Abaqus-张拉结构模拟

1、介绍 随着结构胶粘剂在更关键的应用中被使用，预测技术来评估胶粘剂性能的需求变得至关重要。有限元分析（FEA）已成为在广泛条件下模拟胶粘剂行为的强大工具。有限元分析可以通过减少实验数量和优化接头设计，大幅缩短设计周期时间。模拟结构胶粘剂需要一个本构材料模型和相应的一组材料属性。连续介质模型可以准确预测胶粘剂中的应力分布，但计算量大且无法有效预测粘接失效。相反，粘聚区模型（CZM）是一种损伤建模技术，可以模拟从小的弹性变形到完全失效的胶粘剂行为。粘聚区模型在计算上效率高，且消除了在尖角和缺陷处遇到的奇异性和网格依赖性。本白 皮书概述了粘聚区模型在3M结构胶粘剂中的开发和测试样本验证。粘聚区模型 粘聚区模型通过一个广义的粘聚牵引力将粘结体保持在一起，从而模拟胶粘剂的粘接。胶粘剂层对载荷的响应由牵引-分离曲线描述。图1显示了一个双线性牵引-分离关系的例子。曲线分为两个部分：弹性区域和损伤演化区域。这两个区域分别由一组胶粘剂材料属性描述，图2总结了这些属性。图1：双线性牵引-分离曲线，具有线性弹性行为和损伤开始后的线性损伤。图2：构建粘聚区材料数据卡（MDC）所需的材料属性和测试。模型假设胶粘剂是各向同性的，且在两种剪切方向（模式II和模式III）上的材料属性相同。粘合材料性能 在弹性区域，材料的响应由归一化拉伸模量和泊松比 定义。这里 tA 是粘合层的厚度。这些性能随后用于计算归一化剪切模量 损伤起始发生是牵引分离关系的峰值，标志着材料响应退化的开始。损伤起始准则通常定义为 I 型和 II 型模式下的极限拉伸和剪切强度。极限拉伸强度 是通过对接接头测试测量的，而剪切强度则通过厚层剪切测试测量。混合模式损伤起始可以使用二次名义应力准则进行估算： 损伤演化描述了在损伤初始后材料刚度的退化过程。损伤演化区域由损伤参数 (D) 和临界断裂能量定义。在损伤初始点，损伤参数 D 的初始值为 0，并在完全失效时单调增加到 1。 这里是未损伤的牵引向量分量。临界断裂能量是牵引-分离曲线下的面积（图1）。通常使用锥形双悬臂梁（TDCB）测试和端部切口弯曲（ENF）测试分别测量模式 I 和模式 II 的临界断裂能量（图3）。临界断裂能量可以使用 Irwin-Kies 方程计算： 这里，F表示平均峰值力，w表示试样宽度，dC/da表示试样柔度C相对于裂纹长度a的导数。可以使用Benzeggagh-Kenane (B-K) 法则来估算混合模式的断裂行为。图3：TDCB和ENF测试装置及结果。裂纹尖端的位置通过3M专有的裂纹尖端位置跟踪算法测量材料数据卡 可以将粘合剂的材料性能输入到材料数据卡（MDC）中，并直接导入FEA软件。图4展示了Abaqus的一个粘合区材料数据卡示例。一般来说，材料性能取决于应变速率和接头几何形状，尤其是粘接线的厚度。因此，应在预期使用条件下测量材料性能。图4：粘结材料在Abaqus材料卡测试试样验证 材料模型必须通过实验验证，以确保模型能够以足够的准确性代表真实材料的行为。验证应在试样级别、子组件级别、组件级别和最终产品级别进行。图5显示了使用T剥离和单搭接剪切测试进行的试样级别验证。图6显示了使用90°双搭接剪切测试进行的验证，该测试导致复杂的应力分布和混合模式行为。3M客户可以使用这些由3M提供的测试试样验证，在他们自己的设计中验证3M™结构胶粘剂。图5：使用T型剥离测试和单搭接剪切测试对黏结区材料模型进行验证。图6：通过90°双搭接剪切试验对混合模式粘合模型进行验证。结论 3M能为客户提供经过验证的MDC能够使胶粘剂性能和接头设计的评估更加准确和迅速。来源：ABAQUS仿真世界