复合材料模型建模分析
1 Cohesive单元建模方法
11 模型
聚力模型（cohesive zone）模拟裂纹产生扩展需预计产生裂纹区域加入cohesive层建立cohesive层方法：
方法建立完整结构（图1（a）示）然面切割出薄层模拟cohesive单元种方法建立cohesive单元单元公节点传递力位移
方法二分建立cohesive层结构部件实体模型通tie绑定约束cohesive单元两侧单元位移应力协调图1（b）示
（a）cohesive单元单元公节点 （b）独立网格通tie绑定
图1建模方法
述两种方法模拟复合材料分层失效第种方法划分网格较复杂第二种方法赋材料属性简单划分网格方便装配tie繁琐实际建模中应根实际结构选取较简单方法
12 材料属性
应cohesive单元模拟复合材料失效包括两种模型：种基tractionseparation描述种基连续体描述中基tractionseparation描述方法应更加广泛
基tractionseparation描述方法中常构模型图2示双线性构模型出材料达强度极限前线弹性段材料达强度极限刚度线性降低软化阶段 注意图中坐标应力横坐标位移线弹性段斜率代表实际cohesive单元刚度曲线面积材料断裂时量释放率定义cohesive力学性时实际确定述构模型具体形状：包括刚度极限强度界断裂量释放率者终失效时单元位移常定义方法定述参数中前三项确定cohesive构模型Cohesive单元理解种准二维单元作厚度隔开两面两面分实体单元连接Cohesive单元考虑面外力包括法正应力XZYZ两方剪应力
文cohesive单元参数进行阐述介绍参数选择方法
图2 双线性构模型
121 Cohesive单元刚度
基tractionseparation模型界面单元刚度通简单杆变形公式理解
（1）
中L杆长E弹性刚度A初始截面积P载荷公式（1）写成
（2）
中名义应力材料刚度
更理解K写成：
（3）
里代1中L理解建模厚度建模时cohesive interface厚度实际厚度cohesive interface真实厚度厚度cohesive section中定义理解刚度模型中cohesive interface具刚度cohesive interface真实刚度1时计算界面刚度采刚度0001时计算时界面刚度变1000举例子果界面实际厚度001建模时厚度建立定义materialsection时specify层厚度001实际等界面刚度提高2数量级模拟结果然时定义section时应采默认厚度1
ABAQUScohesive建模中性化设计实际问题中界面薄0001mm甚更问题cohesive单元interface0厚度（crack问题）相说整体模型许果引入两厚度模型中创建界面麻烦事情引入两厚度建模时限厚度代界面厚度section中定义（注：部分容仿真坛：议cohesive应中参数理解）
122 解释
外验公式：体energy > 05*（damage initiation）^2（stiffness）
公式难理解锐角三角形总面积条侧边面积tractionseparation
law 画成图线目然根法会稍微区
话引dava 空间里想解释等式新手明白
damage initiation开始破坏时应力三角形高stiffness 刚度斜率
tanq 侧边三角形底边damage initiationstiffness05*（damage initiation）^2
（stiffness）侧边三角形面积实际量侧边三角形面积
斜率般
123 关材料参数
定义cohesive 材料时填入材料参数材料参数材料固特性
没关系放心胆填入吧材料参数试验果做实验（数情
况）查国际相关文献吧数甚做试验详细填入数时
注意单位统说句断裂单位面积量单位选取N（力单位）M（长度单位）量单位NM
面举例说明cohesive单元刚度设置程ABAQUS69例：
进入property界面点击Material→Creat弹出Edit Material话框中编辑新创建cohesive材料名称然点击Mechanical→Elasticity→Elastic→Traction空格中输入相应刚度
图3 cohesive单元刚度定义
124 损伤准
1241 初始损伤准
初始损伤应材料开始退化应力应变满足定义初始界损伤准时退化开始AbaqusDamage for traction separation laws 中包括：Quade DamageMaxe DamageQuads DamageMaxs DamageMaxpe DamageMaxps Damage六种初始损伤准中前四种般复合材料分层模拟两种扩展限元法模拟连续体（crack问题）问题时
图2示双线构模型中：分代表纯Ⅰ型纯Ⅱ型纯Ⅲ破坏名义应力代表相应名义应变定义界面单元初始厚度1时名义应变等相应相位移
Quade Damage二次名义应变准：名义应变方等1时损伤开始
Maxe Damage名义应变准：名义应变值达1时损伤开始
Quads Damage二次名义应力准：方名义应变方等1时损伤开始
Maxs Damage名义应力准：名义应力值达1时损伤开始
图4 初始损伤准定义
Edit Material话框中点击Mechanical→Damage for Traction Separation Laws然根需点击相应损伤准中常Quads Damage
1242 损伤演化规律
选择初始损伤准然点击Suboptions→Damage Evolution窗口图5示中Type包括DisplacementEnergyDisplacement基位移损伤演化规律Energy基量损伤演化规律Softening中包括LinearExponentialTabular三种刚度退化方式……Damage Evolution中选项确定单元达强度极限刚度降阶方式般常：量控制单元退化Type→Energy线性软化模型Softening→LinearDegradation→MaximumMixed mode behavior→BKMode mix ratio→Energy选中Power
图5损伤演化规律定义
1 3 Cohesive单元界面属性
Property界面中点击Section→Create弹出Edit Section话框中选择Other→Cohesive
图6 定义材料界面属性
Edit Section话框中material拉菜单中选择刚创建cohesive材料点击右侧create创建组新材料Response选择traction separation
Initial thickness前文提默认值1specify中指定特定值
14 创建界面属性赋予实体
点击Assign→Section然视图中选中赋实体点击左角Done弹出窗口窗口Section中拉选中创建Cohesive截面点击OK操作完成
图7 实体赋截面属性
15 Cohesive单元网格划分
Cohesive单元网格划分单元基致点单元划分网格时应特注意
①网格密度cohesive单元网格尺寸太通常需较精细网格然容易引起收敛性问题甚法继续计算
②必须sweep（扫掠）划分网格方法扫掠方垂直cohesive面着cohesive单元厚度方
③单元种类选择
图8cohesive单元种类选择
单元库中选择cohesiveViscosityspecify中指定粘性系数改善收敛性粘性系数设置太然会影响计算结果般设置0001Element deletion：设置单元删情况般选yes单元完全失效时删max degradation：般设置1SDEG1时认单元失效
2 Cohesive单元复合材料分层分析中应
验证商限元软件ABAQUS中cohesive单元复合材料分层计算时效性通实验值验证计算准确性
DCB试验件长150mm宽20mm单臂厚度198mm预置55mm长初始裂纹图9示材料属性E11150GPaE22E3311GPaG12G1360GPaG2337GPacohesive单元材料属性K1×105 MPamm界面强度T15MPa界量释放率GIC0268 KJm2悬臂梁端固支端施加位移载荷
（a）侧视图
（b）俯视图
图9 DCB模型
Abaqus实验[1]力位移曲线图10示图中出数值模拟力位移曲线实验力位移曲线吻合数值模拟力658N实验力6252N数值模拟结果略高实验结果限元软件ABAQUS中cohesive单元效模拟复合材料层合板分层计算变形程应力位移云图图1112示
（a）abaqus计算值
（b）实验值
图10实验数值模拟结果
（a）t025s （b）t05s
（c）t075s （d）t10s
图11 变形程中应力云图
（a）t025s （b）t05s
（c）t075s （d）t10s
图12 变形程中位移云图
[1] CamanhoPPDavilaCG2002Mixedmode decohesion finite elements for the simulation of delamination in composite materialsNASATM2002211737
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1 Cohesive单元建模方法
11 模型
聚力模型（cohesive zone）模拟裂纹产生扩展需预计产生裂纹区域加入cohesive层建立cohesive层方法：
方法建立完整结构（图1（a）示）然面切割出薄层模拟cohesive单元种方法建立cohesive单元单元公节点传递力位移
方法二分建立cohesive层结构部件实体模型通tie绑定约束cohesive单元两侧单元位移应力协调图1（b）示
（a）cohesive单元单元公节点 （b）独立网格通tie绑定
图1建模方法
述两种方法模拟复合材料分层失效第种方法划分网格较复杂第二种方法赋材料属性简单划分网格方便装配tie繁琐实际建模中应根实际结构选取较简单方法
12 材料属性
应cohesive单元模拟复合材料失效包括两种模型：种基tractionseparation描述种基连续体描述中基tractionseparation描述方法应更加广泛
基tractionseparation描述方法中常构模型图2示双线性构模型出材料达强度极限前线弹性段材料达强度极限刚度线性降低软化阶段 注意图中坐标应力横坐标位移线弹性段斜率代表实际cohesive单元刚度曲线面积材料断裂时量释放率定义cohesive力学性时实际确定述构模型具体形状：包括刚度极限强度界断裂量释放率者终失效时单元位移常定义方法定述参数中前三项确定cohesive构模型Cohesive单元理解种准二维单元作厚度隔开两面两面分实体单元连接Cohesive单元考虑面外力包括法正应力XZYZ两方剪应力
文cohesive单元参数进行阐述介绍参数选择方法
图2 双线性构模型
121 Cohesive单元刚度
基tractionseparation模型界面单元刚度通简单杆变形公式理解
（1）
中L杆长E弹性刚度A初始截面积P载荷公式（1）写成
（2）
中名义应力材料刚度
更理解K写成：
（3）
里代1中L理解建模厚度建模时cohesive interface厚度实际厚度cohesive interface真实厚度厚度cohesive section中定义理解刚度模型中cohesive interface具刚度cohesive interface真实刚度1时计算界面刚度采刚度0001时计算时界面刚度变1000举例子果界面实际厚度001建模时厚度建立定义materialsection时specify层厚度001实际等界面刚度提高2数量级模拟结果然时定义section时应采默认厚度1
ABAQUScohesive建模中性化设计实际问题中界面薄0001mm甚更问题cohesive单元interface0厚度（crack问题）相说整体模型许果引入两厚度模型中创建界面麻烦事情引入两厚度建模时限厚度代界面厚度section中定义（注：部分容仿真坛：议cohesive应中参数理解）
122 解释
外验公式：体energy > 05*（damage initiation）^2（stiffness）
公式难理解锐角三角形总面积条侧边面积tractionseparation
law 画成图线目然根法会稍微区
话引dava 空间里想解释等式新手明白
damage initiation开始破坏时应力三角形高stiffness 刚度斜率
tanq 侧边三角形底边damage initiationstiffness05*（damage initiation）^2
（stiffness）侧边三角形面积实际量侧边三角形面积
斜率般
123 关材料参数
定义cohesive 材料时填入材料参数材料参数材料固特性
没关系放心胆填入吧材料参数试验果做实验（数情
况）查国际相关文献吧数甚做试验详细填入数时
注意单位统说句断裂单位面积量单位选取N（力单位）M（长度单位）量单位NM
面举例说明cohesive单元刚度设置程ABAQUS69例：
进入property界面点击Material→Creat弹出Edit Material话框中编辑新创建cohesive材料名称然点击Mechanical→Elasticity→Elastic→Traction空格中输入相应刚度
图3 cohesive单元刚度定义
124 损伤准
1241 初始损伤准
初始损伤应材料开始退化应力应变满足定义初始界损伤准时退化开始AbaqusDamage for traction separation laws 中包括：Quade DamageMaxe DamageQuads DamageMaxs DamageMaxpe DamageMaxps Damage六种初始损伤准中前四种般复合材料分层模拟两种扩展限元法模拟连续体（crack问题）问题时
图2示双线构模型中：分代表纯Ⅰ型纯Ⅱ型纯Ⅲ破坏名义应力代表相应名义应变定义界面单元初始厚度1时名义应变等相应相位移
Quade Damage二次名义应变准：名义应变方等1时损伤开始
Maxe Damage名义应变准：名义应变值达1时损伤开始
Quads Damage二次名义应力准：方名义应变方等1时损伤开始
Maxs Damage名义应力准：名义应力值达1时损伤开始
图4 初始损伤准定义
Edit Material话框中点击Mechanical→Damage for Traction Separation Laws然根需点击相应损伤准中常Quads Damage
1242 损伤演化规律
选择初始损伤准然点击Suboptions→Damage Evolution窗口图5示中Type包括DisplacementEnergyDisplacement基位移损伤演化规律Energy基量损伤演化规律Softening中包括LinearExponentialTabular三种刚度退化方式……Damage Evolution中选项确定单元达强度极限刚度降阶方式般常：量控制单元退化Type→Energy线性软化模型Softening→LinearDegradation→MaximumMixed mode behavior→BKMode mix ratio→Energy选中Power
图5损伤演化规律定义
1 3 Cohesive单元界面属性
Property界面中点击Section→Create弹出Edit Section话框中选择Other→Cohesive
图6 定义材料界面属性
Edit Section话框中material拉菜单中选择刚创建cohesive材料点击右侧create创建组新材料Response选择traction separation
Initial thickness前文提默认值1specify中指定特定值
14 创建界面属性赋予实体
点击Assign→Section然视图中选中赋实体点击左角Done弹出窗口窗口Section中拉选中创建Cohesive截面点击OK操作完成
图7 实体赋截面属性
15 Cohesive单元网格划分
Cohesive单元网格划分单元基致点单元划分网格时应特注意
①网格密度cohesive单元网格尺寸太通常需较精细网格然容易引起收敛性问题甚法继续计算
②必须sweep（扫掠）划分网格方法扫掠方垂直cohesive面着cohesive单元厚度方
③单元种类选择
图8cohesive单元种类选择
单元库中选择cohesiveViscosityspecify中指定粘性系数改善收敛性粘性系数设置太然会影响计算结果般设置0001Element deletion：设置单元删情况般选yes单元完全失效时删max degradation：般设置1SDEG1时认单元失效
2 Cohesive单元复合材料分层分析中应
验证商限元软件ABAQUS中cohesive单元复合材料分层计算时效性通实验值验证计算准确性
DCB试验件长150mm宽20mm单臂厚度198mm预置55mm长初始裂纹图9示材料属性E11150GPaE22E3311GPaG12G1360GPaG2337GPacohesive单元材料属性K1×105 MPamm界面强度T15MPa界量释放率GIC0268 KJm2悬臂梁端固支端施加位移载荷
（a）侧视图
（b）俯视图
图9 DCB模型
Abaqus实验[1]力位移曲线图10示图中出数值模拟力位移曲线实验力位移曲线吻合数值模拟力658N实验力6252N数值模拟结果略高实验结果限元软件ABAQUS中cohesive单元效模拟复合材料层合板分层计算变形程应力位移云图图1112示
（a）abaqus计算值
（b）实验值
图10实验数值模拟结果
（a）t025s （b）t05s
（c）t075s （d）t10s
图11 变形程中应力云图
（a）t025s （b）t05s
（c）t075s （d）t10s
图12 变形程中位移云图
[1] CamanhoPPDavilaCG2002Mixedmode decohesion finite elements for the simulation of delamination in composite materialsNASATM2002211737
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