ABAQUS中Cohesive单元建模方法

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 cohesive zone 模拟裂纹的产生和扩展 需要在预计产生裂纹的区 域加入 cohesive 层 建立 cohesive 层的方法主要有 方法一 建立完整的结构 如图 1 a 所示 然后在上面切割出一个薄层来模拟 cohesive 单元 用这种方法建立的 cohesive 单元与其他单元公用节点 并以此传递力和位 移 方法二 分别建立 cohesive 层和其他结构部件的实体模型 通过 tie 绑定约束 使得 cohesive 单元两侧的单元位移和应力协调 如图 1 b 所示 a cohesive 单元与其他单元公用节点 b 独立的网格通过 tie 绑定 图 1 建模方法 上述两种方法都可以用来模拟复合材料的分层失效 第一种方法划分网格比较复杂 第二种方法赋材料属性简单 划分网格也方便 但是装配及 tie 很繁琐 因此在实际建模 中我们应根据实际结构选取较简单的方法 1 2 材料属性 应用 cohesive 单元模拟复合材料失效 包括两种模型 一种是基于 traction separation 描述 另一种是基于连续体描述 其中基于 traction separation 描述的方法应用更加广泛 而在基于 traction separation 描述的方法中 最常用的本构模型为图 2 所示的双线性本 构模型 它给出了材料达到强度极限前的线弹性段和材料达到强度极限后的刚度线性降低 软化阶段 注意图中纵坐标为应力 而横坐标为位移 因此线弹性段的斜率代表的实际是 cohesive 单元的刚度 曲线下的面积即为材料断裂时的能量释放率 因此在定义 cohesive 的力学性能时 实际就是要确定上述本构模型的具体形状 包括刚度 极限强度 以及临 界断裂能量释放率 或者最终失效时单元的位移 常用的定义方法是给定上述参数中的前 三项 也就确定了 cohesive 的本构模型 Cohesive 单元可理解为一种准二维单元 可以将 它看作被一个厚度隔开的两个面 这两个面分别和其他实体单元连接 Cohesive 单元只考 虑面外的力 包括法向的正应力以及 XZ YZ 两个方向的剪应力 下文对 cohesive 单元的参数进行阐述 并介绍参数的选择方法 图 2 双线性本构模型 1 2 1 Cohesive 单元的刚度 基于 traction separation 模型的界面单元的刚度可以通过一个简单杆的变形公式来理解 1 PLAE 其中 L 为杆长 E 为弹性刚度 A 为初始截面积 P 为载荷 公式 1 又可以写成 2 SK 其中 为名义应力 为材料的刚度 SP L 为了更好的理解 K 我们把 写成 E 3 1L 这里我们用 来代替 1 其中 L 可以理解为建模厚度 即建模时 cohesive interface 的几何L 厚度 为实际厚度 即 cohesive interface 的真实厚度 这个厚度在 cohesive section 中定 义 可以理解为几何刚度 即模型中 cohesive interface 所具有的刚度 为E EL cohesive interface 的真实刚度 当 为 1 时 计算界面刚度就采用几何刚度 当 为 0 001 时 计算时界面刚度变为 1000 举个小例子 如果界面的实际厚度为L EL 0 01 而在建模时就是按照这个厚度建立的 在定义 material section 时又 specify 这层的厚 度为 0 01 实际上就等于把界面刚度提高了 2 个数量级 模拟结果当然是不对的 这时定 义 section 时应采用默认厚度 1 ABAQUS 在 cohesive 建模中使用了很 人性化 的设计 实际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 比如 crack 问题 而相对来说整体模型也许很大 如果不引入这两个厚度 我们就要在很大的 模型中去创建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 可以用有限的厚度来代替这个很小的界面厚度 只要在 section 中定义这个 就好了 注 L 以上大部分内容来自仿真论坛 再议 cohesive 应用中对于一些参数的理解 1 2 2 一个解释 另外有个我的经验公式 大体上 energy 0 5 damage initiation 2 stiffness 这个公式不难理解 就是锐角三角形的总面积大于一条侧边下的面积 将 traction separation law 画成图线你就一目了然了 不过根据不同的法则 会稍微有些区别的 以上的 话引自 dava 的个人空间 这里我想解释下这个不等式 有些新手可能一下还看不明白 damage initiation 为开始破坏时的应力 即三角形的高 stiffness 为刚度 也就是斜率 即 tanq 所以侧边三角形的底边为 damage initiation stiffness 0 5 damage initiation 2 stiffness 即为侧边下的三角形面积 实际上能量还要大于这个侧边下三角形的面积很多 因为斜率一般都很大 1 2 3 关于材料参数 定义 cohesive 的材料时 要填入材料的参数 这些材料参数是材料固有的特性 与几 何没有关系 所以放心大胆的填入吧 材料参数是由试验得到的 如果不能做实验 多数 情 况如此 就去查国际上相关的文献吧 数据甚至比你自己做试验都要详细 在填入数据时 要注意单位的统一 再说句 断裂能为单位面积上的能量 如你的单位选取 N 力的单位 和 M 长度单位 那么能量的单位为 N M 下面举例来说明 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 Edit Material 对话框中 可以编 辑新创建的 cohesive 材料的名称 然后点击 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 1 2 4 损伤准则 1 2 4 1 初始损伤准则 初始损伤对应于材料开始退化 当应力或应变满足于定义的初始临界损伤准则 则此 时退化开始 Abaqus 的 Damage for traction separation laws 中包括 Quade Damage Maxe Damage Quads Damage Maxs Damage Maxpe Damage Maxps Damage 六种初始损伤准 则 其中前四种用于一般复合材料分层模拟 后两种主要是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 其中 及 分别代表纯 型 纯 型或纯 破0nts0t 坏的最大名义应力 代表相应的最大名义应变 当定义界面单元的初始厚度0n s0t 为 1 时 则名义应变等于与之相对应的相对位移 及 n st Quade Damage 为二次名义应变准则 当名义应变比的平方和等于 1 时 损伤开始 2220001nst Maxe Damage 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 损伤开始 00max 1nst Quads Damage 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 伤开始 2220001nsttt Maxs Damage 为最大名义应力准则 当任何一个名义应力比值达到 1 时 损伤开始 00max nstt 图 4 初始损伤准则定义 Edit Material 对话框中 点击 Mechanical Damage for Traction Separation Laws 然后 根据自己的需要点击相应的损伤准则 其中最常用是 Quads Damage 1 2 4 2 损伤演化规律 选择了初始损伤准则之后 然后点击 Suboptions Damage Evolution 窗口如图 5 所示 其中 Type 包括 Displacement 和 Energy Displacement 为基于位移的损伤演化规律 而 Energy 为基于能量的损伤演化规律 Softening 中包括 Linear Exponential 及 Tabular 三种 刚度退化方式 Damage Evolution 中的所有的选项都是用来确定单元达到强度极限以后 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 线性软化模型 即 Softening Linear Degradation Maximum Mixed mode behavior BK Mode mix ratio Energy 并选中 Power 图 5 损伤演化规律定义 1 3 Cohesive 单元界面属性 还是在 Property 界面中 点击 Section Create 在弹出的 Edit Section 对话框中 选择 Other Cohesive 图 6 定义材料的界面属性 在 Edit Section 对话框中 在 material 的下拉菜单中选择刚才创建的 cohesive 材料 也可以点击右侧的 create 创建一组新的材料 Response 选择 traction separation Initial thickness 为前文提到的 默认值为 1 也可以在 specify 中指定一个特定的值 L 1 4 将所创建的界面属性赋予几何实体 点击 Assign Section 然后在视图中选中要赋的几何实体 点击左下角的 Done 则弹 出如下窗口 在窗口是 Section 中下拉选中所创建的 Cohesive 截面 点击 OK 操作完成 图 7 给实体赋截面属性 1 5 Cohesive 单元网格划分 Cohesive 单元网格的划分与其他单元基本一致 但是以下几点不同与其他单元 划分 网格时应特别注意 网格密度 cohesive 单元的网格尺寸不能太大 通常需要比较精细的网格 不然容易引 起收敛性问题 甚至无法继续计算 必须使用 sweep 扫掠 划分网格的方法 并且扫掠的方向垂直于 cohesive 面 即沿着 cohesive 单元的厚度方向 单元种类的选择 图 8 cohesive 单元种类选择 在单元库中选择 cohesive 可以在 Viscosity specify 中指定一粘性系数 来改善收敛 性 但是粘性系数的设置不能太大 不然会影响计算结果 我们一般设置为 0 001 Element deletion 用于设置单元的删除情况 一般选 yes 即当单元完全失效时被 删除 max degradation 一般设置为 1 即当 SDEG 1 时 认为单元失效 2 Cohesive 单元在复合材料分层分析中的应用 为了验证商用有限元软件 ABAQUS 中的 cohesive 单元在复合材料分层计算时的有效 性 我们通过其与一实验值的对比验证了其计算的准确性 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 材料属性为 E11 150GPa E 22 E33 11GPa G12 G13 6 0GPa G 23 3 7GPa cohesive 单元的材料属性为 K 1 105 120 5 13 230 45 MPa mm 界面强度 T 15MPa 临界能量释放率 GIC 0 268 KJ m2 悬臂梁一端固支 一 端施加位移载荷 a 侧视图 b 俯视图 图 9 DCB 几何模型 Abaqus 和实验 1 得到的力位移曲线如图 10 所示 从图中可以看出 数值模拟的力位 移曲线与实验得到的力位移曲线吻合的很好 数值模拟得到的最大力为 65 8N 而实验得 到的最大力为 62 52N 数值模拟结果略高于实验结果 由此 我们可以得到有限元软件 ABAQUS 中的 cohesive 单元可以有效的模拟复合材料层合板的分层 计算得到的变形过程 的应力及位移云图如图 11 12 所示 0 10 20 30 40 50 60 70 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 位 移 mm 力 N a abaqus 计算值 b 实验值 图 10 实验及数值模拟结果 a t 0 25s b t 0 5s c t 0 75s d t 1 0s 图 11 变形过程中应力云图 a t 0 25s b t 0 5s c t 0 75s d t 1 0s 图 12 变形过程中位移云图 1 Camanho P P Davila C G 2002 Mixed mode decohesion finite elements for the simulation of delamination in composite materials NASA TM 2002 211737