内聚力模型（CZM）的原理与应用-上
本文摘要：（由ai生成）
本文介绍了结构应力仿真中预测断裂或界面分层问题的一种方法——内聚力模型（CZM）。该模型用于模拟物体间粘合作用及界面细微断裂或渐进失效现象，主要分为张开型、滑开型和撕开型三种断裂/分层模式。CZM模型采用双线性本构关系描述张力位移关系，并通过初始斜率、峰值力和破坏位移或三角形面积等参数描述损伤演化。文章还介绍了能量释放率的概念及初始损伤准则的确定方法，包括最大名义应力准则和二次名义应力准则。最后，作者预告了下一篇文章将基于ANSYS Workbench软件介绍CZM的应用。
在结构应力仿真中，不可避免的会接触到结构断裂或界面分层等问题，此类问题往往困扰结构应力工程师，那么有没有一个好的方法来预测断裂或者界面分层呢？今天给大家介绍一种很好的方法，叫做内聚力模型，简称CZM（Cohesive Zone Model）。此模型用于模拟两个物体之间的粘合作用，在一定的外界条件下，两物体的接触界面发生细微的断裂或者渐进失效，导致界面分离的现象。下面就对内聚力模型的原理及应用进行介绍。
1、断裂模式
在介绍内聚力模型之前，需要了解一下断裂/分层模式。通常的断裂/分层模式主要有三种，Model Ⅰ（张开型）、Model Ⅱ（滑开型）、Model Ⅲ（撕开型）。张开型为法相应力主导，界面在法相应力的作用下发生分层；滑开和撕开型为剪切应力主导，二者比较相近，因此在理论上不对两种类型进行区分。在实际较为复杂的工程问题中，一个分层问题往往包含法向和切向两种应力主导的情况，因此衍生出混合型断裂/分层模式。
2、内聚力模型的原理
为了描述上述的现象，提出了内聚力（CZM）模型，研究学者依据不同材料所具有的损伤破坏特性，提出众多内聚力模型的张力位移关系，主要有双线性、梯形、指数型以及多项式等形式，其中应用最广泛的是双线性本构。此模型共分为两个阶段，第一阶段随着应变的增加，应力逐渐增大，当达到最大时分层产生；随着应变的继续增大，应力逐渐减小直至为零，此时完全分层。
- 基于位移的损失演化方法：告知初始斜率、峰值力、破坏时的位移。
其中，初始斜率为第一段线段的斜率，斜率值代表了界面的刚度；峰值力代表了界面能够承受的最大的载荷；破坏时的位移代表了界面完全分离时的变形值。- 基于能量的方法：告知初始斜率，峰值力以及三角形面积。
其中，初始斜率与峰值力同位移损失演化方法；三角形面积为两条线段与横轴围成的面积值，实际代表了界面完全破坏时的能量释放率。 在这里解释一下能量释放率。按照线弹性断裂力学的能量观点，断裂发生的条件是:当裂纹扩展所释放出来的变形能等于或者大于裂纹扩展所需要的能量时，裂纹将失稳扩展。这个观点就是Griffith理论，又叫能量释放率准则，简称G准则。 能量释放率是根据Griffith的能量释放观点而定义的量，其定义如下:能量释放率是指裂纹由某一端点向前扩展一个单位长度时，每单位厚度所释放出来的能量。为了纪念Griffith的功绩，用G来表示，其单位为j.m^-2。 大家可以注意到，在双线性本构模型中，还有一条虚线，此虚线表示过峰值点后卸载再加载的力学行为，峰值后的力学行为称为损伤后的力学行为（损伤演化），即在峰值前材料是线弹性的，一旦超过峰值点，就会有刚度退化的现象，此时加载力时是沿着虚线的方向。 此外，对于内聚力模型，初始损伤准则的确定至关重要。应用比较广泛的初始损伤准则主要有两种，分为最大名义应力准则和二次名义应力准则。- 最大名义应力准则：某一个方向的力达到最大值时，材料就开始损伤；
- 二次名义应力准则：三个方向的平方和等于1时达到损伤判据，相对更为保守。
其中tn、ts、tt分别代表了界面受到的法向应力与两个方向的剪切应力， 
分别代表了界面能够承受的最大的法向应力与两个方向的剪切应力。 以上即为内聚力模型的基本原理，希望可以帮到大家，下一篇文章会基于ANSYS Workbench软件介绍内聚力模型的应用，敬请期待。 如果此文章能够帮到您，请不吝点赞及在看，并分享给更多需要的人。另外作者曾收到一些读者留言，但由于查看消息不及时导致无法回复，在此表示诚挚的歉意。为避免此问题再次发生，各位读者可添加作者微 信，有问题相互讨论，大家共同进步。
