批量插入0厚度cohesive單元模擬開裂

沉澱

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材料的斷裂與失效一直是個備受關注的問題，通常，研究斷裂失效有三種方法：實驗、理論解析、數值模擬，在很多條件下，我們通過實驗分析失效，必須進行大量的實驗嘗試，這是非常耗時耗力又耗材的，而且在某些極端條件下，實驗是無法進行的，而通過理論分析研究失效雖然可以省去大量實驗的執行，但是，理論解析對原有的模型進行了大量簡化，這在很多時候并不能反映真實的復雜條件下的結果，特別是，如果條件稍微復雜，理論解析便束手無策了，然而，數值模擬是一種研究斷裂失效的非常有效的方法，它可以模擬極端條件下的失效，同時，也不必去做大量的實驗，只需參數化分析，就可以得到一系列條件下的結果，而且又省時省力，成本也低，最重要的是，數值模擬的結果往往能夠反映整個失效過程中的應力變化、塑性變形、裂紋擴展過程等等，這是實驗和理論分析很難做到的。將實驗或理論解析與數值模擬相結合已經是目前分析問題的主流手法。

ABAQUS是達索公司的一款非線性分析功能極強的有限元軟件，一直以來備受歡迎，越來越多的科研工作者投入到ABAQUS的陣營。對于斷裂試下分析，ABAQUS也是獨具特色，它提供了很多方法進行材料的失效分析。

ABAQUS模擬斷裂失效的方法：

1 單元刪除法

主要是采用ABAQUS的內置損傷材料笨狗，通過刪除失效單元模擬裂紋擴展，主要包括：延性金屬損傷、剪切損傷、Johnson-cook損傷、脆性材料損傷、混凝土塑性損傷、纖維增強復合材料損傷（hashin損傷）等等。

2 采用ABAQUS內置的裂紋模擬技術手段

主要是通過采用ABAQUS提供的一些模擬方法實現真裂紋的模擬，主要包括：圍道積分法、debond節點解綁（準則：臨界應力、COD、裂紋長度與時間、VCCT、低周疲勞）、cohesive element、cohesive surface、xfem（LEFM和粘性片段法）等等。

3 自定義材料笨狗或單元笨狗（umat或uel）

主要是通過自定義損傷材料笨狗或者單元笨狗模擬裂紋擴展，主要包括：usdfld、vusdfld、umat、vumat、uel等等。

ABAQUS中斷裂模擬的方法有很多，關鍵是結合自己的課題及方向，選擇最為合適的模擬方法，本人主攻斷裂失效模擬分析，而且有很多年的經驗，對于ABAQUS中的斷裂失效模擬方法都非常熟悉，可以快速地選擇最為合適你課題的模擬方法，如果做斷裂失效的朋友們遇到任何相關問題，大家可以共同探討（qq：1057593923）。

對于ABAQUS中的這些諸多失效模擬方法，不再一一詳細列出，下面我就重點說一下目前比較流行的任意裂紋擴展分析方法，到目前為止裂紋的任意路徑擴展模擬主要有三種方法：1 基于斷裂力學，根據計算得到的G或者K與臨界值進行比較，設置裂紋的一次擴展長度，更新模型，重新劃分網格，再進行下一次計算，這種方法雖然可以實現裂紋的任意路徑擴展，但是必須預制裂紋，而且計算十分復雜，實現困難，對于沒有什么編程基礎的人，幾乎很難實現，另外，它對于模擬裂紋的分叉及交叉問題幾乎無能為力；2 通過ABAQUS軟件中的擴展有限單元法即便XFEM，這種方法對于簡單模型的失效分析極為有限，而且與實驗吻合較好，而且可以很方便地預制裂紋的位置，不受幾何模型的限制，同時，它可以使用斷裂力學準則模擬預制裂紋的擴展，又可以使用損傷力學準則模擬裂紋的萌生及后續的擴展，但是即便有如此多優點，目前為止它的應用仍然不是十分廣泛，這主要因為它有一個致命的弱點，就是不能模擬裂紋的合并及分叉，盡管最先版本的ABAQUS中加入了裂紋合并及分叉的模擬，但是效果簡直不忍直視，可以忽略了，但是反過來說，這也是軟件的一大進步，相信在不久的將來，ABAQUS可以把裂紋的分叉及合并做的更好，到時候大家就可以暢游分叉裂紋的世界了，但估計這需要一個較長時間的等待了；3 通過在實體單元間批量插入cohesive單元實現任意裂紋的萌生及擴張，這種方法最大的好處就是裂紋的整個過程都可以實現，包括萌生、擴張、分叉、合并、剝落，但是它也有一個弱點，使用過cohesive的人都知道，參數比較難調，要想達到預期的效果必須進行大量的調試，但是話說回來，任何模擬工作都要經過大量的調試過程，總之，這種方法是一個非常好用又有效的方法，下面我就著重說一下通過批量插入cohesive單元模擬任意裂紋擴展，并給出一些效果圖。

批量插入cohesive單元的原理（下圖是在三角形單元和四面體單元間嵌入0厚度的cohesive單元，這里為了方便觀察，把cohesive畫為有限厚度，實際插入的是0厚度的）：