ABAQUS粘聚力模型
關注創建者：匿名 創建時間：2021-12-03
ABAQUS粘聚力模型的實例教程
從事消費電子行業仿真，擅長膠材等材料的本構模型研究和構建。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。
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。
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這種微觀機制使得聚合物在宏觀上表現出極其復雜的力學特征：強烈的靜水壓敏感性（拉壓屈服不對稱，壓縮屈服強度往往遠高于拉伸）、顯著的粘彈性/粘塑性耦合響應、極低應變率下的頸縮后冷拉（Cold Drawing）現象，以及伴隨微裂紋（Crazing）與剪切帶（Shear Banding）競爭的損傷演化。
在構建聚合物材料卡片時，傳統的金屬本構模型完全失效。
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該系列參數可直接用于Abaqus、Ansys、Marc等軟件的粘彈性材料模型，準確模擬材料的長期松弛或蠕變行為。
時-溫疊加原理（TTSP）與主曲線生成：
利用不同溫度下的動態頻率掃描數據，我們通過時-溫疊加原理，將數據平移構建出跨越數十個數量級頻率的模量主曲線。
另外值得注意的是，Abaqus/Standard中的解映射似乎對總鐓粗力沒有顯著影響。
圖10是根據表2中確定的截面控制選項繪制的剛性表面參考節點處的鐓粗力與垂直位移的關系曲線。使用CAX4R和CAX6M單元得到的曲線非常接近，并且與Taylor (1981)獲得的率無關結果吻合良好。
從“少數人能用的高手工具”變成“團隊可復制的生產力平臺”。
</p><p><br></p><p><strong>四、材料與物理性質模塊（Materials & Physics）</strong></p><p>1.內置材料模型庫（線性/非線性彈性、塑性、粘彈性、粘塑性、損傷、疲勞、斷裂等），以及溫度、速率、熱-結構耦合效應。</p><p>2.支持材料參數的參數化、單位統一、溫度依賴、時變參數等。
</p><p class="ql-align-justify"><strong>材料模型與材料庫</strong></p><p>常用材料模型庫：線性彈性、各向同性/各向異性彈性、塑性（J2、工程塑性、有限延展）、粘彈性、粘塑性、損傷與斷裂（Cohesive Zone、Maxwell/標準模型等）。</p><p>溫度、輻射、率效應、熱 - 結構耦合下的材料行為（溫度依賴、應變速率依賴）。
</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。
為創建重疊網格區域并設置耦合歐拉-拉格朗日接觸，兩模型應有重合區域，故取分割面位置由內靠近整流罩蒙皮內表面。
圖5 圖6
采用理想氣體狀態方程（2）式描述流體材料的屬性
(2)
選擇Abaqus材料庫EOS模型中的Ideal Gas類型（見圖7）。其中：Gas Constant為氣體常數，取為；Ambient Pressure為環境壓強，取為。
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。
3．粘性能：
由阻尼機制引起，包括體粘性阻尼和材料阻尼，與粘彈性或非彈性過程耗散能量不同。
4．外力功
由節點力（力矩）和位移（轉角）定義，指定邊界條件也有貢獻。
