使用Abaqus粘聚力单元建模的技巧

粘聚力单元：

用于模拟两个组件之间的粘合剂，其中每个组件可能是可变形的也或刚性的；

使用粘聚区框架对界面脱粘进行建模；

用于对垫片和/或小胶粘片进行建模；

可以通过共享节点，通过使用网格绑定约束，或通过使用MPC类型TIE或PIN连接到相邻组件;

可通过垫片的接触与其它组件相互作用。

本节讨论可用于离散粘聚区域的技术，并将它们组装在表示相互绑定的几个组件的模型中。还讨论了与粘聚力单元相关的几个常见建模问题。

1. 使用粘聚力单元离散粘结区域

粘结区必须使用在厚度方向上的单层粘聚力单元离散。如果粘结区代表有限厚度的粘结材料，则该材料的连续宏观特性可直接用于粘结区的本构响应建模。或者，如果粘结区代表粘结界面上的无限小薄层粘接剂，则直接根据界面上的牵引力而不是界面上的相对运动来定义界面的响应可能更相关。最后，如果粘结区域代表一个小的粘接片或没有横向约束的垫片，则单轴应力状态提供了这些单元状态的良好近似。Abaqus为上述所有情况提供了建模功能。细节将在后续小节中讨论。

2. 将粘聚力单元连接到其他组件

粘聚力单元的顶面或底面至少有一个面必须约束到另一个组件。在大多数应用求解中，将粘聚力单元的两个面绑定到相邻组件是合适的。如果粘聚力单元只有一面受到约束，而另一面是自由的，则由于缺乏膜刚度，粘聚力单元表现出一种或(对于三维单元)更奇异的变形模式。奇异模态可以从一个粘聚力单元传播到相邻单元，但可以通过约束一系列粘聚力单元末端的侧面节点来抑制。

在某些情况下，让粘聚力单元与相邻组件表面上的单元共享节点可能是方便和适当的。更一般地说，当粘聚区域的网格与相邻组件的网格不匹配时，可以将粘聚力单元绑定到其他组件。当使用粘聚力单元对垫圈进行建模时，可能更适合在一侧绑定或共享节点，并在另一侧定义接触，这将防止垫圈受到拉伸应力。

2.1 粘聚力单元与其他单元共享节点

当粘聚力单元与其相邻部分具有匹配的网格时，只需通过共享节点就可以将粘聚力单元与模型中的其他组件连接起来（如图1）。

   图1 粘聚力单元与其他Abaqus单元共享节点
 

当这些单元用作粘合剂或用于模拟脱粘时，可以使用该方法从模型中获得初始结果——通常会获得更准确的局部结果(在脱粘区)，并且粘聚区比周围组件的单元更精细。当这些单元用于对垫片进行建模时，这种方法适用于垫片与周围部件之间没有摩擦滑移的情况。在垫片应用中共享节点的方法将导致垫片中的拉伸应力，如果连接到垫片的部件被拉开。在粘聚力单元的一侧定义接触将避免这种拉伸应力。

2.2 通过使用基于表面的绑定约束将粘聚力单元连接到其他组件

如果相邻的两个部件没有匹配的网格，例如当粘聚层中的离散化水平与周围结构中的离散化水平不同(通常更精细)时，可以使用tie约束将粘聚层的顶部和/或底部表面绑定到周围结构。图2显示了一个示例，其中对粘聚层使用了比相邻部分更精细的离散化。

   图2 使用绑定约束的独立网格
 

2.3 粘聚力单元和其他组件之间的接触相互作用

对于一些涉及垫圈的应用，适合在粘聚力单元的一侧定义接触（如图3）。

   图3 在粘聚区的一侧设置接触相互作用
 

可以使用Abaqus/Explicit中的一般接触算法或Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit中的接触对算法来定义接触。如果使用纯主从接触，通常粘聚力单元的表面应为从表面，相邻部分的表面应为主表面。这种主从选择是基于粘聚区通常由较软的材料组成，并且具有较精细的离散性。第二个考虑还表明，在涉及粘聚力单元的分析中经常使用不匹配的网格。如果使用不匹配的网格，可能无法准确预测粘聚力单元上的压力分布；可能需要子建模(submodeling)来获得准确的局部结果。

3. 大位移分析中粘聚力单元的应用

粘聚力单元可用于大位移分析。包含粘聚力单元的装配体可以承受有限位移和有限旋转。

4. 选择粘聚力单元本构响应的大类

如前所述，粘聚力单元可用于模拟有限厚度的粘合剂，用于脱粘应用的可忽略不计的薄粘合剂层，以及垫圈和/或小粘合剂补丁。在定义粘聚力单元的截面属性时，必须选择这些广泛的应用求解类之一。

   abaqus中的定义位置
 

在响应栏选择一类：Traction Separation（牵引分离）、Continuum (连续体)、Gasket (垫片)：

   选择一个类型
 

5. 为粘聚力单元指定材料行为

将材料定义的名称分配给特定的单元集。该单元集的本构行为完全由粘聚层的本构厚度以及该材料属性决定。

粘聚力单元的本构行为既可以根据Abaqus提供的材料模型定义，也可以根据用户定义的材料模型定义。当在涉及有限厚度粘合剂的应用中使用粘聚力单元时，可以使用Abaqus中任何可用的材料模型，包括渐进损伤的材料模型。对于涉及垫片和/或小厚度粘接块的应用，可以使用任何可以与一维单元(如梁、桁架和钢筋)一起使用的材料模型，包括用于渐进损伤的材料模型。对于用牵引-分离直接定义粘聚力单元行为的应用，响应只能用线弹性关系(牵引与分离之间)以及渐进损伤来定义。

要定义粘聚力单元的本构行为，可以通过CAE定义将材料模型的名称分配给指定的单元集。用户定义的材料模型是在Abaqus/Standard中的用户子程序UMAT或Abaqus/Explicit中的VUMAT中定义的。

   定义材料行为
 

6. 孔隙流体扩散/应力耦合分析中粘聚力单元的应用

具有或不具有孔隙压力自由度的粘聚力单元可用于耦合孔隙流体扩散/应力分析。没有孔隙压力自由度的粘聚力单元只会对机械产生作用，当粘聚力单元打开时，暴露的表面将无法渗透流体流动。

具有孔隙压力自由度的粘聚力单元提供了更一般的响应，包括模拟从间隙到相邻材料的切向流动和泄漏流动的能力。这些单元在间隙内部有额外的孔隙压力节点，可以选择显式定义这些节点或由Abaqus/Standard自动生成这些节点。

在典型的使用中，将为模型中的大多数粘聚力单元生成这些间隙内部节点。通过定义底部单元连接性和整体偏移量，可以激活自动节点生成。

7. 定义周围组件之间的接触

粘聚力单元用于连接两个不同的组件。通常，由于变形，粘聚力单元在拉伸和/或剪切中完全退化。随后，最初由粘聚力单元结合在一起的组件可能会相互接触。对这种接触进行建模的方法包括：

① 在某些情况下，这种接触可以由粘聚力单元本身处理。默认情况下，粘聚力单元保持其抗压缩能力，即使它们对其他变形模式的抵抗力完全消失。因此，即使粘聚力单元在拉伸和/或剪切作用下完全退化，粘聚力单元也能抵抗周围组件的相互渗透。当粘聚力单元的顶面和底面在变形过程中相对于彼此没有大量的切线位移时，这种方法效果最好。换句话说，要模拟上述情况，粘聚力单元的变形应限制为“小滑移 small sliding ”。

② 另一种可能的方法是定义可能接触的周围组件表面之间的接触，并在粘聚力单元完全损坏后将其删除。因此，在整个分析过程中对接触进行建模。如果模型中粘聚力单元的几何厚度非常小或为零(粘聚力单元的几何厚度可能与定义粘聚力单元的截面属性时指定的本构厚度不同)时，不建议使用这种方法。因为接触将有效地造成非物理抵抗粘合层的压缩，而粘聚力单元仍然是有效的。如果模拟摩擦接触，也可能存在非物理剪切力。

这是默认情况下Abaqus/Explicit中通用接触算法会发生的行为。图4、图5和图6显示了通用接触的默认表面。这些表面：对粘聚力单元和相邻单元是否共享节点、绑定在一起或没有约束不敏感；不包括粘聚力单元的面。

   图4 粘聚力单元与周围单元共享节点时的默认表面
 

   图5 粘聚力单元绑定到周围单元时的默认表面
 

   图6 粘聚力单元在一侧绑定在另一侧通过接触约束进行定义时的默认表面
 

图7显示了将粘聚力单元的表面也添加到默认表面的情况。Abaqus/Explicit自动生成一个接触排除，使得一般的接触算法避免考虑粘聚力单元的底表面和Part 2的顶表面之间的接触，因为这些表面是绑定在一起的。

   图7 粘聚力单元的上下面以及默认表面，当粘聚力单元在一侧绑定而另一侧通过接触约束时
 

Abaqus CAE 中的定义方法：

* 除草图、作业和可视化之外的任何模块下，定义表面(Surface):

* 然后定义相互作用：

③ 对于Abaqus/Explicit中的通用接触，另一种对周围结构之间的接触进行建模的方法涉及仅当粘聚力单元完全退化并从模型中删除时才激活接触。对于这种方法，粘聚力单元必须与相邻单元共享节点，并且通用接触定义必须包括粘聚力单元的顶部和底部面的表面，如图8所示。由于粘聚力单元的每个表面都与相邻单元的表面直接相对，因此当父单元都处于有效状态时，一般接触算法不认为这些表面是有效的。然而，如果粘聚力单元失效，相对的表面就会变得有效。

   图8 当表面定义中包括粘聚力单元并使用退化时，涉及通用接触的表面。
 

8. Abaqus/Standard中的收敛问题

在许多问题中，粘聚力单元被建模为经历渐进损伤而导致破坏。渐进损伤的建模涉及到材料响应的软化，这在隐式求解过程中会导致收敛困难，例如在Abaqus/Standard中。在不稳定裂纹扩展过程中，当可用能量高于材料的断裂韧性时，也可能出现收敛困难。有几种方法可以帮助避免这些收敛问题。

① 使用粘性正则化；② 使用自动稳定；③ 使用非默认解决控制。

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