生成数条裂纹，用插入cohesive单元做二维岩石切削 原创

# 采用插入Cohesive单元生成多裂纹开展二维岩石切削模拟的必要性

在二维岩石切削数值模拟中，采用**插入Cohesive单元法生成多裂纹**是精准刻画切削过程中岩石损伤、裂纹萌生-扩展-贯通及碎屑形成的核心技术手段，其必要性可从力学机理表征、数值计算精度、工程适用性三个维度展开分析。

从力学机理层面看，岩石切削本质是刀具与岩石接触区的应力集中引发的脆性断裂过程，伴随多条微裂纹的萌生、扩展与贯通。Cohesive单元基于**内聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）**，可通过定义牵引-分离准则，精准描述岩石材料的断裂过程：单元内部应力达到粘结强度前，表现为弹性变形；应力超过阈值后，单元刚度退化并伴随能量耗散，直至单元失效形成裂纹。相较于传统的脆性开裂模型（如最大主应力准则），Cohesive单元能够同时表征岩石的**张开型（Ⅰ型）、滑开型（Ⅱ型）及混合型裂纹扩展**，完美契合切削过程中多裂纹的复杂扩展模式，而直接通过网格划分预设裂纹的方法无法模拟裂纹的动态萌生过程，难以反映真实切削机理。

从数值计算精度层面分析，插入Cohesive单元法可实现多裂纹的自主演化与相互作用。在二维切削模型中，刀具挤压岩石会在刃口前方形成应力集中区，同时在切削面下方产生次生裂纹，多条裂纹的扩展路径相互影响，最终决定碎屑形态与切削力波动特征。Cohesive单元可预先嵌入岩石基体网格的薄弱面（如颗粒边界、层理面）或全域分布，当局部应力满足断裂准则时，单元自动失效形成裂纹，无需人为预设裂纹路径，有效避免了预设裂纹带来的主观性误差。此外，Cohesive单元的刚度退化过程可平滑模拟裂纹扩展的能量耗散，解决了传统有限元模拟中裂纹扩展时的网格畸变与计算不收敛问题，提升了切削力、裂纹扩展长度等关键参数的计算精度。

从工程适用性角度考量，该方法可直接服务于岩石切削工艺优化。在石油工程钻井、矿山机械切削等实际场景中，岩石内部存在天然微裂纹与缺陷，多裂纹扩展直接影响切削效率与刀具磨损。通过插入Cohesive单元生成多裂纹，可模拟不同切削参数（如刀具角度、切削速度）下岩石的损伤演化规律，预测切削过程中的崩碎区范围与裂纹扩展方向，为高效切削工艺参数的制定提供数值依据。而其他裂纹生成方法（如扩展有限元法XFEM）虽也可模拟裂纹扩展，但在多裂纹相互作用及碎屑分离的模拟中，存在单元积分复杂、计算成本高的问题，对于二维切削这类需要大规模模拟的场景，插入Cohesive单元法兼具精度与效率优势。

综上，插入Cohesive单元生成多裂纹是二维岩石切削模拟中不可或缺的技术手段，其核心价值在于实现了岩石断裂机理、数值计算精度与工程应用需求的有机统一。