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1 基于cohesive單元的裂縫擴(kuò)展模擬1.1 cohesive單元簡(jiǎn)介 cohesive單元（粘性單元）定義： 通過(guò)預(yù)置裂紋邊（面）的方式來(lái)模擬二維（三維）裂紋，即在預(yù)判的裂紋區(qū)域加入一層厚度為0的cohesive單元。 cohesive單元簡(jiǎn)界：如圖1所示，cohesive單元由頂面，中面和底面組成。

目前在Abaqus中，基于全局或局部嵌入Cohesive單元，以模擬非均質(zhì)材料的裂縫擴(kuò)展的方法已經(jīng)相當(dāng)普遍。我想POLARIS_InsertCohElem插件起到不小的作用。后處理方面，也推出的POLARIS_CrackGeo插件提取Cohesive單元和XFEM模擬獲得的裂縫數(shù)據(jù)。但如何出圖來(lái)展示裂縫形態(tài)，成為插件用戶的一大痛點(diǎn)。

必須基于對(duì)地下儲(chǔ)層的精細(xì)認(rèn)識(shí)，找到有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)技術(shù)路線：水力壓裂。二、 Cohesive element原理ABAQUSd提供一種粘結(jié)單元（cohesive element），用以模擬兩個(gè)部分之間的粘性連接，一般來(lái)說(shuō)，它要求粘結(jié)材料尺寸和強(qiáng)度都小于粘結(jié)部分（比如多層復(fù)合材料的膠粘層），進(jìn)而可以利用cohesive element模擬材料的斷裂。

1 基于cohesive單元的裂縫擴(kuò)展模擬1.1 cohesive單元簡(jiǎn)介 cohesive單元（粘性單元）定義： 通過(guò)預(yù)置裂紋邊（面）的方式來(lái)模擬二維（三維）裂紋，即在預(yù)判的裂紋區(qū)域加入一層厚度為0的cohesive單元。 cohesive單元簡(jiǎn)界：如圖1所示，cohesive單元由頂面，中面和底面組成。

本人長(zhǎng)期從事ABAQUS軟件仿真模擬，擅長(zhǎng)平板焊接（高斯面熱源、高斯體熱源、雙橢球熱源、圓臺(tái)柱熱源等），基于子程序的摩擦攪拌焊接，壓力電阻焊接，子程序二次開(kāi)發(fā)（UEXPAN、USDFLD、UHARD、FILM、DISP、DFLUX、CREEP等），基于子程序的相變模擬，裂縫模擬（應(yīng)力強(qiáng)度因子、J積分等），裂紋擴(kuò)展（XFEM擴(kuò)展有限元、cohesive element、cohesive surface

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<p>&nbsp;&nbsp;&nbsp;已有大佬做了基于cohesive+泰森多邊形(Voronoi)插件模擬晶粒之間的晶界開(kāi)裂的視頻，這個(gè)視頻中晶粒模型主要是通過(guò)homtools插件建立的，cohesive單元的建立是通過(guò)Cohesive_generator_2D3D插件實(shí)現(xiàn)的。

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圖2 模型裝配圖4、 模擬結(jié)果分析通過(guò) Abaqus 軟件模擬 UHPC 加固混凝土三點(diǎn)彎試驗(yàn)，利用 XFEM 技術(shù)成功模擬了裂縫的擴(kuò)展過(guò)程。模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了模型的有效性。研究表明，UHPC 加固層能夠顯著提高混凝土梁的抗彎性能，抑制裂縫的擴(kuò)展，改變梁的應(yīng)力分布和破壞模式。

從力學(xué)機(jī)理層面看，巖石切削本質(zhì)是刀具與巖石接觸區(qū)的應(yīng)力集中引發(fā)的脆性斷裂過(guò)程，伴隨多條微裂紋的萌生、擴(kuò)展與貫通。Cohesive單元基于**內(nèi)聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）**，可通過(guò)定義牽引-分離準(zhǔn)則，精準(zhǔn)描述巖石材料的斷裂過(guò)程：單元內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到粘結(jié)強(qiáng)度前，表現(xiàn)為彈性變形；應(yīng)力超過(guò)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。

圖1 計(jì)算模型圖2 網(wǎng)格模型3.2 單元刪除算法有限元法基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué),所研究的物體必須連續(xù)。該理論下,單元不會(huì)消失。然而在實(shí)際情況下,由于損傷斷裂的存在,勢(shì)必會(huì)使得一些單元消失或者完全的失效。為有效實(shí)現(xiàn)單元失效或者單元消失的情況,ABAQUS軟件平臺(tái)提供單元刪除功能以供使用。考慮圖3(a）所示的桿,它從原來(lái)的位置AB拉伸并旋轉(zhuǎn)到新位置A'B'。

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此外，還需定義纖維與混凝土之間的界面屬性，如界面粘結(jié)強(qiáng)度、界面摩擦系數(shù)等，以準(zhǔn)確模擬纖維與混凝土之間的相互作用。?3、 XFEM 原理應(yīng)用基于 XFEM 的基本原理，在模型中引入裂縫單元。XFEM 通過(guò)富集函數(shù)來(lái)描述裂縫附近的位移場(chǎng)，能夠在不重新劃分網(wǎng)格的情況下準(zhǔn)確模擬裂縫的萌生、擴(kuò)展和分叉等復(fù)雜過(guò)程。

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