《Mechanics of Solid Polymers》4.12.1 客观率

现实生活中常见涂胶面接触现象，涂胶表面具有特殊的粘结特性，物体与其接触会粘结在表面并且随压力增加粘结越牢固。通过Abaqus接触粘结属性，可以模拟胶接组件以及与其他组件接触的粘合现象。粘结行为粘结可以用内聚行为来理想地描述。在经典的有限元环境中，通常使用牵引-分离定律(TSL)进行建模。该TSL通过特殊单元类型（内聚元素）或表面接触属性（内聚接触）在选定的界面（粘合表面）上指定，描述材料沿该界面的分离。这是通过材料定律实现的，该定律将拉应力或剪应力与沿界面的裂纹张开位移相关联，见图1。图1：牵引分离定律模型示意图材料模型分为三个不同的阶段：弹性阶段、损伤萌生和损伤演化。首先，张力随着分离位移线性增长，用比例因子K（N/m）描述，K值指定界面的刚度。对于无限薄的界面，该值接近无穷大，这就是为什么这通常被称为惩罚刚度。一旦达到临界应力σ，界面就开始损坏，这称为损伤初始。然后是损伤演化，它描述裂纹的进展。损伤演化可以用临界能量释放率G（J/m2）即图1曲线下的面积，或完全失效时的分离位移δ（m）来指定。对于完全完好的界面，临界应力σ和临界能量释放速率G都必须通过实验确定。Abaqus/CAE中的粘结接触行为要在Abaqus/CAE中使用接触粘结行为，需要接触属性界面定义。刚度系数K分为法线方向和两个剪切方向，在“cohesivebehavior”选项卡中输入，请参见图2。此处还可以选择使用默认设置“使用默认接触强制方法”将该值设置为惩罚值Abaqus根据周围材料的刚度来选择。使用“Coupled”选项卡，还可以将刚度指定为3×3矩阵，从而实现剪切和正应力的耦合。可以根据温度和场变量来选择刚度参数以及所有其他界面参数。图2：接触粘聚行为设置图3：损伤初始准则设置损伤初始化参数在“Damage”选项卡指定，见图3。如果选择最大应力作为损坏准则（对应于默认值），则在法向和剪切方向上输入临界应力。根据此标准，一旦平面中的三个应力分量之一达到临界值，就会开始损坏。或者，也可以选择二次应力准则，该准则使用应力二次范数。此外，基于临界裂纹张开的两个标准是可能的（最大和二次标准）。为了模拟渐进损伤，必须指定损伤演化的参数，请参见图4。损伤演化可以指定为位移类型或能量类型，需要的参数是最大裂纹张开位移δ或临界能量释放率G，参见图1，软化曲线可以是线性的，如图1所示，或者呈指数衰减。除了损伤初始和演变的设置选项外，还可以通过“Stablization”选项卡指定稳定粘度系数。这有助于解决使用Abaqus/Standard求解器时的收敛问题，因为裂纹扩展建模是一项强非线性的数值挑战。图4：损伤演化参数设置图5：损伤稳定系数设置使用内聚接触行为建模的一个特殊优点是能够对粘性接触进行建模，这意味着初始未接触的物体在接触后可以发生粘聚行为，粘合表面仅在施加一定负载时才会再次松动，且允许重复粘结。这是粘聚单元无法实现的（只能在初始就设定粘聚区域）。使用Abaqus/Explicit进行仿真示例作为一个模拟示例，我们考虑一个以一个初始速度斜扔到（粘性）墙上的球。此外，球会受到重力，见图6。我们使用Abaqus/Explicit作为该问题的求解器。我们考虑三种情况，其中我们使用虚拟参数来表示特定效果。在实际模拟中，材料参数必须始终通过实验确定和校准。1）球与墙壁之间的摩擦接触，参见视频1。2)粘性接触，其中选择的参数使得冲力不足以将球从墙上释放，参见视频2。3)粘性接触，选择的参数使得冲力足以再次将球与墙壁分离，参见视频3。图6：球在重力作用下初速度为v在视频1中，您可以看到球直接从墙上弹起。撞击时，球发生弹性变形，大部分弹性能转化回动能，部分能量因摩擦而耗散。在视频2中，球粘在墙上。在撞击过程中，参与接触的节点形成粘性连接。运动引入的能量不足以再次破坏内聚连接，因此球会粘住并静止。在视频3中，球最初粘在墙上。如视频2中所示，节点紧密接触。然而，现在的冲动足够大，足以再次打破这种紧密的联系。这会消耗能量，这就是为什么球的移动速度比撞击前明显慢的原因。此外，球在撞击后会稍微向上移动。总结在这篇文章中，我们展示了如何使用Abaqus/CAE中的粘结接触来建模内聚行为。为此，实施了牵引分离定律，该定律可以沿给定表面绘制裂纹开口。与粘结单元相比，内聚接触的特殊之处在于，在于可以对粘合接触进行建模。我们通过使用Abaqus/Explicit的示例对此进行了说明，将球扔向粘性墙壁。根据材料参数和初始冲量，球会自行从墙壁上脱离或保持粘结状态。来源：ABAQUS仿真世界