粘聚力
關注創建者：jiaoyou3385 創建時間：2022-05-30
粘聚力的視頻教程
ABAQUS矩形頂管施工過程模擬
名稱 重度 彈性模量 泊松比 粘聚力 內摩擦角 屈服強度 膨脹角 (kN/m3) (MPa) (kPa) (°) (MPa) (°) 粉土 20 10.7 0.35 13 38.18 27.19 38.18 混凝土 25 34500
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粘聚力的實例教程
熟悉橡膠本構模型建立，包括超彈+線性&非線性粘彈+Mullins Effect+Permanet Set的材料測試方法和建模方法，感謝您的關注。以下是正文：
ABAQUS中的Cohesive模型可用于模擬金屬的裂紋擴展、復合材料的分層、焊接區域的破壞、涂層的斷裂等，在消費電子、航空航天等領域的仿真中有著廣泛的應用。
本文重點介紹了兩種粘聚力模型在ABAQUS中的定義方式，并且通過一個仿真案例來幫助讀者更好掌握cohesive element的使用方法，建議讀者使用cohesive surface來重現上文中的仿真案例（點擊閱讀原文下載模型文件）。
一、粘聚力模型定義的理論基礎
基于Traction-Separation Law的粘聚力模型包括粘聚力單元（cohesive element）和粘聚力接觸（cohesive surface interaction），如圖1所示。
圖1 兩種粘聚力模型
對于Traction-Separation Law，最常用的本構模型是圖2所示的雙線性本構模型。它描述了材料到達強度極限前的線彈性階段和材料到達強度極限后的剛度線性降低軟化階段。橫坐標為位移，縱坐標應力。線彈性階段的斜率表示剛度，三角形下的面積表示材料斷裂時釋放的能量。一般來說，在使用內聚力模型時，需要給出剛度，極限強度，臨界能量釋放量（或者失效時的位移）。
圖2 雙線性本構模型
對于內聚力模型，初始損傷準則的設定是至關重要的。Abaqus提供了6種初始損傷準則，本文重點介紹前四種準則。首先分別代表純I型（張開型）、純II型（滑開型）和純III型（撕開型）破壞的最大名義應力分別表示純I型、純II型和純III型破壞的最大名義應變。圖3為三種斷裂形式的示意圖。
展開 前言：以常用的幾種實體單元為例，展示了在單一單元、兩種單元和三種單元混合的模型中插入黏聚力單元后的網格圖。二維模型中插入的黏聚力單元為coh2d4單元，三維模型中插入的黏聚力單元為coh3d6、coh3d8單元。
（1）三角形網格中插入coh2d4單元
（2）四邊形網格中插入coh2d4單元
（3）三角形與四邊形混合網格中插入coh2d4單元
（4）四面體網格中插入coh3d6單元
（5）楔形體網格中插入coh3d6和coh3d8單元
（6）六面體網格中插入coh3d8
展開 邊坡巖土的抗剪強度參數主要是粘聚力с和內摩擦角，折減時粘聚力c直接除以折減系數Fzj得到新的粘聚力；相應地，內摩擦角的正切值除以折減系數Fzj得到新的內摩擦角的正切值，繼而求得內摩擦角的大小。將得到新的作為新的巖土材料參數再進行計算，通過不停地折減巖土強度參數，反復計算，直到達到相應的失穩條件，即失穩判據。
ANSYS有很好的二次開發功能，采用APDL二次開發語言可以進行參數化建模和分析，有利于多模型的計算。本文的邊坡穩定性分析采用折減強度法進行仿真分析，為了更加方便地的計算，本文也采用APDL二次開發參數化計算，這樣可以節省大量的前處理時間。
1 邊坡模型
地層巖性方面主要為：第四系殘坡積層(el-dlQ)：零星分布于斜坡表面，巖性為粉質粘土混碎石顆粒，結構松散，厚度4～9m；燕山期角閃花崗巖(γ52（2）)：巖性為灰綠、青灰色角閃花崗巖，細粒～隱晶結構，局部具花崗結構，風化作用強烈，依風化程度風化帶可以分為以下四類（從上往下）：
a.全風化帶：巖石結構松散，多為粒砂狀，土狀，巖石強度較低，手扳或鎬挖即碎。該帶的厚度自坡底至山頂約為10～30m。
b.強風化帶：巖體為碎裂狀結構，巖體風化裂隙發育，該帶厚度5～10m。
c.弱風化帶：巖體為碎塊狀結構，巖體相對較完整，巖石強度較高，該帶厚度厚度8～12m。
d.微風化～新鮮基巖：巖體為致密塊狀結構，巖體力學強度較高，僅局部由于巖石成巖過程中巖漿結晶分異作用，長石類礦物含量較高，從而使巖體呈碎粒狀結構，導致巖體破碎，力學強度低。
展開 為克服經典DP模型的一些缺點，ANSYS開發了擴展DP模型，簡稱EDP,
打開ANSYS HELP，查看Plane182/183、Solid185/186支持的材料模型列表，發現已經沒有經典DP材料模型，而與DP材料有關主要有兩個：
1、Drucker-Prager concrete
2、Extended Drucker-Prage
Plane182/183單元支持材料本構模型
Solid185/186單元支持材料本構模型
顯然，若要使用Plane182/183、Solid185/186來模擬巖土，則必須使用Extended Drucker-Prage，也即擴展的DP材料模型，翻開ANSYS對EDP材料模型的介紹，發現其參數與傳統DP材料模型輸入不同，傳統DP模型需要輸入內摩擦角、粘聚力、膨脹角三個參數，而對于EDP材料模型，使用時除了定義屈服函數外還需要定義流動準則，根據不同的屈服函數與流動準則，輸入的參數有一定差異性，如下表所示：
所以若要使用EDP材料模型，就涉及到經典DP模型到EDP模型的參數轉換問題，也即如何通過已知的內摩擦角、粘聚力計算得到EDP所需要的參數數值。
通過對比經典DP模型和EDP模型的屈服函數，發現EDP模型中的線性屈服函數與DP模型的屈服函數形式上相似且屈服面形狀也相同，通過參數等效替換，可得到EDP參數的計算公式如下：
C1=6sin(a)/[3-sin(a)];
C2=6Ccos(a)/[3-sin(a)];
上式中，C1為EDP模型第一個參數，根據ANSYS HELP中的英文名稱，可解釋為應力敏感度，C2為EDP模型的第二個參數，可解釋為屈服強度，a代表已知的摩擦角，C代表已知的粘聚力。
展開 在基坑分步開挖過程中，土的參數對于收斂速度有很大的影響，例如土的粘聚力c對收斂速度就有很大的影響，如果把
粘聚力c提高幾個數量級，有些問題收斂得很快，這些都是有限元計算中得一個奇特的問題。研究參數對收斂速度的影響是一個很有趣和有意義的話題。
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Neper2Abaqus是通過Bunge歐拉角和晶體坐標向量計算全局坐標向量并輸入到abaqus的材料屬性中，此外還需要為inp文件的每個晶界集合創建單獨的截面，以便指派材料屬性，并設置粘聚力模型的材料參數。
接觸是target170和173，土體和樁體是solid185采用edp本構，keyopt（1）=0，keyopt（12）=2，keyopt（10）=2，keyopt（4）=2，接觸間方向互指，摩擦系數也定義由于是edp，沒有粘聚力等，樁側摩擦力結果為0，樁底有不同程度摩擦結果。
一方面地下水滲流過程對土顆粒施加壓力，同時可使粒間易溶的膠結物流失，使顆粒間的粘聚力和內摩擦系數降低。另一方面，坡體的動水壓力和靜水壓力增大，在基巖風化面或隔水的各種黏土層處形成軟弱滑動面，促使和加速滑坡體的滑動。而對于砂土，水位上升導致的孔隙水壓力的突然增大，有可能引起土體的液化。這都會使邊坡穩定性大幅降低。
（4）降雨對邊坡坡面沖蝕。當降雨強度大于入滲強度時，坡面會產生下流水力沖刷。
前言：以常用的幾種實體單元為例，展示了在單一單元、兩種單元和三種單元混合的模型中插入黏聚力單元后的網格圖。二維模型中插入的黏聚力單元為coh2d4單元，三維模型中插入的黏聚力單元為coh3d6、coh3d8單元。
（1）三角形網格中插入coh2d4單元
(3）由于隧洞處于軟弱地層,此處巖石粘聚力較小C=0.10 MPa,巖石應變ε=0.033時,巖石峰值應力σ=3.23 MPa。為避免巖石裂隙擴展引起興隆山隧道圍巖失穩,采用灌漿措施填充裂隙以提高巖石強度。同時,該方法能夠有效減小圍巖松動壓力。
文章來源：陜西水利
繪制完成幾何形狀后，對模型進行分組并劃分網格，考慮到工程中大壩常采用非均質材料組成，上下兩層的粘聚力不同，因此將二者比值設為 。為提高模型計算精度，將上下兩層結構的交界處網格加密。
對于三軸壓縮試驗，η用塑性剪切應變來表示
塑性屈服準則采用Mohr-Coulomb準則，則粘聚力和內摩擦角的參數演化可以用下式表示
在巖石的塑性變形過程中會產生比較明顯的剪脹現象，而用來描述這一現象的較常用的力學參數就是剪脹角 Ψ，
上述模型可以通過USDFLD子程序進行實現，流程圖如下
有限元模型如下圖所示
計算得到的應力云圖及不同圍壓下的載荷位移響應如下所示
表1 計算模型參數
Table1 Calculation parameters
參數
重度/（kN/m3)
彈性模量/GPa
泊松比
內摩擦角/（°）
粘聚力/MPa
上下盤Ⅳ級圍巖
22.0
5.0
0.3
35.0
0.5
破碎帶Ⅴ級圍巖
20.0
2.0
0.4
25.0
表1 計算模型參數
Table1 Calculation parameters
參數
重度/（kN/m3)
彈性模量/GPa
泊松比
內摩擦角/（°）
粘聚力/MPa
上下盤Ⅳ級圍巖
22.0
5.0
0.3
35.0
0.5
破碎帶Ⅴ級圍巖
20.0
2.0
0.4
25.0
表1 計算模型參數
Table1 Calculation parameters
參數
重度/（kN/m3)
彈性模量/GPa
泊松比
內摩擦角/（°）
粘聚力/MPa
上下盤Ⅳ級圍巖
22.0
5.0
0.3
35.0
0.5
破碎帶Ⅴ級圍巖
20.0
2.0
0.4
25.0
