Abaqus粘聚力单元初始几何设定技巧

粘聚力单元的初始几何定义：

① 单元的结点连通性和这些结点的位置；

② 堆叠方向（stack direction），用于指定粘聚力单元的上下面，且独立于结点连通性;

③ 初始本构厚度的大小，可以对应结点位置和堆叠方向隐含的几何厚度，也可以直接指定。

1. 定义单元的连通性（connectivity）

本节中的connectivity暂时翻译为连通性，以后我了解到有更好的翻译再来修改~感觉指的是单元的结点编号。

粘聚力单元的连通性与连续体单元的连通性相似；然而，将一个粘聚力单元看作是由两个面(底部和顶部)组成的是有用的，两个面被粘聚区厚度分开。单元底面的结点在顶面有相对应的结点。孔隙压力粘聚力单元包括第三个中间面，用于模拟单元内的流体流动。

有三种方法可用于定义单元连通性：（CAE不支持，需要通过输入文件定义）

方法1：指定单元号和定义单元的所有结点；

通过指定所有结点来定义粘聚力单元

方法2：只指定粘聚力单元底部的结点，Abaqus将创建剩余的结点，并根据指定的偏移量对它们进行编号；注：OFFSET（偏移量）基于底面结点编号；

通过仅指定底面结点来定义粘聚力单元

方法3：只适用于孔隙压力粘聚力单元，在底部和顶部面上指定结点。Abaqus将根据指定的偏移量创建剩余的中间面结点。注：OFFSET（偏移量）基于底面结点编号；

通过仅指定底部和顶部面结点来定义孔隙压力粘聚力单元

2. 指定二维单元的面外厚度

对于二维粘聚力单元，需要定义面外厚度，默认值是1.0。

指定二维单元的面外厚度

3. 定义本构厚度

可以直接指定粘聚力单元的本构厚度，也可以允许Abaqus基于结点坐标计算本构厚度，使本构厚度等于几何厚度。默认为使用分析默认。

如果粘聚力单元的几何厚度与其表面尺寸相比非常小，则由结点坐标计算的厚度可能不准确。在这种情况下，可以在定义这些的单元的截面属性时直接指定一个恒定的厚度。

粘聚力单元的特征单元长度等于其本构厚度。特征单元长度通常用于定义材料损伤演化。

3.1 当粘聚力单元响应基于连续体方法时：

当粘聚力单元的响应基于连续体方法时，Abaqus默认根据结点坐标计算单元的本构厚度。可以通过直接指定本构厚度来改变此默认值。

连续体响应时，默认采用结点坐标系计算；当然也可直接指定

3.2 当粘聚力单元响应基于牵引分离方法时：

当粘聚单元的响应基于牵引分离方法时，Abaqus默认假定本构厚度等于1。这个默认值的求解是，对于基于牵引分离的本构响应比较合适的应用程序，粘聚力单元的几何厚度通常等于(或非常接近)零。这个默认值确保名义应变等于相对分离位移。可以通过指定另一个值或指定本构厚度等于几何厚度来覆盖此默认值。

牵引分离响应时，默认为分析默认1，当然可以改为另外两选项定义

3.3 当粘聚力单元响应基于单轴应力状态时：

当粘聚力单元的响应是基于单轴应力状态时，没有默认的计算本构厚度的方法。必须确定本构厚度的方法。

垫片响应时，需要选择使用结点坐标或直接指定定义初始厚度

4. 单元厚度方向定义

正确定义粘聚力单元的方向是很重要的，因为单元的行为在厚度和平面方向上是不同的。默认情况下，三维粘聚力单元的上下面如图1所示，二维和轴对称粘聚力单元的上下面如图2所示。

图1 三维粘聚力单元的默认厚度方向

图2 二维和轴对称粘聚力单元的默认厚度方向

下面将讨论修改粘聚单元的默认方向的选项，并解释如何建立局部厚度方向和面内方向向量。① 将堆叠方向使用等参方向:

“堆叠方向 stack direction”是指粘聚力单元的上下面堆叠的等参方向。默认情况下，在三维粘聚单元中，上下面沿第三等参方向堆叠；在二维和轴对称粘聚单元中，上下面沿第二等参方向堆叠。对于大多数单元类型，可以选择沿其他等参方向确定顶面和底面的位置(而COH3D6单元只能将第三等参方向作为堆叠方向)。等参方向的选择取决于单元的连通性。对于网格无关的规范，使用基于方向的方法。三维粘聚单元的等参方向选择如图3所示。

图3 COH3D8(左)和COH3D6(右)单元的堆叠方向

此方法CAE不支持，需要通过输入文件基于单元的等参方向指定堆叠方向，图中n为等参方向编号：

根据单元的等参方向定义顶面和底面

② 根据用户自定义的方向设置堆叠方向：

还可以通过用户定义的局部方向来定义堆叠方向。在为粘聚力单元定义方向时，还指定了一个轴，可以围绕该轴旋转局部1和2材料方向。这个轴也定义了一个近似法线方向。则堆叠方向将是最接近这个近似法线的单元等参方向(参见图4)。

图4 说明使用圆柱形系统来定义堆叠方向的示例

此方法CAE不支持，需要通过输入文件基于用户定义的方向定义单元的厚度方向：

根据用户定义的方向定义单元的厚度方向

③ 查验堆叠方向

可以通过使用堆叠方向查询工具在Abaqus/CAE中直观地查看堆叠方向。对于三维单元，Abaqus/CAE的顶面为棕色，底面为紫色。对于二维和轴对称单元，箭头表示单元的方向。此外，Abaqus/CAE突出显示任何方向不一致的单元面和边。

查询工具

或者，可以在Abaqus/CAE的可视化模块中绘制材料轴，以验证三轴是否指向三维单元所需的法线方向；如果单元的方向不正确，其中一个平面内轴(1轴或2轴)将指向法线方向。对于二维和轴对称单元，堆叠方向与两轴材料方向一致。

材料方向

④ 二维和轴对称单元的厚度方向计算

为了计算二维和轴对称单元的厚度方向，Abaqus通过平均构成单元底面和顶面的结点对的坐标来形成中间面。这个中间表面穿过单元的积分点，如图5所示，其中底部和顶部表面为默认选择。在每个积分点，Abaqus计算一个切线方向 tangent。则厚度方向由面外方向和切线方向的叉乘得到。（向量叉乘的方向采用右手螺旋法则确定）