LSDYNA 内聚力单元详细介绍

一、核心适用场景

1. 分层与脱粘（Delamination/Debonding）

复合材料层合板：层间分层（如I型/II型/混合型分层）

• 胶接结构：胶层失效（金属-复合材料粘接、修补结构）

• 涂层剥落：热障涂层（TBC）、防腐涂层与基体的分离

2. 裂纹扩展路径预测

• 预设裂纹路径：沿已知界面（如材料界面、弱化面）的定向扩展

• 混合模式断裂：同时存在拉伸和剪切载荷的复杂失效（如 MAT_138 支持混合模式判据）

3. 多材料界面失效

• 异种材料连接：金属-塑料、陶瓷-金属界面

• 嵌入式结构：电子封装中芯片与基板的界面开裂

二、与其他方法的对比

三、关键技术优势

1. 物理合理性

• 直接引入断裂能（GIC,GIIC)代替应力强度因子，更符合断裂力学原理。      GG）代替应力强度因子，更符合断裂力学原理。

• 可定义损伤起始准则（如最大应力准则）和演化法则（线性/指数软化）。

2. 数值稳定性

• 通过刚度衰减避免计算突变（对比脆性断裂模型）。

• 支持粘性正则化（MAT_138的VDC参数）抑制震荡。

3. 灵活性

• 支持零厚度或有限厚度建模。

• 可嵌入实体/壳单元之间，兼容复杂网格。

四、典型应用案例

案例1：复合材料层合板冲击分层

*MAT_COHESIVE_MIXED_MODE  (MAT_138)

  $ MID   RO    E     GIC    GIIC   SIGMAX  TAUMAX

     101   1e-9  1e4   0.3    0.8    100     80

• 关键设置：

• 层间插入零厚度内聚力单元（ELFORM=20）。

• 定义混合模式失效判据（      B-KB-K准则）。

五、不适用场景与替代方案

1. 大范围塑性变形

• 问题：内聚力单元仅描述界面失效，无法处理基体塑性。

• 替代：使用Gurson模型（MAT_152）+ 内聚力单元组合。

2. 三维随机裂纹网络

• 问题：需预设界面路径。

• 替代：相场法（Phase-Field）或Peridynamics。

3. 高速冲击下的粉碎性破坏

• 问题：计算成本过高。

• 替代：SPH或DEM离散方法。

• 
  

六、关键参数标定建议

1. 断裂能（Gc)

• 通过DCB试验（I型）、ENF试验（II型）标定。

2. 强度参数（T_tract,S_tract)    
   

• 参考搭接剪切试验或微滴脱粘试验。

3. 初始刚度（EN,ET)    
   

   
   

总结

内聚力单元最适合模拟：
✅ 明确界面的渐进式失效（分层、脱粘）
✅ 预设路径的裂纹扩展
✅ 混合模式断裂问题
✅ 多材料系统界面可靠性分析

慎用场景：
❌ 非界面失效（基体断裂用XFEM）
❌ 复杂三维随机裂纹（用相场法）
❌ 爆炸/粉碎问题（用SPH/DEM）

提示：在LS-DYNA中优先使用 *MAT_COHESIVE_MIXED_MODE（MAT_138），因其支持混合模式失效且数值稳定性更佳。务必通过小尺度试验（如DCB）标定参数！