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