ABAQUS粘聚力模型( Cohesive Model ) 应用小结

关于Cohesive模型应用的一些小结

学习粘聚力单元时从各种讨论中获益匪浅，现总结自己做过的一些练习模型，希望对大家有所帮助。里面有很多是论坛中帖子里面的知识，在此对原作者一并谢过。错误疏漏之处请大家多指正。

这里所有的粘聚力模型都是指Traction-separation-based modeling( The modeling of bonded interfaces in composite materials often involves situations where the intermediate glue material is very thin and for all practical purposes may be considered to be of zero thickness，帮助文献目录为32.5.1-2 )。模型中参数仅作测试用，没有实际意义。

1.引言及一些讨论

粘聚力模型( Cohesive Model )将复杂的破坏过程用两个面之间的‘相对分离位移-力’关系表达。这种粘聚力关系很大程度上是宏观唯象的，有多种表达形式，如图1-1所示。

图1-1 常见的粘聚力关系

Abaqus软件中自带的粘聚力模型为线性三角形(下降阶段可以为非线性)。其它如指数、

梯形等模型主要通过用户单元子程序(UEL/VUEL)实现。粘聚力模型的形状对某些计算结果( 例如单纯的拉开分层)影响很大。

1.1 粘聚力单元及粘聚力接触

粘聚力模型可以通过使用粘聚力单元( Cohesiev Elements )或者粘聚力接触( Cohesive Surfaces )来实现。在模型和参数都一致的时候，两类方法得到的结果略有差别。

1.2粘聚力单元

Abaqus中的粘聚力单元包括3D单元COH3D8，COH3D6；2D单元COH2D4；轴对称单元COHAX4；以及相应的孔压单元。

单元的厚度(分离)方向

对于粘聚力单元，一个非常重要的方面是确定单元的厚度(分离)方向( Thickness direction、Stack direction )。以三维8节点单元COH3D8为例，单元有三组相对的面，但是只能有一组相对的面可以相互分离。在这组可分离的面中，从一个面到另一个面的方向，定义为单元的厚度(分离)方向。对于3D 单元，厚度方向对应于单元的第3( Z )方向，对于2D单元，厚度方向对应于单元第2( y )方向。

通过编写inp文件定义的粘聚力单元，分离方向由节点顺序决定。对于4/6/8个节点组成的单元，前2/3/4个节点定义的面为底面，后2/3/4个节点定义的面为顶面。从底面到顶面的方向为分离方向（即对于8节点单元，只有1-5，2-6，3-7，4-8这4组相对的节点可以相互断开），如图1-2.

粘聚力单元在厚度方向上只能有一层。

图1-2 粘聚力单元厚度方向

在Abaqus中定义厚度方向主要有以下几个方法：

（1）定义/修改网格划分扫掠( sweep )方向，如图1-3。扫掠方向就是厚度方向；

Mesh模块：Mesh →Controls →Sweep →Redefine Sweep Path/Assign Stack Direction

图1-3 定义/修改扫掠方向

（2）在单元修改（只能应用于独立网格）选项中，定义单元堆叠( stack direction )方向，如图1-4。堆叠方向就是厚度方向；

Mesh模块：Mesh →Edit →Element →Orient stack direction

图1-4 修改单元堆叠方向

（3）修改inp文件，定义节点顺序。

单元的输出结果

另外一个需要注意的问题是，粘聚力单元的输出结果是按照单元局部坐标(自然坐标)输出的。并且和分离面相对应，采用Traction-separation-based modeling的粘聚力单元只有部分的应变/应力分量输出结果。对于3D单元，输出的分量为沿单元厚度方向的法向分量（S33 Direct through-thickness stress ）以及相应的两个切向分量（S13 - Transverse shear stress，S23 - Transverse shear stress ），Ref 32.5.9–5。对于2D单元，输出的分量为沿单元厚度方向的法向分量（S22 - Direct through-thickness stress ）以及相应的一个切向分量（S12 - Transverse shear stress ），Ref 32.5.8–5。

单元的厚度

对于采用Traction-separation-based modeling的粘聚力单元，截面属性中的默认选项（Use analysis default）为单位厚度1（When the response of the cohesive elements is based on a traction-separation approach, Abaqus assumes by default that the constitutive thickness is equal to one. Ref 32.5.4–3）；这和采用Specify选项并填写数值1的效果是一样的。如果截面属性中不采用Use nodal coordinates选项，粘聚力单元的几何建模厚度对计算结果没有什么影响。

对于模拟单一材料中的多裂纹碎裂效果，在每个实体单元周围都嵌入几何零厚度的粘聚力单元是比较合理的。对于模拟其他多材料结合部分的开裂，几何零厚度的粘聚力单元并不是必须的。为了模型更好看的缘故？现在倾向于所有模型中的粘聚力单元都建立为几何零厚度。

对于3D单元，可以使用单元偏移的方法生成几何零厚度的粘聚力单元。对于2D模型，如果粘聚力单元部分为直线，可以通过在单元编辑选项中，更改粘聚力单元的节点坐标，使得单元呈现出几何零厚度，具体参见‘dava 独家原创：cohesive element 例子的详细图解’；对非直线的曲边单元来，几何零厚度的粘聚力单元建模可以参考‘2D零厚度粘聚力(cohesive)单元建模’，或者附录-1。

此外，现在已经有很多在模型中批量嵌入零厚度粘聚力单元的程序开发出来。

1.3粘聚力接触

粘聚力模型可以作为一种接触属性来模拟裂纹在两个接触面之间的扩展。在显式和隐式分析中都能使用粘聚力接触。在两种分析步下，接触属性的定义是一致的，但是接触对的定义略有不同。

粘聚力接触属性

粘聚力接触属性在interaction模块中定义，如图1-5：

①Interaction →Property →Create;

②Mechanical →Cohesive Behavior（选项卡内容可全部为默认项，或者自定义K值）;

③Mechanical →Damage →Criterion（选择损伤起始方式，下方表格填入应力值）;

④勾选Specifiy damage evolution, 填入能量值

⑤勾选Specifiy damage stabilization, 填入粘性系数。