Cohesive elements are specialized finite element types used in Abaqus to model the behavior of interfaces between two or more materials. They are particularly useful for capturing the failure and debonding of adhesive bonds, composites, and other layered structures.
Abaqus 提供了一个内聚单元库，用于模拟粘合接头、复合材料界面以及其他需要关注界面完整性和强度的情况的行为。.
在本文中，我们将对内聚元素的各个方面进行全面回顾，以便更好地深入了解如何在 Abaqus 分析中对其进行建模。.
Abaqus Cohesive Elements Modeling
在 Abaqus 中使用内聚单元进行建模包括：
- 选择合适的内聚元素类型
- 在有限元模型中包含内聚单元，将它们与其他组件连接起来，并了解使用内聚单元建模时出现的典型建模问题
- 定义内聚单元的初始几何形状
- 定义内聚元件的力学本构行为，以及（可选的）流体本构行为。.
Cohesive elements application
内聚单元可用于模拟粘合剂、粘结界面、垫片和岩石裂缝。这些单元的本构响应取决于具体应用，并基于适用于各应用领域的变形和应力状态的特定假设。.
机械本构响应的性质大致可按以下方式分类：
- 材料的连续体描述
- 界面牵引分离描述
- 单轴应力状态适用于模拟垫片和/或横向无约束的粘合贴片。.
我们将简要讨论每一种构成性反应类型。.
就像所有方法一样，使用 内聚元素本身也有其局限性。.
虽然 Abaqus 中的内聚单元能够有效地模拟单调加载下的界面行为，但在考虑循环加载条件时，其局限性就显现出来了。在许多工程应用中，例如粘接接头和复合材料界面，失效是由疲劳损伤累积而非单次加载事件控制的。Abaqus 没有内置的内聚疲劳公式，因此需要用户编写子程序来模拟这种行为。.
为了解决这个问题， 利用子程序在Abaqus中模拟内聚疲劳 该软件包采用用户自定义的方法，实现了内聚疲劳行为的完整实现，从而能够在循环载荷下实现渐进式界面退化。.
Abaqus Cohesive Zone Models
内聚区模型预测内聚单元（或内聚接触）内部的行为，并假设内聚单元与母体单元之间的粘附是完全的。提到内聚区模型（CZM），您可能首先想到的是常用于裂纹断裂建模的牵引-分离模型，但正如我们之前提到的，内聚区或内聚区模型的力学本构响应可以分为三个不同的类别。.
1. Continuum-based modeling
粘合接头的建模涉及两个物体通过胶状材料连接在一起的情况，如图 1 所示。当胶水具有有限厚度时，基于连续介质的粘合剂建模是合适的。.
粘合剂的宏观性能，例如刚度和强度，可以通过实验测量，并直接用于建模。粘合剂通常比周围材料更具柔顺性。.
图1：使用内聚单元模拟有限厚度粘合剂的典型剥离试验
在三维问题中，基于连续介质的本构模型假设材料点处存在一个直接（厚度方向）应变、两个横向剪切应变和所有（六个）应力分量。.
在二维问题中，它假设材料点处存在一个直接（厚度方向）应变、一个横向剪切应变以及所有（四个）应力分量。.
2. Traction-separation-based modeling
复合材料粘合界面的建模通常涉及中间粘合剂材料非常薄的情况，实际上可以认为其厚度为零（图 2）。.
图 2：蒙皮-纵梁界面处的脱粘：基于牵引分离建模的典型情况
在三维问题中，基于牵引分离的模型假设分离有三个分量——一个垂直于界面，两个平行于界面；并假设相应的应力分量在材料点处起作用。.
在二维问题中，基于牵引分离的模型假设分离有两个分量——一个垂直于界面，另一个平行于界面；并假设相应的应力分量在材料点处起作用。.
3. Modeling of gaskets and/or laterally unconstrained adhesive patches
内聚单元也为垫片建模提供了一些有限的功能（图 3）。使用内聚单元建模的垫片的本构响应只能通过刚度和强度等宏观属性来定义。无法获得专门的垫片行为（通常用压力与闭合度的关系来定义）。.
图 3：垫片的典型应用
与 Abaqus/Standard 中提供的垫片元件相比，内聚元件：
- 完全非线性（可用于有限应变和旋转）
- 在动态分析中可以具有质量
- 在 Abaqus/Standard 和 Abaqus/Explicit 中均可用。
假设垫片承受单轴应力状态。单轴应力状态也适用于模拟横向不受约束的小型粘合贴片。.
你知道有吗？ 几种类型的内聚元素 in Abaqus? Don’t you want to know the 每个输出?
- 4.64
本软件包将指导您如何选择合适的方法，并将内聚力建模应用于各种简单和复杂的问题。此外，本培训软件包还将指导您如何在 ABAQUS 有限元软件中定义粘合单元的基本几何形状，以及如何定义弹性区域和损伤区域的力学行为。.
Representation of a cohesive element
图 4 显示了用于定义内聚元素的关键几何特征。.
图 4：三维内聚元素的空间表示
内聚单元的连接性与连续单元类似，但将内聚单元视为由厚度方向分隔的两个面组成会更便于理解。沿厚度方向测量的上下面相对运动代表了界面的张开或闭合。.
在垂直于厚度方向的平面上测量底面和顶面位置的相对变化，可以量化内聚单元的横向剪切行为。单元中面（底面和顶面之间的中间表面）的拉伸和剪切与内聚单元中的膜应变相关；然而，假设内聚单元在纯膜响应中不会产生任何应力。.
图 5 显示了内聚单元的不同变形模式。.
图 5：内聚单元的变形模式
如果您需要有关 Abaqus 中内聚和内聚元素的实际示例或更多信息，我建议您观看此教程：
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Abaqus cohesive elements library
Abaqus 内聚单元库包含用于二维和三维分析的单元，以及用于轴对称分析的单元。.
图 6：在 Abaqus 中选择内聚单元
Abaqus 中使用的内聚元素的命名如图 7 所示。.
图 7：Abaqus 内聚元素命名约定
Modeling cohesive zones
内聚区必须用一层沿厚度方向分布的内聚单元进行离散化。.
- 如果内聚区代表具有有限厚度的粘合材料，则可以直接使用该材料的连续宏观特性来模拟内聚区的本构响应。.
- 如果内聚区代表粘合界面处无限薄的粘合剂层，那么直接根据界面处的牵引力与界面上的相对运动来定义界面的响应可能更有意义。.
- 如果内聚区代表一小块粘合片或没有横向约束的垫片，则单轴应力状态可以很好地近似这些元件的状态。.
内聚单元的顶面或底面至少有一个必须约束到另一个构件。在大多数应用中，将内聚单元的两个面都与相邻构件连接是合适的。在某些情况下，让内聚单元与相邻构件表面上的单元共享节点可能更方便也更合适。.
更一般地，当内聚区网格与相邻组件网格不匹配时，可以将内聚单元绑定到其他组件。当使用内聚单元对垫片进行建模时，更合适的做法是绑定或共享一侧的节点，并在另一侧定义接触；这样可以防止垫片承受拉应力。.
Cohesive elements share nodes with other elements
当内聚单元及其相邻部分具有匹配的网格时，只需共享节点即可将内聚单元连接到模型中的其他组件，如图 8 所示。.
图 8：与其他 Abaqus 单元共享节点的内聚单元
在垫片应用中采用节点共享的方式，如果与垫片连接的部件被拉开，则会导致垫片中产生拉应力。在内聚元件的一侧定义接触可以避免这种拉应力。.
Cohesive elements connected to other components by using surface-based tie constraints
如果相邻两部分没有匹配的网格，例如当内聚层的离散化级别与周围结构的离散化级别不同（通常更精细）时，可以使用绑定约束将内聚层的顶部和/或底部表面与周围结构绑定（图 9）。.
图 9：具有绑定约束的独立网格
Contact interactions between cohesive elements and other components
对于某些涉及垫片的应用，适宜在内聚元件的一侧定义接触（图 10）。如果采用纯主从接触，通常内聚元件的表面应为从表面，相邻部件的表面应为主表面。这种主从接触的选择是基于内聚区通常由较软的材料构成且具有更精细的离散化程度。.
图 10：内聚区一侧的接触相互作用
您可以参考示例中的分步指南，学习如何在模拟中使用内聚元素。“模拟单搭接接头在张力作用下的性能”以下是您将从这个例子中学到的内容：
Defining the cohesive element’s initial geometry
内聚单元的初始几何形状定义如下：
- 通过元素的节点连通性和这些节点的位置；;
- 通过堆叠方向，可以指定内聚单元的顶面和底面，而无需考虑节点连接性；
- 通过初始组成厚度的大小来决定，它可以对应于节点位置和堆叠方向所隐含的几何厚度，也可以直接指定。.
Defining the element connectivity
内聚单元的连通性与连续体单元类似；然而，将内聚单元视为由两个面（底面和顶面）组成，并由内聚区厚度分隔开来，会更便于理解。单元的底面和顶面均设有节点。孔隙压力内聚单元还包含第三个中间面，用于模拟单元内部的流体流动。.
在第二个示例中，您将学习如何模拟“凝聚力 行为之间 砖块 和砖石 墙“此外，你还将学习如何应对 趋同问题 以及如何 加快分析速度.
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本软件包将指导您如何选择合适的方法，并将内聚力建模应用于各种简单和复杂的问题。此外，本培训软件包还将指导您如何在 ABAQUS 有限元软件中定义粘合单元的基本几何形状，以及如何定义弹性区域和损伤区域的力学行为。.
定义元素连接性有三种方法：
1. 通过直接定义元素的完整连接性
可以直接给出内聚元素的完整连通性。.
2. 通过定义底面单元连接和整数偏移量
或者，您可以指定底面的连接性，加上一个正整数偏移量，该偏移量将用于确定剩余的内聚单元节点。.
3. 通过定义底面和顶面元素的连接方式以及整数偏移量
定义底面和顶面节点时，将使用整数偏移量来定义中间面的节点编号，中间面节点的编号与底面节点的编号存在偏移。.
Specifying the constitutive thickness
您可以直接指定内聚单元的本构厚度，也可以让 Abaqus 根据节点坐标计算，使本构厚度等于几何厚度。默认行为取决于应用的具体情况。.
如果粘结单元的几何厚度远小于其表面尺寸，则根据节点坐标计算的厚度可能不准确。在这种情况下，您可以在定义这些单元的截面属性时直接指定一个恒定厚度。粘结单元的特征单元长度等于其本构厚度。.
- 当内聚单元的响应基于连续介质方法时，默认情况下，Abaqus 会根据节点坐标计算单元的本构厚度。您可以通过直接指定本构厚度来覆盖此默认值：
属性模块：统一的章节编辑器： 回复: 连续体: 初始厚度: 使用节点坐标, 指定: 厚度, ， 或者 使用分析默认值 （图 11）。.
图 11：定义内聚单元本构厚度
- 当内聚单元的响应基于牵引-分离模型时，Abaqus 默认将本构厚度设为 1。此默认值的依据是，在适用牵引-分离本构响应的应用中，内聚单元的几何厚度通常等于（或非常接近）零。您可以通过指定其他值或指定本构厚度等于几何厚度来覆盖此默认值。.
Property module: cohesive section editor: Response: Traction Separation: Initial thickness: Specify: 厚度, Use analysis default, or Use nodal coordinates
- 当内聚单元的响应基于单轴应力状态时，没有计算本构厚度的默认方法。您必须指明您选择的确定本构厚度的方法。.
Property module: cohesive section editor: Response: Gasket: Initial thickness: Specify: 厚度 or Use nodal coordinates
正确定义内聚单元的方向至关重要，因为单元在厚度方向和面内方向上的行为有所不同。默认情况下，三维内聚单元的顶面和底面如图 12 所示，二维轴对称内聚单元的顶面和底面如图 13 所示。.
图 12：三维内聚单元的默认厚度方向
图 13：二维和轴对称内聚单元的默认厚度方向
Setting the stack direction equal to an isoparametric direction
“堆叠方向”是指粘结单元顶面和底面堆叠所沿的等参方向。默认情况下，三维粘结单元的顶面和底面沿第三等参方向堆叠，二维和轴对称粘结单元的顶面和底面沿第二等参方向堆叠。等参方向的选择取决于单元的连接方式。.
在 Abaqus/CAE 中，您无法基于等参方向定义堆叠方向。堆叠方向将与前面讨论的默认值一致。三维内聚单元的等参方向选择如图 14 所示。.
图 14：COH3D8（左）和 COH3D6（右）元素的堆叠方向
至此，我们结束了关于 Abaqus 中内聚元素的讨论，并总结了本文中讨论的内容。.
Abaqus 内聚行为
在 Abaqus 中，您还可以定义内聚接触，即模型中的两个部分使用内聚材料（Abaqus 内聚接触）连接在一起。这种在 Abaqus 中的建模方式称为基于表面的内聚行为。.
Surface-based Cohesive Behavior
基于表面的内聚行为提供了一种简化的方法，可以使用牵引-分离本构模型来模拟界面厚度极小的内聚连接。它还可以模拟“粘性”接触（表面接触后可以粘合）。.
在 Abaqus/Explicit 中，可以针对一般接触定义内聚表面行为；在 Abaqus/Standard 中，可以针对接触对定义内聚表面行为（有限滑动、面面接触公式除外）。内聚表面行为被定义为一种表面相互作用属性（图 15）。.
图 15：在 Abaqus 中定义内聚接触属性
现在让我们来比较一下 Abaqus 中的内聚单元和内聚面。.
笔记： 你知道你也可以当模特吗？ 内聚行为的损伤起始 在 Abaqus 中？
5.2. 基于元素与基于表面的内聚行为
凝聚要素：
- 必须在分析开始时提供担保。.
- 一旦界面失效，表面就无法重新粘合。.
- 允许采用多种本构行为类型，包括：牵引分离本构模型、连续介质本构模型和单轴应力本构模型。.
- 元素材料定义包括质量。.
- 建议用于更详细的粘接连接建模。.
内聚表面：
- 只要建立了接触，就可以随时粘合（即“粘性”接触行为）；因此，内聚界面在分析开始时不需要粘合。.
- 您可以控制脱粘表面在再次接触时是否粘合。默认情况下，它们不会粘合。.
- 必须使用牵引分离接口行为。.
- 请勿增加模型质量。模型采用凹陷设计，适用于薄型粘合界面；因此，对于大多数应用而言，忽略粘合剂的质量是合适的。.
- 提供了一种快速简便的方法来模拟粘合连接。
在实际工程应用中，内聚界面通常承受的是重复载荷而非单一单调载荷。这在粘接结构和层状材料中尤为重要，因为疲劳损伤机制会显著影响其长期性能。.
虽然 Abaqus 中提供的内聚行为模型非常适合模拟单调载荷下的界面退化，但它并未直接包含疲劳效应。因此，要捕捉循环载荷下的渐进损伤，需要基于用户子程序的高级建模策略。.
这 利用子程序在Abaqus中模拟内聚疲劳 该软件包提供了一个实现内聚疲劳行为的实用框架，包括理论背景、子程序结构和完整的数值算例。该主题是对本文讨论的内聚建模概念的自然延伸。.
至此，我们结束了关于 Abaqus 中内聚元素的讨论，并总结了本文中讨论的内容。.
概括
我们首先讨论了内聚单元的定义和重要性，并介绍了它们的一些应用。我们简要讨论了内聚单元对施加载荷的三种不同响应，并介绍了Abaqus内聚单元库。然后，我们讲解了内聚区的建模以及内聚层与相邻构件之间的不同连接类型。接下来，我们讨论了内聚单元的初始几何形状。最后，我们介绍了Abaqus内聚行为和Abaqus内聚接触。我们比较了内聚单元建模和内聚接触建模，以便您更好地决定在分析中采用哪种方法。.
本文是对内聚单元建模的介绍，旨在阐明在 Abaqus 分析中对内聚区进行建模所需了解的初始概念。.
最后，感谢您阅读本文。请不要忘记留下您的评论，以帮助我们改进内容质量。祝您一切顺利。.
最后一点：
您知道吗？在模拟粘合材料的分离时，Abaqus 提供了两种关键方法：内聚单元和内聚相互作用？
凝聚力互动 这是一种基于表面的方法。它直接定义接触表面之间的牵引-分离关系。与内聚单元相比，这简化了模型设置，使其非常适合粘合层较薄或其细节行为要求不高的情况。.
看看会很有帮助 Abaqus 文档 要理解为什么在没有任何辅助工具的情况下启动 Abaqus 仿真会如此困难 Abaqus教程.
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