内聚力界面单元在胶接接头分层仿真中的应用

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内聚力的应用

内聚力的应用
内聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）是一种用于描述材料断裂过程中裂纹尖端附近区域行为的力学模型。

它在多个领域有着广泛的应用，具体来说：
1. 材料科学：内聚力模型最初用于描述脆性材料的断裂行为，现在已经扩展到金属材料、高分子材料、复合材料以及功能梯度材料等。

它能够模拟材料的裂纹萌生、裂纹扩展以及动态裂纹传播等现象。

2. 结构工程：在结构工程中，内聚力模型被用来预测和分析结构的断裂行为，尤其是在复合材料的界面脱粘问题中。

这对于设计更安全、更耐用的结构至关重要。

3. 制造技术：内聚力模型在先进制造技术中也有应用，例如在焊接、粘接等工艺中，对接头或粘接界面的强度和断裂行为进行评估和优化。

4. 损伤力学：内聚力模型在损伤力学领域中扮演着重要角色，它可以帮助研究者理解和预测材料在不同载荷条件下的损伤演化过程。

5. 计算力学：在计算力学中，内聚力模型通常与有限元分析结合使用，以解决复杂的断裂问题。

它可以处理非线性、大变形等问题，适应性强，不需要起裂扩展准则。

6. 冲击仿真：在冲击载荷作用下，材料和结构的响应可以通过内聚力模型来模拟，这对于理解冲击过程中的损伤和断裂机制非常重
要。

7. 断裂力学：内聚力模型在断裂力学中的应用，特别是在研究裂纹尖端的行为时，可以减轻甚至消除应力的奇异性，使得裂纹尖端保持闭合的趋势。

基于内聚力模型的胶水粘接强度仿真建模经验总结

基于内聚力模型的黏结剂粘接强度仿真建模经验总结摘要：界面内聚力模型用于黏结剂粘接强度仿真是一个非常好的建模方法。

这种内力模型的材料参数比较容易通过试验方法反向获取。

即通过测拉伸强度、剪切强度、双臂梁测试的获取载荷与位移关系，在反向优化材料参数。

如果你闲麻烦，有些胶水的内力模型的材料参数文献上也可以找到。

另外，这种建模方法比其他损伤建模方法，对计算资源消耗不是很大。

整个文档框架：1.简要介绍内聚力模型2. 基于COMSOL 的玻璃与不锈钢的粘结结构建模3 调研的几种环氧树脂界面内力模型的材料参数1.简要介绍内聚力模型以上是简要的理论，如果不能完全理解，需要读者们自行找资料补充。

2. 基于COMSOL 的玻璃与不锈钢的粘结结构建模不失一般性，我们以二维的平面应变模型为例后处理获取反作用力的方法：如下，反作用力随位移大小而增加，但大到一定程度时候，力不再增大，说明胶在损伤。

能抵抗多大力与胶内聚力模型中材料参数设置有关。

如果不考虑内聚力模型，将胶与基板绑定连接在一起。

（绑定连接的设置方法如下，将接触对类型改为一致对，并在固体力学里增加连续性边界条件。

）从如下的计算结果可以看出，力随位移逐渐增加，仅从强度理论很难判断胶可承受多大的剪切力。

位移0.017mm 时，反作用力24.18N。

即当前的内聚力模型参数下，高0.8*厚0.7*宽0.9 玻璃块，黏在基板在的粘结力为24.18N。

其中胶水厚度为0.02mm.不考虑内聚力模型下的应力场分布图模型价值分析：需要研究粘结剂的粘接强度，或者大应力下粘接元件之间的相对变形量，将胶视为弹性体或粘弹性体是一个不合理的模型假设。

胶层通常很薄0.3~0.01mm,且剪切和拉伸强度通常较小，受大应力情况下，很容易产生裂纹，材料损伤不能再承受力。

另外，可以利用胶的拉伸、剪切试验或附件模型的实际推力试验，反向修正胶的内聚力模型材料参数。

让模型更具实用性。

3 调研的几种环氧树脂界面内力模型的材料参数胶1：胶2：胶3：胶4：。

内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析

关键词复合材料力学,界面单元,内聚力模型,损伤
COHESIVE INTERFACE ELEMENT AND INTERFACIAL DAMAGE ANALYSIS OF COMPOSITES1)
Zhou Chuwei Yang Wei Fang Daining
(Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University, Beijing100084, China)
Key words mechanics of composite materials, interface element, cohesive zone model, damage
引言
复合材料中增强相与基体之间界面层的性质,对于复合材料整体刚度、强度、韧性等性能起着至关重要的作用.要研究复合材料的损伤破坏过程,需分析纤维或颗粒直径尺度上的应力应变场,有限元数值分析是有效的工具.由于复合材料的界面层往往很薄,远小于纤维直径,而且沿厚度方向性质是变化的［1］.这就给传统的有限元分析带来诸如单元剖分,材料参数的确定等困难.J.D. Achenbach［2］,陈陆平等［3］将界面层处理为类似于一组法向和切向正交的弹簧,叶碧泉等［4］用各向同性的无厚单元模拟界面层.这些工作解决了单元划分的厚度问题,但未能反映出界面损伤时法向和切向的耦合效应.本文利用内聚力模型推导了一种无厚的界面层单元,将界面层的性质直接反映在界面层的粘结力与界面层上下两个面的相对位移的关系上.
为
界面所经历的最大相对位移.λ是一个不可逆的量,取值范围从0～1,λ=1时,对应界面完全脱粘,λ可视为界面的损伤变量.界面法向负的相对位移不引起界面损伤. 图1给出了只有n时的相对于n和n归一化的内聚力曲线.随界面层被拉开的相对距

粘接试件应力分布均匀性改进的有限元数学模型分析

粘接试件应力分布均匀性改进的有限元数学模型分析作者：任艳，李向超来源：《粘接》2023年第12期摘要：基于汽车车身构成材料的发展需要，車身上开始大量使用轻量化材料。

这类材料的粘接技术存在应力分布均匀的特点，再加上强度高、质量轻便等，应用日益广泛。

然而在实际运用中，往往因为对其粘接接头的力学性能缺乏全面的认知，使之在不少关键结构中粘结剂的应用受到一定制约。

为此，对粘接接头强度实验法进行完善，重点剖析了有关粘接实验的相关问题，以铝合金对接试件为对象，将实验和仿真分析进行结合，进而对胶层应力状态加以分析对比验证，增加了粘接实验法的精准性，进而得到更为精准的断裂应力值，实现对断裂应力算法的优化。

关键词：粘接试件；应力分布；有限元仿真；数学模型；断裂应力中图分类号：TQ433.4+32;TP391.9文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）12-0021-04The finite element mathematical model analysis for improved stress distribution uniformity of the bonded specimensREN Yan，LI Xiangchao（1.Shaanxi Post and Telecommunication College，Xianyang 712000，Shaanxi China；2.Xi’an No.26 Middle School，Xi’an 710001，China）Abstract：Based on the development needs of automobile body composition materials，a large number of lightweight materials have begun to be used in car bodies.The bonding technology of such materials has the characteristics of uniform stress distribution，high strength，light weight，etc.which make them increasingly widely used.However，in practical application，the application of adhesives in many key structures is limited due to the lack of comprehensive understanding of the mechanical properties of its adhesive joints.To this end，the adhesive joint strength test method was improved，focusing on the analysis of the relevant problems related to the bonding experiment，taking the aluminum alloy butt specimen as the object，the experiment and simulation analysis were combined，and then the stress state of the adhesive layer was analyzed and compared to verify，which increased the accuracy of the bonding experimental method，and then obtained a more accurate fracture stress value，and realized the optimization of the fracture stress algorithm.Key words：adhesive test piece;stress distribution;finite element simulation;mathematical model;fracture stress从汽车车身的构成材料发展角度来分析，多材料车身已经成为重要发展趋向，不同材料的连接自然日益常见。

记及压应力的内聚力单元及其厚度对复合材料分层损伤预测的影响

本文用 cohesive 单元模拟复合材料层间界面，建立了预测复合材料分层损伤的有限元模型，包括 Ⅰ型分层、Ⅱ型分层和冲击引起的分层。分析了 cohesive 单元厚度对分层损伤面积的影响规律。基于有限元二次开发定义 cohesive 单元的本构，用于模拟压应力引起的界面失效，研究了考虑压应力引起的界面失效对复合材料冲击响应结果的影响。
合型载荷下的损伤产生：
( ) ( ) ( ) 〈σn〉 2 +
基于损伤力学理论的内聚力单元［8，9］（ Cohesive Element）通过本构方程将裂纹发生处界面的牵引力与界面相对位移联系起来，可以同时预测分层的起始和扩展，得到了众多学者的青睐。肖梦丽等［10］采用内聚力单元模拟复合材料层间界面，研究了层合板拉伸过程中的分层扩展，并分析了初始分层损伤对层合板剩余强度的影响。喻溅鉴等［11］基于三维内聚力损伤模型研究了疲劳分层裂纹的形成与扩展，通过引入加速损伤算法提高了模型的计算效率。陈丽华等［12］使用同样的方法模拟双悬臂梁结构的分层过程，研究了准静态方法和静态方法对计算效率的影响，并讨论了模型的精度和收敛性。 Harper 等［13］基于内聚力模型进行分层模拟，分析了界面强度对计算结果的影响。Chen 等［14］的研究表明，当界面强度较高时，内聚力模型很难得到收敛的解。
Cohesive 单元的优势是可以预测分层损伤的演化过程，但单元的尺寸对计算结果影响很大。有限元模型中单元厚度取不同的值，会得到不同的结果；另外，cohesive 单元无法预测压缩载荷超过材料强度引起的破坏［15］。这意味着，当界面受到厚度方向的拉应力作用时，预测结果是合理的；当处理冲击载荷引起的高压应力导致的结构界面失效问题时，cohesive 单元是无能为力的。

基于内聚力模型的T型钎焊接头裂纹扩展数值模拟_陈兴

的拉伸试验机就能完成，文中的 T 型接头裂纹扩展试验在 Instron － 8021 电液伺服万能试验机上进行。进行试验时，用销子穿过 T 型试样两端的销然后固定在试验机的上下夹头上，如图 5 所孔，示。上下夹头的加载速率为 0． 005 mm / s。
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CPVT
基于内聚力模型的 T 型钎焊接头裂纹扩展数值模拟
试
验
研
究
基于内聚力模型的 T 型钎焊接头裂纹扩展数值模拟
陈兴，舒双文，周帼彦，庄法坤，涂善东（华东理工大学机械与动力工程学院承压系统与安全教育部重点实验室，上海 200237 ）
摘
最容易产生裂纹。通过有限元模拟和试验要：钎焊接头的钎缝是板翅式回热器中的薄弱环节，
相结合的方法得到 T 型 316L / BNi － 2 钎焊接头的内聚能 G c 和损伤起始应力 σ max ，并使用内聚力模型研究了接头的裂纹起裂和扩展过程。模拟结果与试验结果吻合较好，表明内聚力模型可以很好地预测 316L / BNi － 2 T 型钎焊接头的裂纹起裂和扩展过程，且可以将其用于钎焊接头裂纹扩展规模拟结果还表明，提高母材屈服强度可以明显地改善钎焊接头的抗开裂能力。律的研究。此外，
内聚力模型将裂纹上下表面之间牵引力 T 定义为分离位移 δ 的函数，即牵引力分离法则。常
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第 31 卷第 8 期
压
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力
容
器
总第 261 期
从理论角度出发，推导了从总能量中剔除塑性耗散能的数学方法。算十分困难。GEOＲGION 等对于 T 型剥离，假设剥离臂材料为理想弹塑性材料，临界内聚能 G c 可由下式估算： Gc = （式中 Δ ） h

复合材料层合板分层扩展过程分析

另一个用来模拟分层的有效方法是中心内聚力区域法，由 Dugdale 和 Barenblatt 提出。内聚力准则通过形成扩展裂纹尖端描述了在分层过程中的非线性界面软化行为。内聚力区域模型通过执行所谓的界面单元可以很容易地纳入有限元程序。通常情况下，界面单元涉及层间应力和相对位移。因此，许多作者利用无厚度界面单元进行模拟。Borg 等人建立了位于单元节点的类似于非线性弹簧的界面元。而且具有较低的初始厚度并具有应力－应变关系的界面单元也已被提出。Needleman 指出，额定凝聚力界面单元适用于界面单元的强度比相邻的材料强度弱时的情况，正如单向纤维增强材料层间断裂的情况。与断裂力学不同，内聚力准则通过结合应力强度和能量准则，能预测分层开始和分层扩展。
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◎ 201 万～ 500 万
中国科技信息 2019 年第 14 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jul.2019
度系数与界面层的材料特性建立关系，有一定的局限性。另外一种是采用重合节点的方法给出无厚度的界面层，在重合节点之间给出约束关系，当层间应力达到给定的应力临界值时，对应节点的约束关系失效，开始进入裂纹扩展的阶段。这种方法是通过比较层间应力与应力的临界值，模拟值与试验值的出入比较大，计算不精确。
可实现度
可替代度
影响力
真实度
行业关联度
陆富全复合材料层合板分层扩展过程分析
用有限元来模拟和预测复合材料结构的分层过程是目前一个比较热门的研究方法，同时也具有重要的实用价值。本文采用界面单元法仿真复合材料层合板分层扩展，分别对复合材料 I 型分层裂纹的双悬臂梁弯曲 DCB（double cantilever beam）试件和 I、II 混合型分层裂纹的混合模式弯曲 MMB（mixed － mode bending）试件的加载和层间开裂过程进行了有限元数值模拟。数值模拟的结果表明，文中采取的界面单元方法可以有效模拟复合材料层合板和层间结构的层间破坏。

内聚力模型在新旧混凝土接触界面中的应用

内聚力模型在新旧混凝土接触界面中的应用下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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内聚力模型在复合材料界面层中应用

内聚力模型在复合材料界面层中应用加工制造复合材料时，界面最难控制且大多是最为薄弱的部分，在承受载荷时，界面层处也往往最先出现破坏，从而大大降低了复合材料的强度。

因此在进行复合材料细观模型分析时，界面层不能够被忽略。

界面的强度对整个单胞模型强度的影响非常大，本文通过纤维顶出法计算出复合材料界面层内聚力模型的本构参数，然后分别对代表体积元RVE模型在纵向拉伸载荷和横向拉伸载荷下做有限元计算，分析界面损伤和基体塑性变形的数值关系，结果表明，复合材料的纵向拉伸强度随界面强度增加而增加，但到一定程度后影响就变小了，代替的是基体拉伸强度起主要作用。

不论界面强度值增加到多大，所得到的复合材料的横向拉伸强度都永远低于基体的拉伸强度980Mpa，这充分的说明了复合材料的强度极限是由最最薄弱的部分决定的。

本文的研究结论可以为复合材料的制备提供理论参照。

标签：内聚力模型;界面层;失效模式0 引言在对TiC/TC4复合材料应用内聚力模型进行细观力学模型计算之前，必须先确定界面层的cohesive本构关系。

内聚力本构模型的参数是由实验测得的，但大多数情况下，一些材料的基本力学性能参数是没有的，此时想要继续研究，就需要做一些理论推导与假设。

本文就是由纤维顶出法测得界面结合强度与界面反应厚度的关系式，然后经过一系列计算，就可以确定界面层内聚力模型本构的基本参数，进而展开后续的分析计算研究。

1 理论分析1.1 参数的计算采用纤维顶出法试验测得SiC/TC4复合材料的界面结合强度可以用下式表示：，其中是纤维与基体之间界面的剪切强度值，H是界面层的厚度。

经有限元计算分析，复合材料的界面结合强度与载荷大小的关系为，其中是加载时的最大载荷。

其中K是内聚力本构模型的刚度值，h是薄片试样的厚度，E是弹性模量，是应力，是应变，是位移。

这里假设界面的结合强度等于本构关系中的最大应力取H=1um，E=330Gpa，=6.2N，代入计算，可以求最大应力为102.5Mpa，试件的厚度为0.21mm，位移为0.065um，本构关系=0时对应的位移取0.2um，计算得到断裂韧性为10.25。

基于内聚力模型的碳纤维与钢复合结构断裂性能分析

-机械研究与应用-2019年第6期(第32卷，总第164期)研究与试验doi：10.16576/ki.1007-4414.2019.06.011基于内聚力模型的碳纤维与钢复合结构断裂性能分析”王少勃，王斌华(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安710064)摘要:针对复合结构的粘接界面断裂性能分析,在有限元软件ABAQUS中基于CZM(Cohesive Zone Model)中的co-hesive单元来模拟粘接层并建立有限元模型，模拟分析了钢板和碳纤维树脂粘接界面的损伤情况，得到了碳纤维与钢I型断裂的载荷位移曲线，并通过双悬臂梁实验测试验证了模拟结果的准确性，为实际工程结构加固提供指导。

关键词：复合结构；粘接界面；CZM；有限元法中图分类号:TB331文献标志码:A文章编号:1007-4414(2019)06-0033-02Analysis of Bonding Properties of Carbon Fiber and Steel Composite Structure Based on CZMWANG Shao-bo,WANG Bin-hua(Key Laboratory far Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education,Chang'an University,Xi'an Shaanxi710064,China)Abstract:For the analysis on the fracture properties of the bonded interface of the composite structure,the cohesive element in CZM(Cohesive Zone Model)was used to simulate the bonding layer and establish the finite element model in the finite element software ABAQUS.The damage of the bonding interface between the steel plate and the carbon fiber was simulated and analyzed.In the case,the load-d isplacement curves of carbon fiber and steel type1fracture were obtained,and the accuracy of the simulation results was verified by double cantilever beam experimental test.It would provide guidance for the reinforce・ment of actual engineering structures.Key words:composite structure；bonding interface；CZM；finite element method0引言近年来，随着复合材料的开发，复合材料的力学性能不断提高、生产成本随之降低、材料性能成熟稳定，已广泛应用于钢结构的修复和加固中。

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分层损伤过程。针对上：述情况，为提高接头结构承载力，采用零厚度的内聚力界面单元来仿真界面层，克服无法仿真界面层的困难，对胶接接头的分层损伤过程进行仿真。并与试验结果进行对比，验证方法的有效性。通过仿真分析结果与试验结果对比可知，仿真分析结果与试验结果吻合较好。因此，运用内聚界面单元仿真界面层方法是有效的，并为复杂胶接接头承载能力分析提供有力的依据。
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉ丑ｍｉｎａｌｄａｍａｇｅｉｓａｍａｉｎｔｙｐｅｏｆｄａｍａｇｅｉｎｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｂｏｎｄｅｄｊｏｉｎｔ，ａｎｄｉｔｏｆｔｅｎｏｃｃｕｒ８ｉｎｔｈｅｉｎ· ｔｅｒｒａｃｅｌａｙｅｒｏｆｔｈｅｊｏｉｎｔ．Ｓｏ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｌａｙｅｒ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｂｅ－ｃａｕｓｅｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｌａｙｅｒｉｓｖｅｒｙｓｍａｌｌ，ｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｌａｙｅｒｂｙｒｅｇｕｌａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｏｒｂｏｕｎｄａｒｙｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｉｔｉｓａｌｓｏｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｌａｍｉｎａｌｄａｎｌａｇｅ．Ｔｏａｄｄｒｅｓｓｔｈｉｓｓｉｔｕａｔｉｏｎ．ｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．ｗｅｕｓｅｔｈｅｃｏｈｅｓｉｖｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｌｌｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｚｅｒｏｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｌａｙｅｒｔｏｇｅｔｔｈｅｒｕｌｅｏｆｌａｍｉｎａｌｄａｍａｇｅ，ａｎｄｃｏｎｔｒａｓｔｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｔｏｖａｌｉｄａｔｅｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄ．Ｂｙｃｏｎｔｒａｓｔｉｎｇｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔ，ｗｅｆｉｎｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｓｉｍｉｌａｒｔｏｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｓｏ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｈｅｓｉｖｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｌａｙｅｒｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ｉｔｉｓｕｓｅｆｕｌｆｏｒｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ’ｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｍｐｌｅｘｊｏｉｎｔ．ＫＥＹＷｏＲＤＳ：Ｃｏｈｅｓｉｖｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｅｌｅｍｅｎｔ；Ａｄｈｅｓｉｖｅｂｏｎｄｅｄｊｏｉｎｔ；Ｌａｍｉｎａｌｄａｍａｇｅ；Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｌａｙｅｒ
斜＋斜＋斜＝· ㈤
式中《，《，Ｇｃ分别为法向、切向一、切向二三个方向的临界
ｓ聊＝黼断裂能，ａ为材料参数。本模型的失效过程采用失效参数来
监控，失效参数ＳＤＥＧ的表达式为：
（４）
卜ｆｚｙ
／
图１无厚度的界面单元
式中碟为界面单元刚度降阶的位移临界值，繇为界面单元失效的位移临界值，６：“为加载过程中最大的有效位移。失效参数在未失效及初始失效点为０，最终失效时取值为１。通过Ｉ监控此值的变化即町分析观察移，初始时界面层之间的相对位移为０，随着载荷的增加，层问存ｒ相对位移，ｔ的值在小断的增大，界面单元是建屯在内聚力模型的基础上的，认为在内聚力尖端有一个内聚力Ⅸ域。本文采用双线性本构关系仿真界面单冗的刚度降阶，双线性奉构关系如图２。
一～２
０
伊
６‘
ｆ
图２双线性本构关系
圈３铝板胶接接头试件图
万方数据
３．２铝板胶接接头有限元仿真分析
３．２．１定义单元类型和材料属性
铝板胶接接头的铝试件采用Ｃ３Ｄ８Ｒ（８节点六而体线性
减缩积分单元），采用零厚度的内聚力界面单元ＣＯＨ３Ｄ８仿
真铝板胶接接头的界面层。
铝试件材料参数的确定：铝板胶接接头在拉伸过程中，
铝试件会发牛塑性变形。斟此，在定义铝试件的材料参数
收稿日期．＇２００９—０６—１１修回日期：２００９—０８—０８
万方数据
在胶层与被粘物的界面层上，因此，对胶接接头界面层的力学行为的分析是很有必要的。以前的文献大多认为力和位移是连续的通过不连续的两相材料界面，从而忽略了界面相的影响，这主要是因为界面层的厚度太小，与其它两相材料的维数相比差的太远，用常规的有限元法或边界元法都很难对这几何维度上多相结构进行仿真。然而界面层是客观存在的，虽然界面相在几何尺寸上远比另外两相尺寸小的多，但它的存在是不容忽略的。因此，这种简单的连续性假设而忽略界面层的影响是不合适的，更加无法用此方法获得胶接接头界面层在复杂外载荷条件下的破坏模式和破坏强度，然
应用公式将标准锚试件在甥性变形阶段的名义应力（变）转
化为真实应力（变），从而定义铝试件的塑性变形阶段的材料
属性。应力和应变名义值与真实值的转化火系如下：
矿＝矿一（１＋占。。）
（５）
占＝Ｉｎ（１＋８一）
（６）
∥＝占‘一占ｅｌ＝占。一ｔ。ｒ
（７）
乜
其中盯，８为真实应力和真实应变，盯一，占。。为名义应力和名义应变，一为真实蝮性应变，占‘是总体真实应变，占“是真实弹
第”卷第１０期文章编号：１００６—９３４８（２０１０）１０—０３１７—０４
计算机仿真
２０１０年１０月
内聚力界面单元在胶接接头分层仿真中的应用
杨小辉１，胡坤镜１，赵宁１，李静２
（１．西北工业大学机电学院，陕西西安７１００７２；２．中国空间技术研究院西安分院，陕西西安７１００００）
摘要：分层是胶接接头的毛要破坏形式，而分层主要发生在胶层与被粘物的界面层上．因此，对胶接接头界面层的力学行为的分析是很有必要的。由于界面层厚度太小，用常规的有限元法或边界元法很难对其进行仿真，更加无法仿真胶接接头的
一３１７—
而这一点又足人们常常关心的问题。针对这种情况，本文采用无厚度的内聚力界面单元来仿真界面相的存在，因为内聚力界面单元对多相材料结构在不连续问题方面的仿真是很有力的工具，这样就克服了无法仿真界面相的困难，同时对胶接接头的分层损伤过程进行仿真，掌握其分层破坏的规律，并把仿真分析结果与试验结果进行对比，验ｈＥ了用内聚力界而单元仿真界面层这种方法的有效性。此方法能为复杂胶接接头结构的承载能力分析以及接头的结构改进设计提供有力的依据。
步下的胶接接头受力大小Ｆｌ＝Ｆ×Ｌ＝２０００Ｎ×０．２７８５＝５５７Ｎ时，内聚力界面单元处于失效的边缘，若继续增加载荷，内聚力界面单元则完伞失效，所以，通过有限元仿真分析，胶接接头界面层失效的临界载荷为５５７Ｎ。临界载荷下胶接接头变形局部放大图、胶接接头应力云图、胶接接头界面层应力云图、界面层失效参数ＳＤＥＧ分布图分别如图６、图７、图８、图９所爪。由图７可知，胶接接头在临界载荷下的最大应力为７９．４９ＭＰａ，最大应力分布在铝板Ｊ：靠近界面层的部位，由标准铝试件拉伸试验数据町知，此时的铝板已处于塑性变形阶段。由网８可知，胶接接头界面层的应力分布是不均匀的，界面层的两端的应力比中间的应力大，即在界面层的两端产生应力集中，这主要足因为在胶接接头加载过程中，两端载荷不是在同一轴线上，在胶接接头之中会产生弯矩，因此此时的界面层的应力分布足不均匀的，这同样也解释了临界载荷下胶接接头变形局部放大图会如图６所尔。
斜坡集中力Ｆ＝２０００Ｎ，时间步为ｌ，子步时间为０．０１，分析过程中，通过观察第ｎ个子时问步时间Ｌ和简单的换算火系，可以得到当前子时问步下的胶接接头受力大小Ｅ的情况。换算关系为：Ｆ，＝ＦＸＬ。
图４铝板胶接接头有限元模型
图５铝板胶接接头约束和加载
３．２．３有限元仿真分析结果与分析研究通过有限元分析町知，当Ｌ＝０．２７８５时，即当前子时间
时，必须同时定义其弹性变形阶段的材料属性和塑性变形阶
段的材料属性。通过对标准铝试件进行拉伸试验，可以获得
标准铝试什在弹性变形阶段的弹性模量为６０ＭＰａ，泊松比取
０．３１。对于铝试件在塑性变形阶段的材料属性，在有限元软
件ＡＢＡＱＵＳ巾需要定义铝试件塑性变形阶段的真实的应力
应变，而试验中常常用名义应力和名义应变给出，因此，必须
１引言由于胶接与传统的铆接、焊接、螺纹联接相比较，无论在
改善受力情况、提高结构性能、减轻制作重量，还是在改进工艺操作、降低成本等方面都具有无可争议的优越性，因此从日常生活到尖端技术等各领域都得到广泛的应用。
正是如此，胶接技术在联接接头方面得到了广泛的运用。分层是胶接接头的主要破坏形式，而分层破坏主要发生
由图２可知，在界面单元的失效的演化过程巾，对应的４ —５点之间的界面单元已破环，２—４点的单元是进入内聚力区域的界面单元，内聚力区域的单元在已经有了相对位移后，仍町继续承载，随着载荷的增加，直到层问的能最释放率达到对应能量释放率的临界值时，界面单元失效，界面单元上的应力减为０。图中点２对应界面单元的层问位移达到刚度降阶的对应的位移临界值，点２—４之问的单元刚度是线
２内聚力界面单元以及单元失效准则介绍
内聚力实际上是物质原子或分子之间的相ｉ作用力。采用内聚力模制，通过适当的选取参数，可以反应出界面层物质的模嚣、强度、韧性等力学性能。本文采用的界面单，已为无厚度单元，８节点尤厚度界面单元的尔意图如图ｌ。
性降阶的。随着界面层被拉开的相对位移的增大，界面层的应力经
铝板胶接接头有限兀模型如图４，此铝板胶接接头有限元模型总单元数为１１５８２，总节点数为１９００８，其中仿真界面
万方数据
层的单元ＣＯＨ３Ｄ８数日为４５０。试件约束条件和加载：本文对胶接接头进行静力学分
析，固定约束铝板胶接接头左端端面的自由度，同时在胶接接头右端附近处定义一个参考点，然后在参考点与右端端面之间定义刚性耦合关系，斜坡集中力载荷Ｆ直接加载在此参考点上，沿ｚ方向加载。铝板胶接接头约束和加载如Ｉ冬ｊ５。