复合材料模型建模与分析
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荧惑
2025-03-22
sive
cohe
方法
单元
模型
材料
描述
位移
本构
建立
1.1 MB
复合材料模型建模与分析
1．Cohesive 单元建模方法
1.1 几何模型
使用内聚力模型（ cohesive zone）模拟裂纹的产生和扩展，需要在预计产生裂纹的区域
加入 cohesive层。建立 cohesive层的方法主要有：
方法一、建立完整的结构 （如图 1（a）所示），然后在上面切割出一个薄层来模拟 cohesive
单元，用这种方法建立的 cohesive 单元与其他单元公用节点，并以此传递力和位移。
方法二、分别建立 cohesive 层和其他结构部件的实体模型，通过“ tie”绑定约束，使
得 cohesive单元两侧的单元位移和应力协调，如图 1（ b）所示。
（a）cohesive单元与其他单元公用节点 （b）独立的网格通过“ tie”绑定
图 1.建模方法
上述两种方法都可以用来模拟复合材料的分层失效，第一种方法划分网格比较复杂；
第二种方法赋材料属性简单，划分网格也方便，但是装配及“ tie”很繁琐；因此在实际建模
中我们应根据实际结构选取较简单的方法。
1.2 材料属性
应 用 cohesive 单 元 模 拟 复 合 材 料 失 效 ， 包 括 两 种 模 型 ： 一 种 是 基 于
traction-separation 描述；另一种是基于连续体描述。其中基于 traction-separation 描
述的方法应用更加广泛。
而在基于 traction-separation 描述的方法中， 最常用的本构模型为图 2 所示的双线性
本构模型。它给出了材料达到强度极限前的线弹性段和材料达到强度极限后的刚度线性降低
软化阶段。 注意图中纵坐标为应力，而横坐标为位移，因此线弹性段的斜率代表的实际是
cohesive 单元的刚度。曲线下的面积即为材料断裂时的能量释放率。因此在定义 cohesive
的力学性能时， 实际就是要确定上述本构模型的具体形状：包括刚度、 极限强度、 以及临界
断裂能量释放率， 或者最终失效时单元的位移。 常用的定义方法是给定上述参数中的前三项，
也就确定了 cohesive 的本构模型。 Cohesive 单元可理解为一种准二维单元，可以将它看作
被一个厚度隔开的两个面，这两个面分别和其他实体单元连接。 Cohesive 单元只考虑面外
的力，包括法向的正应力以
sive/cohe/方法/单元/模型/材料/描述/位移/本构/建立/
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