浅析基于Abaqus的胶粘仿真方法

胶粘（Cohesive）技术可以理解为是一种新的焊接技术，比如有些金属（如铝和钛）是不容易焊接的，但使用胶粘剂就能粘接牢固，而碳化纤维和其他复合材料本身就比使用螺钉更容易被粘固。所以在使用铝合金、钛合金、碳纤维增强塑料等一些轻质材料时，兼顾强重比，胶粘剂粘接成为了一种更加合理的选择。相对于机械紧固连接，胶粘剂接头中应力分布十分均匀，可使被粘接物强度和刚性全部得以体现，具有强度高、成本低、质量轻的优势，同时胶粘剂还有防腐、密封等功能。可以预测，胶粘技术具有广阔的发展前景和巨大的市场潜力。  

在Abaqus中，有两种方法来模拟粘接行为，一是通过定义粘接截面来设置，二是通过定义粘接接触来实现。前者适用于胶水层较厚的情况，后者则适用于胶水层较薄的情况。本文将重点介绍第一种模拟方法。

问题描述：现有上下两层不锈钢板，中间层为胶，下钢板固定，上钢板沿Z方向移动0.002mm，分析胶的应力变化及损伤演变。

材料参数如下：

图1 钢板胶粘模型  

具体步骤如下：  

(1)创建部件  

创建上下钢板、胶层3个三维变形实体  

图2 创建胶层实体  

(2)设置材料、截面属性  

钢板的材料属性、网格类型与传统的设置方法一致，本文不展开。  

设置胶的材料属性：  

图3 设置胶的材料属性  

设置胶的截面属性，胶的初始厚度为0.1mm，见图4。  

图4 设置胶的截面属性  

设置完之后，把胶的截面属性赋予胶层实体。  

(3)创建装配体。  

导入三个部件，通过平移把它们放在如图1的合适位置  

(4)设置分析步  

选用“静力，通用”类型，增量步按图5设置。  

图5 设置分析步及增量步  

设置场输出量、历程输出量，见图6。  

图6 设置分析步的输出  

(5)设置相互作用。  

因为本例主要是研究胶的力学特性，上、下钢板可通过“刚体约束”与参考点连接起来，这样也方便施加约束载荷，见图7。  

图7 设置上下钢板的“刚体约束”  

同时，只考虑胶层的内聚力破坏，不考虑胶与钢板的界面破坏，因此通过“绑定约束”把胶的上表面与上钢板的下表面、胶的下表面与下钢板的上表面绑定在一起，见图8。  

图8 胶与上下钢板界面的绑定

(6)设置约束、载荷  

固定下钢板，上钢板往上移动0.002mm，见图9。  

图9 设置约束、载荷  

(7)网格划分  

钢板的网格单元类型与传统一致。对于胶层结构，必须使用六面体进行网格划分，并且在厚度方向上仅设置1层网格。这样，在大变形的情况下，可以防止网格发生畸变。胶的单元类型选择“粘性”，其余默认即可，见图10。  

图10 设置胶的单元类型  

划分网格后，整个装配体如图11。  

图11 模型网格划分  

(8)提交计算，观察结果。  

计算结果见图12，上钢板的位移为0.002mm，下钢板被固定，位移为0，胶层的位移位于这两者之间。  

图12 位移云图  

因为胶层的许用正应力为6.8Mpa，胶层的截面面积为10*10=100mm^2，可推断当胶层受力为680N时，胶层发生破坏，刚度线性下降直至为0，这也可以通过观察位移施加点的支反力与其位移之间的关系来验证，见图13。一开始支反力随着位移的增大而增大，当达到680N时，支反力随着位移的增大逐渐减小，直到为0。  

图13 位移施加点的支反力与其位移的关系