粘聚力的案例
ABAQUS中Cohesive模型粘聚力模型的2種定義方式
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 Matlab給ABAQUS模型插入粘聚力單元（二維和三維）
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 基于ANSYS APDL的邊坡穩定性研究
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 solid186與solid185單元結果對比下載
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 
參數對收斂速度問題的影響
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。
【CAE案例】基于結構有限元和強度折減法的非均質土石壩穩定性分析
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。
圖2：網格模型
網格劃分完畢后，對大壩進行靜力學非線性分析。首先讀取網格，對上下兩層壩體分別賦予不同的材料（材料屬性見表 1)。
基于ABAQUS的隧洞圍巖裂隙擴展二次開發及研究
(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
基于Midas-GTS NX某高邊坡穩定性分析 附midas GTS NX用戶手冊下載
土體：彈性模量為30Mpa，泊松比取0.3,容重取22，粘聚力取8Kpa，摩擦角為25度，本構模型選擇莫爾-庫倫。
泥巖：彈性模量為1200Mpa，泊松比取0.33,容重取24，粘聚力取343Kpa，摩擦角為32度，本構模型選擇莫爾-庫倫。
錨桿：本構模型選擇彈性，彈模取206Gpa,容重取78.5
格構梁、護坡按混凝土等級按規范輸入，材料模型為彈性。
四、定義單元類型，并輸入截面屬性
巖土體：采用平面應變單元；
錨桿：采用桁架單元；
格構梁：采用梁單元；
護坡：采用梁單元；
坡腳回填：采用平面應變單元
特別說明:當需要考慮錨桿和格構梁縱向剛度影響時，需要勾選屬性定義中的間距，并按實際距離輸入。
五、劃分網格
1）尺寸控制設置
點擊網格--尺寸控制--點擊錨桿幾何線，以及需要網格細分的幾何形，設置網格尺寸大小為0.5m。
2）整體劃分
點擊網格--生成--2D--自動區域，勾選上劃分內部區域及包含內部線，尺寸大小設置為2，網格組命名為土體，點擊確定劃分模型。
3）修改坡腳擋墻網格材料屬性、泥巖網格屬性
拖動網格組中的土體1和土體2，選擇合并，修改網格組名為擋墻，點擊網格--網格參數--選擇2D--修改屬性，點擊左側菜單欄混凝土，修改屬性為C15。
選擇土體2，修改名稱為泥巖，點擊網格--網格參數--選擇2D--修改屬性，點擊左側菜單欄泥巖，修改屬性為泥巖。
4）劃分錨桿、格構梁單元
點擊網格--1D，選擇錨桿幾何線，屬性選擇錨桿，網格組命名為錨桿，點擊應用劃分錨桿，同理，劃分格構梁單元。
六、邊界約束
點擊靜力邊坡分析--約束，將模型底部固結，兩側側向進行約束。
展開 ANSYS樁土相互作用，樁頂豎向靜載，求摩擦力
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。
強度折減理論在ababqus中的實現
強度折減法的實質就是材料的粘聚力和內摩擦角逐漸減小，從而導致某單元的應力超過了屈服面，不能承受的應力將逐步轉移到周圍土體單元中，當出現連續滑動面，即形成屈服點貫通面之后，土體將失穩。在Abaqus中，材料的參數是可以隨溫度、場變量變化的，所以在Abaqus中實現強度參數的減少過程，即可以間接地實現強度折減法。
強度折減理論在abaqus中的實現.pdf
小傾角水平巷道開挖建模
由于巖體被斷層面分成許多塊，可以把這些塊分別建立起來，然后在分界處建立節理單元interface，最后再整合這些塊，塊可以定義不同名稱group，這樣就可以賦不同的參數和顏色顯示，當然若不需要施加interface，就沒必要加節理單元，若必要，還要在賦參數時，賦上節理參數，比如法向剛度、切向剛度，摩擦角，粘聚力等，詳見手冊。
需要注意的是，分別建立塊時，要明白手冊上塊的頂點（六面體八個頂點，其他見手冊）排列順序，不然容易出錯，可以一邊建模，一遍plot結果看看是否正確。
最后開挖時，定義單獨一個group，然后開挖它。
圓形洞室好建，你要建復雜些的，比如直墻拱洞室，就麻煩些，也要分開建，再開挖。若更復雜，比如弧拱，就很麻煩，你最好在ANSYS中建模，然后用大俠門的轉換程序轉到FLAC中。
最后附上一個3D例子，只建了一個分界面，
1.rar
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COH2D4T單元傳熱+開裂模擬（但是單元不自動刪除！）
之前一個帖子說了如何實現粘聚力單元的傳熱問題（詳細的大家可以翻閱一下我的那個帖子），本來以為aba終于帶來了個福利，coh可以傳熱了，按常規思維，coh傳熱是后加入的功能，那么它模擬開裂的功能應該一直都在啊，但是...，就是那么氣人，它可以傳熱了，但是不會開裂了，那我要你有何用呢，下面附上兩個簡單例子實錘證明，翻遍幫助文檔 ，也沒發現有一個例子coh既傳熱又能開裂的。歡迎大家一起嘗試，探討，也更希望大家能找到coh既能傳熱又能開裂的解決辦法。
1 簡單的拉伸模型
使用coh2d4單元時可以開裂：
使用coh2d4t單元時bu開裂：
2 復雜的熱力模型
使用coh2d4單元時可以開裂：
使用coh2d4t單元時不開裂：
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ABAQUS斷裂模擬收徒 ，快速學會各種ABAQUS斷裂模擬方法 **/人（將有機會享有各種插件以及程序，價值**、專門定制視頻、全程親自教學、各種模型調試及解答問題等等，傾囊相教）
展開 Abaqus通過USDFLD子程序進行泥巖的應變軟化模擬
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
參考文獻：張力偉,賈善坡,鄒江濤,舒婧曦.泥巖的峰后軟化力學模型.中國科技論文,2016,11(21):2456-2461
有關于abaqus子程序開發的相關問題可以通過公眾號聯系我們.
公眾號: 320科技工作室
Abaqus通過USDFLD子程序進行泥巖的應變軟化模擬
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
參考文獻：張力偉,賈善坡,鄒江濤,舒婧曦.泥巖的峰后軟化力學模型.中國科技論文,2016,11(21):2456-2461
有關于abaqus子程序開發的相關問題可以聯系扣扣1653004885或者關注cae320公眾號
展開 abaqus計算受重力作用下的土體表面重應力為什么不是零
舉一個最簡單例子，假設土體大小10X10X10米，材料密度2000kg/m3.彈性模量100Mpa，泊松比0.3，摩擦角30度，粘聚力30Kpa，只受重力作用，重力加速度取10。單元尺寸大小分別取0.5、1、2、5m。
計算地表豎向應力分別為0.5X104pa、1X104pa、2X104pa、5X104pa，可以看出，單元尺寸越小，地表單元的應力就越小，結果偏于更準確。這是因為重力是作用在每個單元的重心位置，該模型標準矩形，單元也規整，第一層每個單元的標高是單元網格尺寸的一半，第一層重心位置的應力就是密度X重力加速度X該層單元格重心深度，再通過有限元原理轉化到每個單元的節點上，可想而知，要想地表網格節點尺寸為0，必須是單元網格大小足夠小，接近于0，這就是為什么abaqus模擬巖土工程不準確的地方，不可能做到足夠小，一般巖土工程的模型都是比較大的（幾十米幾百米幾千米），模型越大網格尺寸會劃分的很大，精確度也越低。更多案例可以關注抖音abaquser。
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