浅谈胶粘仿真中Cohesive contact与Cohesive element的建模差异

在我的上一篇文章中，详细介绍了在胶粘仿真中使用Cohesive element的建模方法，得到了广大读者的关注，文章阅读量也即将突破1万，有些读者私信给我，问我能否写一篇关于使用Cohesive contact模拟胶粘的文章，我当时也答应了，奈何工作繁忙，迟迟无法下笔，借助这个周末，也把这个许诺给履行了吧。相比于Cohesive element，使用Cohesive contact建模时不需要建立胶体模型，不需要设置其物理参数，也不需要指定网格类型，相对来说会简单一些。本文将详细介绍Cohesive contact的建模方法，也会指出与Cohesive element建模时的参数设置差异，最后也比较了两种建模方式下的结果差异。  

研究对象还是与上一篇是一样的，这里还是再列一下吧：

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，见图1。  

图1 钢板胶粘模型(不建胶层)  

具体步骤如下：  

(1)创建部件  

创建上、下钢板2个三维变形实体，两块钢板完全一致。  

图2 创建钢板实体  

(2)设置材料、截面属性。

由于没有建胶层实体，所以不需要设置胶体的材料属性，仅创建钢板的材料、截面属性即可，再把属性赋予钢板实体。  

图3 设置钢板的材料、截面属性  

(3)创建装配体。  

导入上、下钢板两个部件，通过平移把它们放在如图1的合适位置，两者之间不存在间隙。  

(4)设置分析步  

选用“静力，通用”类型，增量步按图4设置。  

图4 设置分析步及增量步  

设置场输出量、历程输出量，见图5。  

图5 设置分析步的输出  

(5)设置相互作用。  

首先设置粘接接触属性，这也是最重要的一部分(使用Cohesive element建模时，不需要该部分)，属性包括粘性行为、损伤。粘性行为按图6设置，刚度K=模量E/胶层厚度，因为在使用Cohesive element建模时，使用了胶体的模量(弹性E=1000Mpa，剪切G=385Mpa)，胶层厚度为0.1mm，则在使用Cohesive contact建模时，胶体的刚度Knn=1000/0.1=10000，Kss=Ktt=G/0.1=3850。  

图6 粘性行为设置  

损伤设置见图7，填入许用正应力、许用切应力，损伤演化类型也是按线性位移，破坏位移为0.001mm，这一块的设置与使用Cohesive element建模时设置胶体损伤是完全一致的。  

图7 损伤设置  

以上粘接接触属性设置好了，再创建表面-表面接触，主、从表面分别选择上钢板的下表面、下钢板的上表面，离散化方法一定要选择“节点-表面”，其余默认即可，再把接触属性赋予接触对，见图8。  

图8 设置接触对  

为了施加载荷方便，上钢板的上表面与参考点1连接起来，下钢板的下表面与参考点2连接起来，连接方式为MPC绑定，见图9。  

图9 上、下表面与参考点的连接  

这里需要特别说明的是，不能像上一篇文章使用Cohesive element建模那样，采用“刚体约束”把整个体与参考点连接起来，这是因为使用Cohesive contact时，需要使用上钢板的下表面、下钢板的上表面作为接触对，两者的运动行为是靠接触，使用“刚体约束”时这两个表面的运行完全依赖参考点，无法模拟两者的接触行为。  

(6)设置约束、载荷  

固定下钢板，上钢板往上移动0.002mm，见图10。  

(a)固定下钢板  

(b)移动上钢板  

图10 设置约束、载荷  

(7)网格划分  

按照传统方式选择钢板的网格单元类型即可，装配体网格见图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，中间是空的。  

图12 位移图  

与上篇文章Cohesive element建模类似，把上钢板的位移施加点及其位移提取出来，并比较两种建模方式下的差异。上钢板的位移施加点及其位移关系如图13所示。

图13 位移施加点的支反力与其位移的关系  

为了更清晰对比两种建模方式下的差异，把两者的结果放在一张图上对比，见图14。从图中可以发现，两种建模方式下，支反力与其位移函数关系基本上是一致的，两者峰值几乎一致，但是使用Cohesive contact建模时，峰值会稍稍延迟一点，这应该是钢板的弹性变形引起的，在上一篇使用Cohesive element建模时，使用了刚体约束，抑制了钢板的弹性变形。

图14 两种建模方式下的结果对比