內聚力模型（Cohesive Zone Model）的案例
Abaqus利用內聚力模型（cohesive zone）模擬裂紋擴展仿真案例講解
Abaqus利用內聚力模型（cohesive zone）模擬裂紋擴展仿真案例講解
某SUV前擋風玻璃沖擊破壞仿真分析
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 生成數條裂紋，用插入cohesive單元做二維巖石切削 ￥30
# 采用插入Cohesive單元生成多裂紋開展二維巖石切削模擬的必要性
在二維巖石切削數值模擬中，采用**插入Cohesive單元法生成多裂紋**是精準刻畫切削過程中巖石損傷、裂紋萌生-擴展-貫通及碎屑形成的核心技術手段，其必要性可從力學機理表征、數值計算精度、工程適用性三個維度展開分析。
從力學機理層面看，巖石切削本質是刀具與巖石接觸區的應力集中引發的脆性斷裂過程，伴隨多條微裂紋的萌生、擴展與貫通。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。相較于傳統的脆性開裂模型（如最大主應力準則），Cohesive單元能夠同時表征巖石的**張開型（Ⅰ型）、滑開型（Ⅱ型）及混合型裂紋擴展**，完美契合切削過程中多裂紋的復雜擴展模式，而直接通過網格劃分預設裂紋的方法無法模擬裂紋的動態萌生過程，難以反映真實切削機理。
從數值計算精度層面分析，插入Cohesive單元法可實現多裂紋的自主演化與相互作用。在二維切削模型中，刀具擠壓巖石會在刃口前方形成應力集中區，同時在切削面下方產生次生裂紋，多條裂紋的擴展路徑相互影響，最終決定碎屑形態與切削力波動特征。Cohesive單元可預先嵌入巖石基體網格的薄弱面（如顆粒邊界、層理面）或全域分布，當局部應力滿足斷裂準則時，單元自動失效形成裂紋，無需人為預設裂紋路徑，有效避免了預設裂紋帶來的主觀性誤差。此外，Cohesive單元的剛度退化過程可平滑模擬裂紋擴展的能量耗散，解決了傳統有限元模擬中裂紋擴展時的網格畸變與計算不收斂問題，提升了切削力、裂紋擴展長度等關鍵參數的計算精度。
展開 ABAQUS VUMAT/UMAT - 雙線性Cohesive zone model 單調荷載模型 ￥650
Cohesive zone model（CZM）可以被用于模擬材料的分離和剝落，并被內置于一些商業軟件中作為自帶的本構模型，模擬復合材料剝離、金屬焊接材料損傷、混凝土材料開裂以及組合材料的分離等。本文參考了abaqus用戶手冊中基于B-K law （Benzeggagh & Kenane）和 traction-separation law 的CZM，提出了算法實現，并通過VUMAT子程序和二維cohesive單元在ABAQUS中進行有限元模擬。
二維cohesive單元擁有法向和切向兩個方向的應力-位移關系（如下圖）。ft 和 fs 分別是受拉和受剪時的最大內聚力。Kn 和 Ks 是法向和切向彈性剛度。GIC 和 GIIC 代表受拉（mode I）和受剪 （mode II）時的材料最多可以消散的能量。
在混合受力模式中（mix-mode），材料即受到剪力又受到拉力。為了簡化計算條件，需要將受拉和受剪的過程耦合成等效關系。在下圖中，純剪和純拉模式可以被偶合成類似的雙線性模型。delta_0 和 delta_f 用于判斷材料在混合模式下所處的狀態，包括彈性上升、線性下降和完全破壞。
類似于Abaqus中的CZM，本文所提出算法也需要輸入彈性剛度（Kn, Ks）、最大內聚力強度（ft, fs)、最大消散能（GIC, GIIC) 和 B-K法則中的無量綱常數 n。具體算法如下：
利用EXPLICIT/DYNAMIC求解器測試單個單元和其在FRP double cantilever beam上的表現。
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汽車結構膠仿真模型MAT_169材料卡片的制作
據行業預測，未來五年內，單車結構膠用量將增長30%以上，成為汽車輕量化與安全設計的核心支撐技術。
結構膠接頭仿真分析
評估粘接接頭質量的方法往往是利用力學試驗去測試粘接接頭的性能。然而許多物理實驗耗時、費力、成本昂貴，而對整車的力學測試則需要更多的設備。
仿真分析能夠通過建立精確的模型，模擬結構膠在不同載荷條件下的力學行為。然而，仿真分析的準確性高度依賴于模型參數的設置。如果參數設置不準確，模擬結果與物理試驗之間可能存在較大誤差。因此，模型標定過程成為確保仿真結果可靠性的關鍵步驟。
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。該模型將膠層簡化為一系列的法向和切向彈簧，通過定義材料參數來描述膠層的力學行為。
圖1 MAT_169材料模型的本構簡化模型
MAT_169材料模型中的材料參數為：
(1)定義材料彈塑性力學性能的參數，包括材料密度、彈性模量、泊松比、沿單元厚度方向最大正應力(TENMAX)和沿單元厚度方向最大剪應力(SHＲMAX)；
2)預報材料失效的參數，包括沿單元厚度方向正應力作用下的能量損耗(GCTEN)以及沿單元厚度方向剪應力作用下的能量損耗(GCSHR)。
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Cohesive內聚力模型
4.VCCT虛擬裂紋閉合技術
5.復合材料VUMAT子程序開發及應用
6.復合材料結構輔助建模插件工具應用
(1)內聚力模型(cohesive zone model)原理詳解（含本構關系、損傷起始、損傷演化、粘性正則化、材料參數測試方法及估算方法）
(2)cohesive單元建模（二維/三維、Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit）
(3)Surface-based cohesive粘接面的使用方法（Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit）
(4)VCCT虛擬裂紋閉合技術原理詳解
(5)VCCT使用方法（Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit）
(6)復合材料三維實體單元VUMAT子程序詳解及應用
(7)內嵌二維編織復合材料VUMAT子程序及應用
(8)多種復合材料輔助建模工具使用方法介紹
練習：
(1)DCB雙懸臂梁模型建模（cohesive單元、cohesive粘接面、VCCT）
(2)小球沖擊復合材料層壓板建模（殼單元）
(3)小球沖擊復合材料層壓板建模（實體單元+VUMAT子程序）
備注
將提供該課程課件、配套CAE模型、配套子程序源代碼及多種復合材料輔助建模插件工具
高級班課程大綱：
類別
時間
主題
內容
高級班
第三天
上午
1.Abaqus復合材料 UVARM自定義輸出變量子程序及應用
2.Abaqus 復合材料USDFLD/VUSDFLD自定義場變量子程序開發及應用
3.Abaqus 復合材料VUSDFLD自定義場變量子程序開發及應用
內容：
(1)UVARM子程序原理及開發方法。
展開 在 COMSOL 中模擬接觸問題
另外有一點需要注意：該仿真的模型樹中包含“熱接觸對”節點，此節點使兩個零件之間的熱阻隨接觸壓力的變化而變化。由于垂直方向的熱膨脹受到阻礙，接觸壓力會隨著時間的增加而變大。因此，仿真開始時兩個零件之間的傳熱相對較小。
使物體分離：如何模擬剝離
到目前為止，我們已經討論了如何將兩個邊界粘結在一起。此外，您還能模擬此過程的相反情況：用足夠大的力將兩個邊界扯開。借助“粘附”子節點中的“剝離”欄，我們便能夠對這類現象進行控制。
剝離設置。
您可以使用剝離功能來對兩層結構之間的剝離進行模擬，還可以描述連續性材料的裂紋擴展現象。對于后者，我們必須先了解裂紋路徑才能夠執行分析。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。
消耗完一定的能量后，兩層之間的粘接將徹底斷裂。
如果在粘結完全斷裂之前卸載負載，層結構將被視為受到了損壞，其彈性剛度則隨之減小。
下圖顯示了在純拉伸情況下法向應力與邊界分離之間的關系。所需輸入數據包括最大應力
與藍色曲線下的面積，后者可以解釋為能量釋放率
。紅色斜線表示彈性路徑，部分受損結構在卸載應力過程會遵循這一路徑。
線性分離定律中應力與邊界分離的關系。
剪切應力與剪切變形的關系曲線與上圖大致相同。因此，對于純剪切和純拉伸的情況，剝離行為具有單獨的定義。
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