ABAQUS中Cohesive模型粘聚力模型的2种定义方式

jiaoyou3385 2022年5月30日浏览：2887 评论：7 收藏：83

从事消费电子行业仿真，擅长胶材等材料的本构模型研究和构建。熟悉橡胶本构模型建立，包括超弹+线性&非线性粘弹+Mullins Effect+Permanet Set的材料测试方法和建模方法，感谢您的关注。以下是正文：

ABAQUS中的Cohesive模型可用于模拟金属的裂纹扩展、复合材料的分层、焊接区域的破坏、涂层的断裂等，在消费电子、航空航天等领域的仿真中有着广泛的应用。

本文重点介绍了两种粘聚力模型在ABAQUS中的定义方式，并且通过一个仿真案例来帮助读者更好掌握cohesive element的使用方法，建议读者使用cohesive surface来重现上文中的仿真案例（点击阅读原文下载模型文件）。

一、粘聚力模型定义的理论基础

基于Traction-Separation Law的粘聚力模型包括粘聚力单元（cohesive element）和粘聚力接触（cohesive surface interaction），如图1所示。

ABAQUS中Cohesive模型粘聚力模型的2种定义方式的图1

图1 两种粘聚力模型

对于Traction-Separation Law，最常用的本构模型是图2所示的双线性本构模型。它描述了材料到达强度极限前的线弹性阶段和材料到达强度极限后的刚度线性降低软化阶段。横坐标为位移，纵坐标应力。线弹性阶段的斜率表示刚度，三角形下的面积表示材料断裂时释放的能量。一般来说，在使用内聚力模型时，需要给出刚度，极限强度，临界能量释放量（或者失效时的位移）。

图2 双线性本构模型

对于内聚力模型，初始损伤准则的设定是至关重要的。Abaqus提供了6种初始损伤准则，本文重点介绍前四种准则。首先 ABAQUS中Cohesive模型粘聚力模型的2种定义方式的图3 分别代表纯I型（张开型）、纯II型（滑开型）和纯III型（撕开型）破坏的最大名义应力分别表示纯I型、纯II型和纯III型破坏的最大名义应变。图3为三种断裂形式的示意图。

图3 三种断裂形式

（1）Quade Damage:

ABAQUS中Cohesive模型粘聚力模型的2种定义方式的图6

（2）Maxe Damage:

ABAQUS中Cohesive模型粘聚力模型的2种定义方式的图7

（3）Quads Damage:

（4） Maxs Damage:

ABAQUS中Cohesive模型粘聚力模型的2种定义方式的图9

二、粘聚力模型的ABAQUS设置方法

接下来分别详细介绍粘聚力单元（cohesive element）和粘聚力接触（cohesive surface interaction）的ABAQUS的软件设置方法。

1、粘聚力单元的ABAQUS设置

对于粘聚力单元（cohesive element）,以ABAQUS2019为例：

第一步：进行cohesive单元刚度设置，在Property界面下，依次点击Mechanical->Elasticity->Elastic->Traction，Type中选择Traction, 然后在空格中输出相应的刚度，如图3所示

图3

第二步：初始损伤准则，点击Mechanical->Damage for Traction Separation Laws。Abaqus提供了6种初始损伤准则，一般前四种用于复合材料的分层模拟，后两种用于扩展有限元。对于前面4种初始损伤准则的具体含义，详见ABAQUS帮助文档。
第三步：损伤演化规律，在定义了初始损伤准则后，点击Suboptions->Damage Evolution，弹出的界面如图4所示。Type包括Displacement和Energy，一般会选择基于Energy的损伤演化规律。Softening中有多种选项，表示刚度退化的方式。

ABAQUS中Cohesive模型粘聚力模型的2种定义方式的图11

图4

第四步：Cohesive单元截面属性，在Property模块中，点击create section，在弹出的界面中选择，选择Other->Cohesive，Material选择刚才定义的cohesive材料，Response选择Traction Separation， Initial Thickness可使用默认值，也可指定。
第五步：将所创建的截面属性赋予给相应的几何部件。这一步与常规操作一致，不再赘述。
第六步：损伤设置输出，为了能在后处理中看到粘聚力单元的破坏起始，损伤以及删除后的效果，需要在场变量输出中进行相应的设置。勾选Failure/Fracture下面的SDEG，DMICRT；在State/Field/User/Time下勾选STATUS。
第七步：关于Cohesive单元的网格划分，有几个需要注意的点。第一，cohesive单元的网格需要比较细密；第二，需要沿着cohesive单元厚度方向用扫掠的方式划分网格；第三，单元种类选择cohesive，如图5所示，Viscosity中可Specify0.001来改善收敛性，Element Deletion可选择Yes，表示单元完全失效时被删除，Max Degradation设置为1，表示SDEG=1时，单元完全失效。

ABAQUS中Cohesive模型粘聚力模型的2种定义方式的图12

图5

2、粘聚力接触的ABAQUS设置

对于Cohesive Surface Interaction，以ABAQUS2019隐式分析为例进行介绍。

第一步：定义粘聚力接触属性，Interaction->Create->Mechanical->Cohesive Behavior，如图6所示。可勾选Specify Stiffness Coefficients，定义相应的K值。

图6

第二步：在定义了刚度后，需要定义初始损伤准则和损伤演化规律，点击Mechanical->Damage，在Criterion选择相应的初始破坏准则，如图7所示。为了定义损伤演化规律，需要勾选Specify damage evolution，在Evolution界面下，定义相应的参数。以上定义刚度，初始损伤准则和损伤演化规律的步骤与定义Cohesive Element的逻辑相同。另外可勾选Specify damage stabilization，在Stabilization界面下输出相应的粘度系数来改善收敛性。

ABAQUS中Cohesive模型粘聚力模型的2种定义方式的图14

图7

第三步：接下来定义接触对。Interaction->Create->Surface to surface contact(Standard)，随后选择接触面，在Discretization Method选项下选择Node to surface，Contact interaction property选择刚才建立的粘聚力接触属性。
第四步：损伤设置输出，在场变量输出中进行相应的设置。勾选Failure/Fracture下面的CSDMG以及起始损伤准则相应的项；在State/Field/User/Time下勾选STATUS。

三、粘聚力模型的实践与互动

以上介绍了Cohesive Element和Cohesive Surface的具体设置方式。作为学习型仿真工程师不能只看不练，否则只是过眼云烟。

接下来对几个设置关键点进行阐述，读者可以打开INP文件进行一一对照。

第一步：建立几何模型，在一个Part中分割出剥离臂和粘合层
第二步：Property定义，剥离臂的材料属性比较常规，不再赘述。对于粘合层的材料属性，分别定义了刚度，初始损伤准则和损伤演化规律；粘合层的截面属性为Other->Cohesive；
第三步：创建分析步，时长为1，打开非线性。在场变量输出中进行相应的设置。勾选Failure/Fracture下面的SDEG，DMICRT；在State/Field/User/Time下勾选STATUS
第四步：在Load模块，主要有两个设置，第一为粘合层下表面的全约束，第二为剥离臂右侧在Y方向的约束，设置Y方向位移为30。
第五步：在Mesh模块，全局网格尺寸为0.25，另外需要额外将粘合层在厚度方向的布种数设为1。剥离臂和粘合层均采用扫掠的方式划分四边形网格，扫掠方向为厚度方向。剥离臂采用CPS4R单元。粘合层采用COH2D4单元，另外粘度系数设为0.001，Element Deletion设为Yes，Max Degradation设为1。