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Cohesive解说复合材料模型建模与分析1．Cohesive单元建模方法1.1几何模型使用内聚力模型（cohesivezone）模拟裂纹的产生和扩展，需要在估计产生裂纹的区域加入cohesive层成立cohesive层的方法主要有：方法一、成立完好的构造（如图（1a）所示），而后在上边切割出一个薄层来模拟cohesive单元，用这类方法成立的cohesive单元与其余单元公用节点，并以此传达力和位移方法二、分别成立cohesive层和其余构造零件的实体模型，经过“tie”绑定拘束，使得cohesive单元双侧的单元位移和应力协调，如图1（b）所示 a）cohesive单元与其余单元公用节点（b）独立的网格经过“tie”绑定图1.建模方法上述两种方法都能够用来模拟复合资料的分层无效，第一种方法区分网格比较复杂；第二种方法赋资料属性简单，区分网格也方便，可是装置及“tie”很繁琐；所以在实质建模中我们应依据实质构造选用较简单的方法1.2资料属性应用cohesive单元模拟复合资料无效，包含两种模型：一种是鉴于traction-separation描绘；另一种是鉴于连续体描绘此中鉴于traction-separation描绘的方法应用更为广泛。

而在鉴于traction-separation描绘的方法中，最常用的本构模型为图2所示的双线性本构模型它给出了资料达到强度极限前的线弹性段和资料达到强度极限后的刚度线性降低融化阶段注企图中纵坐标为应力，而横坐标为位移，所以线弹性段的斜率代表的实际是cohesive单元的刚度曲线下的面积即为资料断裂时的能量开释率所以在定义cohesive的力学性能时，实质就是要确立上述本构模型的详细形状：包含刚度、极限强度、以及临界断裂能量开释率，或许最后无效时单元的位移常用的定义方法是给定上述参数中的前三项，也就确立了cohesive的本构模型Cohesive单元可理解为一种准二维单元，能够将它看作被一个厚度分开的两个面，这两个面分别和其余实体单元连结Cohesive单元只考虑面外的力，包含法向的正应力以及XZ，YZ两个方向的剪应力下文对cohesive单元的参数进行论述，并介绍参数的选择方法图2.双线性本构模型单元的刚度鉴于traction-separation模型的界面单元的刚度能够经过一个简单杆的变形公式来理解PL（1）AE此中L为杆长，E为弹性刚度，A为初始截面积，P为载荷公式（1）又能够写成S （2）K此中SPA为名义应力，KEL为资料的刚度。

为了更好的理解K，我们把KEL写成：KEELEL（3）L1L这里我们用L来取代1，此中L能够理解为建模厚度，即建模时cohesiveinterface的几何厚度；L为实质厚度，即cohesiveinterface的真切厚度，这个厚度在cohesivesection中定义EL能够理解为几何刚度，即模型中cohesiveinterface所拥有的刚度；EL为Lcohesiveinterface的真切刚度当L为1时，计算界面刚度就采纳几何刚度EL，当L为0.001时，计算时界面刚度变成1000EL举个小例子，假如界面的实质厚度为0.01，而在建模时就是依据这个厚度成立的，在定义material-section时又specify这层的厚度为0.01，实质上就等于把界面刚度提升了2个数目级，模拟结果自然是不对的，这时定义section时应采纳默认厚度1ABAQUS在cohesive建模中使用了很“人性化”的设计，实质问题中界面可能很薄，有的只有0.001mm，甚至更小有些问题cohesive单元的interface还可能是0厚度（比方crack问题），而相对来说整体模型或许很大，假如不引入这两个厚度，我们就要在很大的模型中去创立这个很小的界面这是一个很麻烦的事情。

引入这两个厚度，在建模时我们就能够用有限的厚度来取代这个很小的界面厚度，只需在section中定义这个L就好了注：以上大多数内容来自仿真论坛：再议cohesive应用中关于一些参数的理解）下边举例来说明cohesive单元刚度的设置过程，以ABAQUS6.9为例：进入property界面，点击Material→Creat，在弹出的EditMaterial对话框中，能够编写新创立的cohesive资料的名称，而后点击Mechanical→Elasticity→Elastic→Traction，在空格中输入相应的刚度图3.cohesive单元刚度的定义损害准则初始损害准则初始损害对应于资料开始退化，当应力或应变知足于定义的初始临界损害准则，则此时退化开始Abaqus的Damagefortractionseparationlaws中包含：QuadeDamage、MaxeDamage、QuadsDamage、MaxsDamage、MaxpeDamage、MaxpsDamage六种初始损害准则，此中前四种用于一般复合资料分层模拟，后两种主假如在扩展有限元法模拟不连续体（比如crack问题）问题时使用。

使用图2所示的双线本构模型，此中：tn0、ts0及tt0分别代表纯Ⅰ型、纯Ⅱ型或纯Ⅲ损坏的最大名义应力，n0、s0，t0代表相应的最大名义应变，当定义界面单元的初始厚度为1时，则名义应变等于与之相对应的相对位移n，s及tQuadeDamage为二次名义应变准则：当名义应变比的平方和等于1时，损害开始MaxeDamage为最大名义应变准则：当任何一个名义应变的比值达到1时，损害开始QuadsDamage为二次名义应力准则：当各个方向的名义应变比的平方和等于1时，损害开始MaxsDamage为最大名义应力准则：当任何一个名义应力比值达到1时，损害开始图4.初始损害准则定义EditMaterial对话框中，点击Mechanical→DamageforTractionSeparationLaws，然后依据自己的需重点击相应的损害准则此中最常用是QuadsDamage损害演化规律选择了初始损害准则以后，而后点击Suboptions→DamageEvolution，窗口如图5所示此中Type包含Displacement和Energy，Displacement为鉴于位移的损害演化规律，而Energy为鉴于能量的损害演化规律。

Softening中包含Linear，Exponential及Tabular三种刚度退化方式DamageEvolution中的全部的选项都是用来确立单元达到强度极限此后的刚度降阶方式一般常用：以能量来控制单元的退化，即Type→Energy；线性融化模型，即Softening→Linear，Degradation→Maximum；Mixedmodebehavior→BK，Modemixratio→Energy,并选中Power图5.损害演化规律定义1.3cohesive单元界面属性仍是在Property界面中，点击Section→Create，在弹出的EditSection对话框中，选择Other→Cohesive图6.定义资料的界面属性在EditSection对话框中，在material的下拉菜单中选择方才创立的cohesive资料，也能够点击右边的create创立一组新的资料；Response选择tractionseparationInitialthickness为前文提到的L，默认值为1，也能够在specify中指定一个特定的值1.4将所创立的界面属性给予几何实体点击Assign→Section，而后在视图中选中要赋的几何实体，点击左下角的Done，则弹出以下窗口，在窗口是Section中下拉选中所创立的Cohesive截面，点击OK,操作达成。

图7.给实体赋截面属性1.5cohesive单元网格区分Cohesive单元网格的区分与其余单元基本一致，可是以下几点不一样与其余单元，区分网格时应特别注意一、网格密度，cohesive单元的网格尺寸不可以太大，往常需要比较精美的网格，否则简单惹起收敛性问题，甚至没法持续计算二、一定使用sweep（扫掠）区分网格的方法，而且扫掠的方向垂直于cohesive面，即沿着cohesive单元的厚度方向三、单元种类的选择图8.cohesive单元种类选择在单元库中选择cohesive，能够在Viscosity，specify中指定一粘性系数，来改良收敛性，可是粘性系数的设置不可以太大，否则会影响计算结果，我们一般设置为0.001；Elementdeletion：用于设置单元的删除状况，一般选yes，即当单元完好无效时被删除；maxdegradation：一般设置为1，即当SDEG=1时，以为单元无效2.cohesive单元在复合资料分层剖析中的应用为了考证商用有限元软件ABAQUS中的cohesive单元在复合资料分层计算时的有效性，我们经过其与一实验值的对照考证了其计算的正确性一DCB试验件，长150mm，宽20mm，单臂厚度1.98mm，预置55mm长的初始裂纹，如图9所示。

资料属性为E11=150GPa，E22=E33=11GPa，G12=G13=6.0GPa，G23=3.7GPa，12=0.25，13 =0.25，23=0.45；cohesive单元的资料属性为K=1×105MPa/mm，界面强度T=15MPa，临界能量开释率GIC=0.268KJ/m2悬臂梁一端固支，一端施加位移载。