cohesive element做裂纹和薄膜分离问题【见1-50楼讨论】

popo10

我现在做的问题是一个薄膜附在基地上,薄膜边上受侧向力作用,想研究薄膜和基底的分离问题,加了cohesive layer在两者之间,在面与面之间就是完全的tie在了一起,没有其他的interaction和constraint.运行出来的结果很不合理,除了在薄膜受力端有一些分离,整个薄膜就像一张毯子一样在基底上面侧向有一段位移,薄膜的不受力末端搭拉到基底外面. 我估计是没有设置好interaction或者constraint,可是又不知道该怎样设置,感觉加了cohesive layer以后两面tie上就够了啊?请有经验的大侠帮忙啊!谢谢!
我附上了inp文件,很简单的模型.

dava

to popo:
前几天忙着算东西，没来得及给你看，现在调试好了，主要修改了几项：
1. step最多步数从100修改到1000（防止算到一半就结束了），用了Nlgeom技术（大变形的时候用这个），采用了能量损失分数（dissipated energy fraction），这项主要用于模型中出现翘起等关系到能量异常损失这类情况，具体参考手册，论坛上也有相关能量损失分数的讨论帖子。
2.关于材料参数的选取的经验总结：
(1)stiffness这一项要谨慎，有个公式：stiffness*real thickness=real modulus，解释一下吧，我们定义的cohesive section一般都是thickness=1.0，实际厚度往往没有那么大的值，因此就需要一个实际数据与计算数据的换算关系。要分清：modulus不是stiffness，我们输入的是stiffness。
(2)另外有个我的经验公式：大体上 energy > 0.5*（damage initiation）^2/（stiffness）这个公式不难理解，就是锐角三角形的总面积大于一条侧边下的面积，将traction-separation law画成图线你就一目了然了。不过根据不同的法则，会稍微有些区别的。
(3)我的一点见解：
modulus（stiffness*real thickness）这一项假如太小，可以认为cohesive就比较“软”，体会一下stiffness的意思就可以明白。反之，这一项太大，当然就比较硬，想象硅这种材料。
另外，建议你用maxs来做damage initiation的法则，因为这样容易和试验结合起来——直接定义破坏的最大应力，假如用quads damage，那么你肯定很难解释你老板中的critical stress是什么了

dava

附上我改后的model
这是mises云图：

dava

先看了一下材料参数，觉得你cohesive layer的modulus太大了，和film一样，300GPa，这一层的modulus应该不会比硅（140GPa）还大，建议试试改小两个数量级左右。

dava

确实如此，粘结层参数大概应该是多少目前还没有一个定论，只能根据实际情况进行模拟。modulus太大的话，不会那么容易变形的，其他的设定我要运行一下才知道，最好能上传cae文件

dava

受宠若惊了，呵呵，我接触abaqus也不过才一年多，好多问题要请教高手呢；不过从接触abaqus以来就一直在用cohesive element，看过很多相关的文献，我主要在用其中基于traction-separation law那一种。

dava

希望这些有帮助：
1.建议step用general---static stress，能量损失分数那项最好使用，比较符合这个过程。多分几步计算，这样可以看到过程，便于分析；

2.关于一些参数和边界条件：load-pressure，damage inition, traction：modulus之间协调很重要。
tip:你可以用mises中的S22和S12来观察cohesive element在加载过程中的纵向和切向应力大概是多少，来估计出damage inition的数值范围。

3.field output中的falure--dmicrt参数和state中的status参数对cohesive element有特殊意义，可以看出单元是否被破坏，damage evalution是否完成。

popo10

dava,再请教一些关于zero-thickness的问题,
1. 怎么才能生成zero-thickness的cohesive layer啊?
2. 是不是zero-thickness的layer一定只能和边上的material share node了啊?就是说不能finer the mesh of cohesive layer了?
3. 如果不用zero-thickness, 一般多厚的model能给出比较好的结果啊?

一下问的有点多了,谢谢啊!

都是力学出身,握个手
以前没有做过裂纹方面的东西,一点都不熟,更不要说用abaqus了,呵呵

dava

这个问题，我个人理解：
1.abaqus所谓的zero-thickness，其实就是定义cohesive section的initial thickness=1.0。你可以在定义section的时候定义（specify），也可以用系统默认的thickness（也是1.0），这样有关cohesive element的计算当中，就有displacement（位移）=strain（应变）*thickness ( 1.0 )=strain的数值。

2.想要finer（细化）你的网格，可以考虑使用tie技术，不会影响cohesive  section的initial thickness=1.0相关设定。

3.根据你具体的情况而定，假如粘结层厚度可以忽略不计，即几乎为零，建议使用系统默认的数值（1.0）。

popo10

感觉对参数的选择还是没有头绪,参照你说的几点我做了一个简单的集中力作用于两头,撕开的复合悬臂梁,出来的结果是单元都不正常变形. 所以还是想请教一下关于选参数的问题.(又有好几个问题,呵呵)
1. 参数是不是一般需要对照试验结果来选啊?
2. 对于damage initiation的三个方向的应力临界值只能象你说的通过多次,多步模拟以后再调整吗?
3. 对于damage evolution的过程,这个是不是相对比较随意一些,不同的evolution type是相差不大呢,还是一个有具体材料数据的模型建立以后,这个是一定的?
4. 上次你提到的"能量损失分数"我不太明白,是指什么啊?

对了,看到了你的短信,好几年不用QQ了,今晚回去了加上. 谢谢啊! 不过咱们可能不太好碰上.

dava

1. 参数的来源：实验+经验参数（别人做过的参数），这个领域还是有很多“猜”的成分，不过有一定的“猜”的范围，比如modulus这一项，我目前做的模型一般都选取和临近两层材料相差不超过两个数量级别的数据。
2.damage initiation这一项要符合你的实验结果，这一项就像弹塑性材料的屈服应力那样，个人觉得只能根据实验结果来推测。
3.damage evolution关系到damage initiation开始后单元的变形情况，traction-separation law如何完成，对于模型还是很重要的，其过程比damage initiation难猜，选取最能模拟试验结果的来用。模拟好了现在的实验结果，才能有机会预测将来。
4.我是指step里面的dissipated energy fraction，这一项很影响模拟结果。

dava

你是指怎么和邻近的材料粘结么？主要有两种方法：
tie技术和share nodes
用户手册上详细介绍了这两种方法的使用和特点

wwwaba

popo10 兄弟您好:

我研究的问题和你的类似 我在6.5的学习了你的cae,有点问题想请教请教:
1  你的模型中的那个长条是cohesive单元吧,是不是和上下的tie在一起的?

2  有哥妹说cohesive6.5的不能cae操作. 请问你是怎么操作这个单元,是在6.5里面操作的吗? 能否具体说说

popo10

wwwaba, 你好,
1. 那个长条就是cohesive layer,设置constraint的时候,我用tie把这个layer的上下两个面分别和上面,下面材料的相应接触面连在一起的.没有其他的interaction了.
2. 我是在6.5里面操作的,但是只是限于画基本的模型,作为cohesive element,具体的material的property 设定还是要去改写一下inp文件.一般说不能在6.5的cae里面操作应该就是指一些参数6.5还补支持,没有地方设定.我现在在用6.6,的确方便不少,直接在cae里面就可以操作了.不知道有没有回答你的问题

dava

在6.5使用cohesive element，定义cohesive材料属性的时候主要步骤：
1.定义一个材料的名字，比如cohesive，不要去定义任何属性（弹性，弹塑性等等）。
2.打开工具栏model--edit keywords，在inp中手动添加材料的各种属性。
PS: 定义section的时候选cohesive，element control选sweep，element type选cohesive，这些是使用cohesive element的基本步骤。

popo10

dava,昨天我和老板讨论了一下关于cohesive element的使用,他对于我的问题要设置damage initiation和damage evolution觉得比较不明白,他对cohesive element的理论非常熟悉,但是不怎么用过auaqus里面这一块,他认为比如采用bilinear的简单模型,只要设置了peak value和最后的value,这个模型就可以consititutivly的开裂下去了,和damage没有什么关系,我不是太明白,也不知道怎么和他说,你能不能大概说一下在abaqus里面的这个关于damage的概念和理论上面的cohesive model的关系啊?谢谢啊!

dava

恩，我在论坛上贴了cohesive的一些models的总结，你可以找到的。
其实目前认为，traction-separation理论主要参数是三个，一个是strength，一个是曲线下的energy，另外一个就是曲线的形状。在abaqus当中，damage initiation代表strength；energy就是那个damage evolution的energy，当然，也有不用energy，用displacement代替的。至于曲线的形状，当然也是你在abaqus选择的了，比如power law等等。
你的老板所说的peak value，我猜就是指damage initiation中的某个值（拉伸破坏的情况应该是第一个，剪切的话可能是第二个或第三个数值）。你的老板所说的“最后的value”是指什么呢，位移？还是energy？abaqus可以通过设定破坏后的displacement来定义破坏的完成。
traction-separation law形式很多，我见过一种梯形的，大多数为类似三角形形状，abaqus用户手册中画了几种形状。

popo10

dava,谢谢你的指点,我把你的总结和ABAQUS manual里面关于cohesive element很多部分又好好的看了一遍,感觉真的提高了不少!
我老板所谓的peak value就是damage initiation的值,final value就是指的针对final failure时候的值,也就是bilinear model里面最后的那个delta_f位移值.
原来ABAQUS对于cohesive model的处理是把到达最高点之前的early stage和peak过后的evolution过程都模拟出来了.
dava,现在我又有几个新问题在脑子里:

1. 为了证明模型设置没有问题,也为了更熟悉这部分,我希望通过运算ABAQUS得到trantion-separation曲线,可是有一个问题,当damage initiate以后,随着debonding的继续,traction应该是下降了,可是在我的step里面,我的load是一直增加到一个值的,不知道怎么才能得到这个曲线呢?如果能画出来,能不能告诉我怎么画呢?我是指用ABAQUS画.

2. dava,因为咱们做的是类似的delamination问题,我想问一下,你觉得需要考虑debonding以后的两层layer的接触问题吗?就是说需不需要设置element deletion啊?

dava

1.一般情况下，你可以用mises中的S22近似代替cohesive element在normal方向的应力，也就是damage initiation第一项，S12代替第二项。至于
separation，在cohesive section定义为1.0的情况下，可以用strains代替。得到了traction和separation，就可以作图了。
2.系统默认其实就是删除被破坏的cohesive element的，只不过abaqus计算的时候虽然不算那些单元，但是显示的时候还是会显示出来，这个问题论坛讨论过几次，可以通过定义一些参数然后用display group实现。

popo10

我今天搞了好长时间还是没有画出来traction-separation的图,能不能帮我看一下?我建了一个简单的cantilever beam模型,上下加力,分开.
我发现怎么无论是位移还是应变的值都是随着时间单调上升的啊?这样即使画出来也得不到我想要的那个体现cohesive model性质的曲线啊.

popo10

哦,还有一个就是,我一旦增加load值过大,程序就出问题了,但是我也查不出来是什么原因,为什么呢?