关于cohesive element的Traction Separation Laws模量、厚度的概念及关系总结

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经过了一段时间的理论与实践,以及ABAQUS的使用,总结了下面一些经验,希望大家共同学习:
1. 两个厚度:geometric thicknessconstitutive thickness.
geometric thickness,简单理解就是模型的尺寸,目的--让模型显得更真实。

constitutive thickness,参与模型内部运算的尺寸,目的--让结果算的更真实。

当然,在设置constitutive thickness的时候可以自己定值,也可以使用geometric thickness,数据从坐标直接读取得到,但后者的缺点是精度不够,对精度要求高的模型应通过定义section时手动输入.
2. 两个刚度:material stiffnessinterficial stiffness.
material stiffness:材料刚度,也叫弹性常数(elastic constants),力学中使用C, ABAQUS中使用K. 对于特殊的isotropic情况,它由Young's modulus,Poisson's ratio, 或者由lame constants 组成。material stiffness定义了应力与应变之间的关系, 它是一种材料特性,在ABAQUS中与该材料层的真实厚度无关。
interficial stiffness:界面刚度,它定义了应力与位移之间的关系。简单的推导(isotropic的单向拉伸为例)stress=E(Young's modulus)*strainE*L(original length)/L*strain=E/L*delta(位移),所以interficial stiffness=stress/delta=E/L
3. 两种模量的使用:
material stiffness 定义了cohesive element的本构,决定cohesive element的应力与应变关系。在ABAQUS/CAE中要求输入的E(K)/G(K)/G(K)就是material stiffness, 也就是cohesive layer这种材料的材料特性,与这一层的实际厚度无关。
interficial stiffness定义了traction-separation law的应力与位移在初始线弹性阶段的斜率。所以对于TS-law曲线,斜率为E/L.
4. 厚度与模量的相互关系
这里需要记住最重要的一点,就是基于TS-lawcohesive element的使用,其核心就是这个TS-Law 曲线,无论里面的数据如何选取,厚度如何变化,cohesive element的表现应该一直follow这条使用者设计的,或者试验得到的应力位移曲线。也就是说在模拟中取不同的数值的同时,一定要保证相应的其他数据依然能给出上次一样的TS-law曲线,否则两次模拟就完全不一样了。
举个例子说明:
假定使用MAXE作为damage initiation criterion, displacement作为damage evolution的参数。
初始给定material stiffness: E/G1/G2constitutive thickness选取默认1
为了方便说明,mode mix 选取independent. (mix mode一样的道理,因为都是线性等比例的变化关系)
damage initiation strain: 0.1/0.1/0.1(三个方向)
displacement at failure: 0.2
那么这次模拟给出的是一个以位移u_c=0.1damage initiation(曲线的最高点对应的位移值),u_u=0.2ultimate failure displacement(曲线的最终点对应的位移值),开始线弹性阶段以E/L=E/1为斜率的TS-law的曲线。
假设第二次模拟使用geometric thickness=0.1,而不是1,那么为了保持TS-law曲线,首先,斜率不变:E'/L'E/1。现在L'=0.1,所以要改变输入的material stiffness值为:0.1E/0.1G/0.1G; 其次,斜率不变了,但是需要在位移=0.1的地方开始damage,而位移等于strain×constitutive_thickness. constitutive_thickness现在等于0.1,所以damage initiation strain 需要改成:1/1/1. 而最终失效时的位移值不需要改变。这样第二次的模拟给出了和第一次完全一样的TS曲线,也就保证了模拟的一致性。
5. 厚度与精度的影响:
精度由geometric thickness constitutive thickness共同控制。概括的说两个的厚度越大,精度越差。因为cohesive element的根本是模拟两个相距0距离的surface的对应位置关系,因此理论上cohesive element的位移不可能出现负值,但是随着厚度的增加,这一层越来越趋于一个有限厚度的变形问题,相应的也会出现负位移,这个不难理解,当你变形一块相当厚度的平板的时候,平板表面产生翘曲,部分上突(正位移),部分下凹(负位移),虽然平板的底面可以固定在地上保证0位移。这里也就可以说明为什么ABAQUS对于geometric thickness使用零厚度的原因:当geometric thickness使用零厚度,那么相应的constitutive thickness可以取默认值1或者更大而不影响精度,因为geometric的零厚度限制了变形,消除了负位移的情况;反之,当geometric thickness不为零厚度时,就只有通过减小constitutive thickness来控制精度了。所以对于模型中layer有限厚度的情况,建议不使用默认值1,可是改小比如取0.001,但是相应的其他数据须按上述的原则进行修改。


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(6)
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Masson

L(original length)对应的哪个厚度

2019年8月10日
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慧能
我觉得楼主在内聚力厚度这块搞错了。constitutive thickness不是initial thickness,在cohesive section编辑中可编辑的是initial thickness,这里可以specify值。在abaqus中constitutive thickness默认是1.0。
2016年11月6日
评论 点赞 1
CaraWF
请问楼主如何画出cohesive单元部分在变形过程中的应力应变关系呢?而且我发现cohesive单元有些方向的应力是不输出的,请问怎样得用于检测本构关系的应力呢?本人新手,多谢指教!
2014年11月27日
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feya
:O:O:O:O:O:O:O
2014年11月24日
评论 点赞 1
王广
看不懂😅
2020年12月11日
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sangyc
感谢分享~~~
2016年3月27日
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