内聚力模型的原理与应用-下
本文摘要：（由ai生成）
本文介绍了内聚力模型在ANSYS软件中的应用，主要用于模拟粘接界面的脱粘和裂纹扩展。文章详细阐述了ANSYS中四种内聚力模型：指数模型、双线性模型、基于分离距离的脱粘模型和基于断裂能的脱粘模型，并重点讲解了基于断裂能的脱粘模型的应用。通过胶粘模型建模、接触设置、仿真设置、边界条件等步骤，展示了如何在ANSYS中实现内聚力模型的仿真分析。结果表明，该模型能有效模拟脱粘过程，并预测脱粘界面的反力变化。希望本文能帮助读者理解和应用内聚力模型。
大家好，在上一篇文章中介绍了断裂模式与内聚力模型的基本原理，想回顾的朋友可以点击下面的链接查看，本篇文章继续写内聚力模型在ANSYS软件中的应用。
内聚力模型一般用于模拟粘接界面的脱粘，也可以用来模拟裂纹的扩展。用CZM这类方法模拟断裂有个致命的问题就是裂纹只能沿着预先定义好的路径扩展，所以还是比较受限。而CZM用于界面的脱粘就很合适了。因为接触的界面本身在物理上就属于不同的两个体。那么，使用CZM方法在界面上模拟脱粘也有两种技术路径：使用接触单元的脱粘功能，和使用内聚力单元。在ANSYS里，内聚力单元叫INTER，编号202到205.使用接触单元的CZM功能模拟脱粘，具有以下优点：
1、就是使用绑定接触相比网格连接的优点，两个接触的界面可以独立划分网格。
2、可以用现有的包含接触的模型，改一改即可增加脱粘功能
3、脱粘接触和普通接触可以共用同一组接触定义
4、脱粘可以用于模拟界面脱层、点焊失效和缝纫失效。本篇文章主要介绍使用接触单元的方法。
一、ANSYS中的内聚力模型介绍
在ANSYS Mechanical软件中，共定义了四种描述内聚力模型的方法，包括：Exponentional for Interface Delamination、Bilinear for Interface Delamination、Separation Distance based Debonding和Fracture-Energies based Debonding，即指数模型、双线性模型、基于分离距离的脱粘模型和基于断裂能的脱粘模型。
1、指数模型：指数模型比较简单，需要三个参数：包括界面上的最大 法向力；2）达到最大 法向力时对应的法向分离距离；3）达到最大剪切力时的切向分离距离。此模型在分层仿真中应用的并不多。
2、双线性模型：双线性模型需要定义的参数略多一些。包括：1）最大 法向力；2）脱粘结束时的法向位移；3）最大剪切力；4）脱粘结束时的切向位移；5）两阶段位移的比值以及6）I/II混合脱粘模式下的混合系数。
在上一篇文章中介绍过，双线性本构模型是由两条线段以及坐标轴构成的三角形，如下图所示，其中脱粘结束后的法向位移或切向位移定义了B点、最大 法向力或切向力与两阶段位移的比值定义了A点，那么混合系数的作用是什么呢？如果工程师不知道是I型还是II型破坏，或者这个加载方式就是比较复杂，它I型和II型裂纹都有呢？此时即引入了混合系数。它定义了一个无量纲的等效位移λ，用λ的值来划定分段函数Dm. 切向和法向的牵引力相当于都是λ的函数。
3、基于分离距离的脱粘模型：此模型中包含7个参数，包括界面分离模式-模式1、模式2和混合模式，在垂向力作用下的切向滑移、最大 法向接触力、完全分离时的接触间隙、最大等效切向接触力、完全分离时的切向滑移和人工阻尼系数。本模型应用较少，在此不做赘述。
4、基于断裂能的脱粘模型：此模型中包含八个参数，分别是：
（1）界面分离模式-模式1、模式2和混合模式；
（2）在法向力下是否有切向滑移，可以根据需要进行选择；
（3）最大垂向力
（4）垂向分离的断裂能
（5）最大切向力
（6）切向分离的断裂能
（7）人工阻尼系数，单位为s，数值需要小于计算的最小时间步长，以保证计算的收敛性
（8）混合模型脱粘的幂律指数，默认为2
二、内聚力模型应用
本文使用基于断裂能的脱粘模型来进行介绍。
1、胶粘模型建模：模型分为上下两部分，注意界面不要共节点，目的是形成界面，材料均为材料库中自带的铝合金材料，结构模型及CZM材料参数如下：
2、接触设置：界面接触类型为Bonded，接触算法设置为罚函数法，关闭Trim Contact功能，并把接触行为设置为对称。
3、仿真设置：由于脱粘是典型的非线性问题，因此应打开大变形设置，同时为了能够获得较好的收敛性，应该对仿真部进行细化。
4、边界条件：设置模型右面两个侧面为fix，模型底面fix，上半部模型左侧面加载2mm位移。
5、求解及后处理：左图为位移结果，最大位移为2mm，与设置相符；最大等效应力为321MPa。
可输出脱粘界面的反力如下图所示，刚开始拓展时力最大为108.27N，即当力小于108.27N时，不能实现脱粘，随着脱粘的逐步进行，整体上力呈现出减小的趋势。
以上即为ANSYS中内聚力模型的应用，希望可以帮到大家。
