则会影响计算结果，我们一般设置为；Elementdeletion：用于设置单元的删除状况，一般选yes，即当单元完好无效时被删除；maxdegradation：一般设置为1，即当SDEG=1时，认为单元无效。Cohesive单元在复合资料分层解析中的应用为了考据商用有限元软件ABAQUS中的cohesive单元在复合资料分层计算时的有效性，我们经过其与一实验值的比较考据了其计算的正确性。一DCB试验件，长150mm，宽20mm，单臂厚度1.98mm，预置55mm长的初始裂纹，如图9所示。资料属性为E11=150GPa，E22=E33=11GPa，G12=G13=，G23=，120.25，130.25，0.45；cohesive单元的资料属性为K=1×105MPa/mm，界面强度T=15MPa，临界能量开释率GIC=KJ/m2。悬臂梁一端固支，一端施加位移载荷。10v1.0可编写可更正（a）侧视图b）俯视图图9.DCB几何模型Abaqus和实验[1]获得的力位移曲线如图10所示，从图中可以看出，数值模拟的力位移曲线与实验获得的力位移曲线切合的很好，数值模拟获得的最大力为，而实验获得的最大力为，数值模拟结果略高于实验结果。由此，我们可以获得有限元软件ABAQUS中的cohesive单元可以有效的模拟复合资料层合板的分层。计算获得的变形过程的应力及位移云图如图11、12所示。706050)40N