內聚力 cohesive
關注創建者：匿名 創建時間：2020-03-17
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君莫直播第四場：Abaqus cohesive內聚力模型理論詳解與應用
章節1:abaqus 二維cohesive單元建模詳解 章節2:abaqus三維cohesive單元建模詳解 章節3:abaqus surface-based cohesive應用案例 章節4:二維surface-based cohesive注意事項 章節5:幾種創建零厚度cohesive單元的方式 章節6:如何在Abaqus/explicit中使用surface-based cohesive
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基于ABAQUS的鋼筋混凝土預制疊合梁受彎模擬
課程包含： 1、本課程四小節，主要重現了同濟大學做的一個疊合梁的四點彎曲試驗； 2、對比了疊合面屬性（新老混凝土）設置不同接觸屬性：只設置庫倫摩擦、只設置內聚力cohesive粘結、庫倫摩擦+內聚力cohesive粘結混合使用，這三種之間的的差異。 3、重點講解：cohesive設置屬性里面參數的含義及其計算方法（參考前人提出的經驗公式）。
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內聚力 cohesive的實例教程
本文以一簡單的膠粘兩塊板的模型說明內聚力單元在ABAQUS和LS-DYNA軟件中的應用。
ABAQUS采用的隱式計算，在顯式計算中的設置與隱式計算的設置相同，LS-DYNA采用的顯式計算，由于給的時間較短，可以看出板有明顯的抖動，僅供交流學習，感興趣的可以下載后邊的.inp和.k文件
Abaqus利用內聚力模型（cohesive zone）模擬裂紋擴展仿真案例講解
<p>Cohesive作為ABAQUS中常用的粘結技術，無論在模擬粘結界面（例如新舊混凝土疊合面、復合材料粘結界面）或是全局粘結單元（例如模擬細觀混凝土開裂）具有較廣泛的應用。今天喵星人從官方的用戶手冊中選取了幾個Cohesive基礎而又關鍵的知識點，幫助大家修煉Cohesive內功。</p><p class="ql-align-center"><strong>01</strong>內聚力單元/接觸區別</p><p>對于內聚力單元/接觸的相同之處，用戶手冊指出：</p><p>The formulae and laws that govern cohesive constitutive behavior are very similar for cohesive contact and cohesive elements. The similarities extend to the linear elastic traction-separation model, damage initiation criteria, and damage evolution laws.</p><p><strong>喵星人翻譯：</strong></p><p>控制內聚本構行為的公式和法則在內聚力接觸與內聚力單元中極為相似。包括適用于線性彈性牽引-分離模型、損傷起始準則以及損傷演化法則。</p><p>可見，內聚力接觸與內聚力單元的本構模型基本相同，在ABAQUS中的操作差異在于內聚力單元需要在材料的屬性中輸入，內聚力接觸則是在相互作用的接觸中輸入。
展開 汽車前擋風玻璃，不僅有著提供視野，抵御惡劣天氣等用途，在特殊情形下，還作為一種安全部件保護著駕駛艙內的駕駛員與乘客，如阻擋突發的障礙物，行人保護等。
粘接結構設計中，使用內聚力模型解決了界面分離問題。內聚力模型（cohesive zone model）基于彈塑性斷裂力學，被驗證可準確模型斷裂過程。對內聚力模型的理論研究和理解，參考了多篇論文[1-4]。
由于該車身尺寸大，對仿真模型進行簡化，建立僅包含粘結劑與夾層玻璃的簡化模型。前擋風玻璃組成如下圖所示。
基于前擋風玻璃網格模型，重新建立包含內聚力單元（cohesive elements）的夾層玻璃模型。設置全局網格尺寸為20mm，接觸區域網格尺寸為2mm。考慮沖擊破壞仿真模型的簡化，約束膠粘連接單元的底面的全部自由度，模擬與車窗邊緣的連接。完成的前擋風玻璃沖擊破壞仿真有限元模型如下圖所示，共有節點數約30萬個，單元數約14萬個。
在玻璃單元之間內嵌一層單元作為內聚力單元，如下圖所示。
文中玻璃內聚力模型材料的定義參考論文[6]中所參考，中間層材料定義為彈塑性類型來源于網絡。夾層玻璃斷裂行為歷程，如下圖所示。
論文[5]，深入研究中間層材料的力學性能，更詳細的描述了中間層材料對擋風玻璃的沖擊破壞性能影響顯著。
[1] 周志強. 粘結構件粘結性能的內聚力模型分析[D].浙江大學,2006.
[2] 黃劉剛. 內聚力模型的分析及有限元子程序開發[D].鄭州大學,2010.
[3] 屈鵬. 纖維/樹脂復合材料多尺度結構對力學性能的影響[D].山東大學,2012.
[4] 蔡鵬. 金屬橡膠元件粘接強度與破壞的有限元數值模擬研究[D].湘潭大學,2017.
[5] 徐曉慶.
展開 圖5：模型Ⅲ示意圖
模擬過程與結果分析
模擬裂紋的擴展有很多方法，最常用的是基于Griffith微裂紋理論的方法，還有內聚力（Cohesive Zone Modelling, CZM）方法以及基于損傷理論的方法等。本研究采用了基于Griffith微裂紋理論和損傷理論對以上三個石墨磚模型進行裂紋擴展分析。
基于Griffith理論法模擬裂紋
在結構有限元仿真軟件中使用
DEFI_FISS_XFEM命令定義裂紋的位置，然后使用
MODE_MODELE_XFEM命令將裂紋賦予模型中，最后使用
CALC_G命令可輸出裂紋在裂尖的應變能釋放率
G，該系數表示裂紋每擴展單位面積所釋放出來的能量。
Gc為臨界應變能釋放率，表示裂紋擴展單位面積所需要的能量。在
2D模型中，若當應變能釋放率
G小于臨界應變能釋放率
Gc時，裂紋不擴展，當
G=Gc時，裂紋擴展；在
3D模型中，需要確定裂紋前沿擴展的位置（
G＞
0.75Gc)。如圖
6所示為裂紋擴展方向的確定，裂紋朝著最大切應力方向擴展。
圖6：裂紋擴展方向
在計算裂紋擴展的每一個時間步，可使用網格自適應模塊
Homard調整生成如圖
7的加密網格。
圖7：使用Homard模塊調整生成的網格
基于
Griffith理論法對三個模型進行模擬，得到三個模型中的裂紋擴展的結果如圖
8所示。
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</p><p>此外，對于同樣廣泛應用的粘膠連接，將系統講解內聚力單元（Cohesive Element）的建模方法，并結合具體連接場景，說明如何合理選擇相應的Section和Material參數，以提升仿真精度與穩定性。
Cohesive單元基于**內聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）**，可通過定義牽引-分離準則，精準描述巖石材料的斷裂過程：單元內部應力達到粘結強度前，表現為彈性變形；應力超過閾值后，單元剛度退化并伴隨能量耗散，直至單元失效形成裂紋。
<p>Cohesive作為ABAQUS中常用的粘結技術，無論在模擬粘結界面（例如新舊混凝土疊合面、復合材料粘結界面）或是全局粘結單元（例如模擬細觀混凝土開裂）具有較廣泛的應用。今天喵星人從官方的用戶手冊中選取了幾個Cohesive基礎而又關鍵的知識點，幫助大家修煉Cohesive內功。</p><p class="ql-align-center"><strong>01</strong>內聚力單元/接觸區別
建立漸進損傷本構模型
建立纖維增強復合材料三維有限元模型，采用實體單元和內聚力cohesive單元分布模擬復合材料層內和層間損傷。
仿真模型選擇
在結構膠連接的仿真模擬中，內聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）被廣泛用于描述膠層在載荷下的力學響應。內聚力模型通過定義內聚力與裂紋張開量之間的關系，能夠合理反映膠層失效界面附近的強度、韌度等物理屬性。
MAT_169（MAT_ARUP_ADHESIVE）是仿真分析軟件中提供的一種內聚力模型，專門用于模擬結構膠的力學性能。
與常規侵蝕算法不同，本算例的材料宏觀斷裂采用內聚力單元(cohesive element)實現。
彈丸為solid單元，材料為剛體材料。
混凝土為solid單元，材料為彈性材料。
薄弱層為內聚力單元，材料為138號Cohesive_Mix_Mode材料。
圖5：模型Ⅲ示意圖
模擬過程與結果分析
模擬裂紋的擴展有很多方法，最常用的是基于Griffith微裂紋理論的方法，還有內聚力（Cohesive Zone Modelling, CZM）方法以及基于損傷理論的方法等
Abaqus利用內聚力模型（cohesive zone）模擬裂紋擴展仿真案例講解
內聚力模型（cohesive zone model，簡稱 CZM）便是基于以下應用條件的材料模型：
粘結層的應力隨著邊界分離距離的增加而增大。
在兩個邊界的分離距離到達一定程度之前，粘結層表現出線彈性行為。
在物體的彈性變形達到峰值后，應力隨著進一步變形而減小。
答案就是：使用庫倫摩擦（kulun）+內聚力模型（cohesive）
其具體設置如下圖所示：
