【JY】复合材料分析利器—内聚力单元

导  语

  对于复合材料的模拟仿真，ABAUQS是一个利器，因为ABAQUS中的Cohesive单元可以较好的模拟材料的断裂性能，本文给大家详细的描述了相关的复合材料中内聚力单元的应用的仿真步骤及便携的工具。

0 引言

        复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。一般定义的复合材料需满足以下条件:

• 复合材料必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料;

• 复合材料必须由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界面存在;

• 它具有结构可设计性，可进行复合结构设计;

• 复合材料不仅保持各组分材料性能的优点，而且通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能。
  复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属。
  以上摘自  百度百科

1 常见的复合材料

• 水泥基复合材料
      现今最常见的复合材料当属水泥基复合材料，以水泥作基体，砂、石、钢筋、纤维等作为增强材，所有材料复合在一起共同受力，充分发挥各种材料的优点，同时克服单一材料缺陷，形成性能稳定的高性能复合材料，典型的如混凝土、水泥砂浆等。
  

  

  

• 陶瓷基复合材料
      连续纤维增韧陶瓷基复合材料可以从根本上克服陶瓷脆性, 是陶瓷基复合材料发展的主流方向。根据复合材料组成不同, 连续纤维增韧陶瓷基复合材料分为玻璃基、氧化物基和非氧化物基复合材料, 工作温度依次提高。玻璃基复合材料、氧化物基复合材料和非氧化物基复合材料分别具有低成本、抗氧化和高性能的优点，目前主要应用于航天工业。

2 内聚力单元在复合材料中的应用

    Cohesive单元可以模拟三种基本断裂形式：I型张开裂缝、II型滑移裂缝、III型撕开裂缝。
    案例一：双悬臂梁撕裂（预先在开裂路径插入内聚力单元）

    

案例二：钢筋锈胀开裂（全局插入0厚度内聚力单元）
    

案例三：子弹撞击破坏（全局插入内聚力单元）

3 自研批量生成0厚度内聚力单元插件

3.1 批量生成0厚度内聚力单元原理及本构关系

    以2D平面模型（三角形单元）单元①和单元②之间插入内聚力单元为例，图中①~⑧代表单元编号，1~9代表节点编号。

0厚度内聚力单元生成原理

*节点分裂：图中编号2号节点位置额外生成编号20节点，编号4号节点位置额外生成编号40节点
*节点连接：逆时针连接原节点及分裂节点，该图中以2-4-40-20连接
*形成单元：赋予该单元一个单元编号

    以上是一个内聚力单元的插入过程，但通常为了模拟出随机开裂效果模型内部单元数量成千上万。显然通过手动改写是不现实的，且现有的商业有限元软件不具备批量生成0厚度内聚力单元的功能。自研插件通过对模型的INP文件进行读取，随后生成名为Output的文件夹，文件夹里的INP文件包含原始模型的全部几何及单元信息，此外包含新生成的内聚力单元信息。

   当前，大型通用商业有限元软件Abaqus嵌入了基于牵引力-分离准则的内聚力单元，其包括线性上升段和线性下降段（下降段也可以是非线性），双线性本构关系关系如下图所示。

内聚力单元本构关系

3.2 三种0厚度内聚力单元生成方式

    自研0厚度内聚力单元生成插件主要针对两种材料（材料1和材料2）的复合，例如混凝土可认为是水泥砂浆与石材形成的复合材料，当然该插件也可应用于多种材料之间的复合，只是可能存在略许不便。以二维部件为例展示模型的三种0厚度内聚力单元生成方式，该模型内部切出一个圆代表材料1，其余部位代表材料2，分别将材料1和材料2建立几何集 合（或单元集 合），分别命名为Set-1和Set-2。

内聚力单元生成方式1：材料1内部 材料2内部 界面

    导入通过插件新生成的INP文件，该模型具有和原始模型完全相同的几何特征和单元形式，除此之外新INP文件将额外生成三个单元集 合，分别表示材料1单元之间的内聚力单元，材料2单元之间的内聚力单元，界面内聚力单元。通过这三种集 合可快速赋予不同部位内聚力单元的材料参数。如材料数目大于两种，可通过将材料1建成一个集 合，其余材料建成一个集 合，同样可全局批量生成内聚力单元。不便的是，材料1和其余材料的界面内聚力单元将用一个集 合表示。

内聚力单元生成方式2：材料1内部 界面

    导入通过插件新生成的INP文件，该模型具有和原始模型完全相同的几何特征和单元形式，除此之外新INP文件将额外生成两个单元集 合，分别表示材料1内聚力单元，界面内聚力单元。通过这两种集 合可快速赋予不同部位内聚力单元的材料参数。如材料数目大于两种，可通过将材料1建成一个集 合，其余材料建成一个集 合，同样可全局批量生成内聚力单元。不便的是，材料1和其余材料的界面内聚力单元将用一个集 合表示。

内聚力单元生成方式3：仅界面

    导入通过插件新生成的INP文件，该模型具有和原始模型完全相同的几何特征和单元形式，除此之外新INP文件将额外生成一个单元集 合，表示界面内聚力单元。

3.3 插件单元测试

通过材料1内部 界面0厚度内聚力单元生成方式对多种单元组合模型进行测试

三角形单元与三角形单元

三角形单元与四边形单元

楔形单元与楔形单元

六面体单元与六面体单元

4 结语

    内聚力单元很好地规避了断裂力学中开裂尖端应力奇异性，可以真实地模拟材料在多种复杂工况下的裂纹扩展，具有广阔的应用前景！