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

??PL （1） AES （2） K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

??其中S?PA为名义应力，K?EL为材料的刚度。

为了更好的理解K，我们把K?EL写成：

K?EELEL?? （3）

?L1L这里我们用L?来代替1，其中L可以理解为建模厚度，即建模时cohesive interface的几何厚

度；L?为实际厚度，即cohesive interface的真实厚度，这个厚度在cohesive section中定义。

EL可以理解为几何刚度，即模型中cohesive interface所具有的刚度；

EL为cohesive L?interface的真实刚度。当L?为1时，计算界面刚度就采用几何刚度EL，当L?为0.001时，计算时界面刚度变为1000EL。举个小例子，如果界面的实际厚度为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L?就好了。（注：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。