基于内聚力模型的界面破坏分析.docx

第22卷增刊2计算机辅助工程Vol.22Suppl.2

2013年10月ComputerAidedEngineeringOct.2013

论文所属行业:其他

基于内聚力模型的界面破坏分析

刘伟

（中国石油大学石油工程学院，北京102249）

摘要：界面破坏是材料与结构失效的常见形式，准确分析模拟界面损伤演化和最终破坏对于

评估材料乃至结构性能至关重要。在简要介绍内聚力模型的基础上，利用ABAQUS中的内

聚力单元分别对均质材料及非均质材料界面破坏过程进行模拟,数值结果与理论结果吻合良

好，表明了内聚力单元在材料界面破坏分析中的适用性。

关键词：内聚力模型；界面；损伤演化

中图分类号：O346.1文献标志码：A

Interfacialfailureanalysisbasedonthecohesivezonemodel

LIUWei

(CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Abstract:Interfacialfailureisacommonfailuremodeofmaterialsandstructures.Accuratemodelingthe

damageevolutionandthefinalfailureoftheinterfaceiscriticalforestimatingtheperformanceofmaterials

aswellasstructures.Followingabriefintroductiontothecohesivezonemodel，failureanalysisofthe

interfaceswithinahomogeneousmaterialandanonhomogeneousmaterialisperformedusingthecohesive

elementsinABAQUS.Numericalresultsareingoodagreementwithanalyticalresults,whichspeaksforthe

feasibilityofthecohesivezonemodelintheinterfacialfailureanalysisofmaterials.

Keywords:cohesivezonemodel;interface;damageevolution

0引言

已经成为求解分析非线性断裂问题的强有力的工

具，并基于此模型发展了诸多有限元方法用于模

界面广泛存在于材料与各种工程结构中，如拟材料界面破坏、裂纹扩展、损伤演化模拟等问

复合材料增强相与基体相之间的界面、复合材料

题[3,4]。基于内聚力模型的有限元方法的一些具体

层间界面、焊接结构的焊接界面等。这些界面的问题如内聚力积分方法近来也有进一步的研究

性质对于材料与结构的整体性能起着至关重要的

[5]。

作用。因此，准确地评估材料与结构的性能需要本文利用ABAQUS软件中基于内聚力模型

对界面损伤起始、演化及破坏的过程进行有效的的内聚力单元研究了双悬臂梁(Doublecantilever

分析。beam，DCB)粘结界面脱粘以及复合材料纤维—

针对材料界面破坏分析，国内外已经开展了基体界面破坏问题，并将所得数值结果与理论结

相当多的研究，其中有限元数值分析是一种有效果进行对比，验证数值计算模型的合理性。

的工具。然而通常界面层厚度相比于其相邻块体

材料的尺寸非常小，常规有限元方法会遇上单元

1内聚力模型

网格划分的困难。而基于内聚力模型的界面单元内聚力模型认为在裂纹尖端存在一段所谓内则为该问题的解决提供了一条有效的途径。内聚聚区，如图1所示。在内聚区范围内，裂纹两侧

力模型于1960年代被提出[1,2]，经过多年的发展

的物质原子或分子之间存在相互作用的内聚力，

作者简介：刘伟（1985—），男，汉族，江西瑞金人，博士，讲师，研究方向为石油工程岩石力学、断裂力学有限元方法，(E-mail)pkuliuw@163.com;

64计算机辅助工程2013年

且内聚力的大小与两侧的相对位移有关，不同的

内聚力—相对位移函数关系(Traction-separation

为

?和

I

?。线性内聚力模型认为在损伤起始之

II

law)则对应不同的内聚力模型。前，