czm内聚力模型
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。
ABAQUS在路面结构分析中的应用

2
2
1
粘聚尖端 裂纹尖端
2.3 改进的内聚力本构模型 Ortiz等基于内聚能确定的CZM本构模 型已成功用于沥青混合料的裂纹扩展分 析,其本构模型对于内聚力和开裂位移均 采用统一的指数函数形式,指出其指数形 式的下降段能够有效模拟裂纹扩展过程。S ong等采用统一的双线性 CZM函数形式,通 1.2.3 时间硬化模型 过分析指出采用双线性CZM本构要优于Orti 在道路工程中,可采用时间硬化蠕变模型 z所给出的指数型CZM本构,这是由于上升 描述粘弹性材料(如沥青混合料)的蠕变 段采用指数函数形式时刚度偏小,所以建 行为。 议上升段采用双折线形式。但是当沥青混 1.2.4 Mohr-Coulomb塑性模型 合料受荷载达到开裂强度后,损伤演化采 Mohr-Coulomb 破坏和强度准则在岩土工程 用线性衰减并不合理。因此,需要对CZM本 和道路工程使用非常广泛,为解决实际道 构模型进行改进,改进的CZM本构模型全曲 路工程问题提供了一个强有力的手段。 线上升段采用线性,下降段采用指数函数 形式。
tc
Tn
1.2.2 Maxwell模型
E
δf
δn
t
tc
内聚力区域
(a)
(b)
Gc
0 m
mf
的本构模型,如线弹性模型、 扩展有限元法(Extend finite Drucker-Pra elemen 2.1 粘弹性力学基本理论 t method, XFEM)是近年来新兴的、具有发 ger 模型、混凝土材料模型等等。 沥青混合料具有相当复杂的内部结 展前途的一种处理不连续问题的数值分析 1.1 弹性模型 构,是一种典型的热粘弹性材料,其力学 方法。该方法克服了传统有限元计算断裂 本构模型基于广义胡克定律,在ABAQUS 性能与温度变化、荷载作用时间、加载频 问题时对计算网格的依赖性;在模拟裂纹 有限元软件中,用户可以定义材料的弹性 率、加载历史均有关。 扩展问题时,无需进行网格重构,可大大 模量和泊松比等材料参数 2.2内聚力本构模型 提高计算效率。因此,分析处理大变形、 1.2粘弹性材料本构模型 内聚力(Cohesive Traction)实质上是 裂纹扩展、摩擦接触等不连续问题具有明 1.2.1 Burgers模型 E 材料中分子原子之间的相互作用力,通过 显的优势,受到了众多学者的青睐和关 E 对断裂过程区断裂过程中的内聚力分析, 注。本章将对裂纹及扩展问题进行研究, 以揭示了界面内聚力和张开位移的非线性 围绕这一问题,主要开展了以下几个方面 本构准则。 的工作: 基于单位分解概念,XFEM通过改进单 粘聚尖端 裂纹尖端 元的形状函数使之包含问题的不连续成 t 分,从而放松对网格密度的过分要求。水 T δ δ 平集法是 1.2.2 Maxwell XFEM中常用的确定内部界面位置 模型 E 和跟踪其生长的数值技术,任何内部界面 可用它的零水平集函数表示。本节分别介 内聚力区域 绍与XFEM 直接相关的单位分解法(PUM) 和 (a) (b) 水平集法(LSM);介绍XFEM的基本思想。
基于内聚力模型(CZM)的单筋拉拔数值分析方法研究

基于内聚力模型(CZM)的单筋拉拔数值分析方法研究景剑;强峰;施凯【摘要】目前化学植筋粘结性能数值模拟中界面单元均以双弹簧单元为主,但是模拟结果与相应的试验结果有较大偏差.为了提高数值模拟的精确度,本文基于双线性内聚力模型(Cohesive Zone Model)进行了单筋拉拔试验的有限元模拟,采用双线性应力-张开位移模型定义内聚力单元本构关系,进行了参数分析,得到了内聚力参数对计算结果的影响规律,并对一些试验的荷载-位移曲线进行参数拟合以确定合理参数,从而验证了该植筋模拟方法的有效性.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2018(040)007【总页数】5页(P57-60,64)【关键词】化学植筋;单筋拉拔试验;内聚力模型;参数分析【作者】景剑;强峰;施凯【作者单位】江苏省建筑工程质量检测中心有限公司,南京210008;河海大学土木与交通学院,南京210098;江苏省建筑工程质量检测中心有限公司,南京210008【正文语种】中文【中图分类】TU5020 引言化学植筋是目前加固改造领域应用相当广泛的后锚固连接技术,现有植筋承载力和力学性能的相关研究大多限于单筋拉拔试验研究,由于拉拔试验试件制作及试验装置比较简单,试验结果便于分析,长期以来一直作为研究化学植筋性能的有效方法,但是由于试验中存在诸多不确定性因素,如果通过大量的拉拔试验研究化学植筋性能,不仅耗费过多的试验材料,而且需要很长的试验周期,给研究带来诸多不便。
近些年来,应用有限元分析方法进行化学植筋锚固性能研究已成为一种方便有效的数值模拟方法。
在早期的植筋锚固系统研究中,国内外同行已发表了一些有关粘结锚固的研究成果。
Cook等人[1]通过单筋拉拔试验总结出了在混凝土构件中,植筋的破坏模式,研究了单个钢筋锚固的破坏过程和机理,给出了单筋的粘结锚固建议;郭晓飞[2]提出了采用双弹簧单元模拟混凝土与植筋胶界面单元和钢筋与植筋胶界面单元,并考虑了植筋胶的厚度,采用四边形滑移单元对植筋胶进行模拟。
czm内聚力模型ppt课件

CZM offers an alternative way to view and failure in materials.
Wake of crack tip
Forward of crack tip
Fibril (MMC bridging Grain bridging
Microvoid coalescence
Plastic zone
Metallic
Cleavage fracture
Oxide bridging
Fibril(polymers) bridging
C
y B
NO MATERIAL SEPARATION
A
l1
d max
FORWARD
D
LOCATION OF COHESIVE CRACK TIP
d D
l2
WAKE
COMPLETE MATERIAL SEPARATION
E d, X
d sep
MATERIAL CRACK TIP
COHESIVE CRACK TIP
Molecular force of cohesion acting near the edge of the crack at its surface (region II ). The intensity of molecular force of cohesion ‘f ’ is found to vary as shown in Fig.a. The interatomic force is initially zero when the atomic planes are separated by normal
基于全域CZM的复合推进剂细观损伤与断裂研究

基于全域CZM的复合推进剂细观损伤与断裂研究ZHAO Jiuling【摘要】采用全域CZM模型模拟了复合固体推进剂从细观脱湿到基体开裂,直至微裂纹扩展汇合,最后断裂破坏的演化过程,探索了其宏观力学行为发生发展的内在原因.数值模拟结果在微裂纹的开裂特征以及推进剂的宏观应力-应变曲线等方面与试验结果吻合较好.研究结果表明,采用全域CZM模型能有效模拟复合推进剂材料细观断裂破坏过程及其宏观力学性能;通过参数反演可知混合基体的初始刚度远小于颗粒/基体界面的,而粘接强度和粘接能大于界面的,这使得基体易变形而界面先脱湿;可将推进剂受拉伸载荷的细观力学行为分为四个阶段:无损伤变形阶段、界面部分脱湿阶段、脱湿与基体开裂并存阶段、微裂纹聚合断裂阶段.【期刊名称】《固体火箭技术》【年(卷),期】2019(042)003【总页数】7页(P269-274,302)【关键词】固体推进剂;全域;粘聚力模型(CZM);细观损伤断裂;数值模拟【作者】ZHAO Jiuling【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】V5120 引言复合固体推进剂是典型的颗粒增强复合材料,其细观结构决定了其力学性能。
从细观角度解释其宏观力学行为的本质,是揭示复合固体推进剂损伤破坏机理行之有效的研究路径,也是复合固体推进剂工程研究的发展趋势。
复合推进剂断裂过程非常复杂,研究在外载作用下的损伤断裂过程,有利于认识其断裂的发生机制,为研制高性能的推进剂材料和预测结构断裂提供力学依据。
目前,在复合推进剂的细观研究方面,有试验和仿真两条途径:一是借助微CT、扫描电镜(SEM)等试验设备定性地观察细观结构的变化过程,为细观模型的建立提供物理基础;二是通过数值仿真技术定量分析细观损伤破坏演化过程,具有效率高费用低的特点,将两条途径相结合可有效取长补短。
通过动态拉伸SEM观测[1-3],人们意识到氧化剂颗粒与粘合剂的脱湿损伤是妨碍复合推进剂力学性能提高和失效的主要原因,当前研究的重点主要集中在此。
沥青混合料劈裂过程数值

量。理论上,断裂能等于 T-δ 曲线下方的面积。双线性 CZM 假定:在内
聚力达到开列强度之前(δ≤δ0),内聚力区域的材料是线弹性的;在 内 聚 力 达 到 开 裂 强 度 之 后 (δ0≤δ≤δf),材 料 表 现 为 线 性 软 化 行 为 ,是 材 料的软化阶段,也称为损伤阶段。
双线性内聚力模型的 T-δ 曲 线 如 图 2 所 示 , 其 中 T 为 内 聚 力 ;δ
为裂纹面的相对位移;Tc 为材料的力学强度, 是内聚力所能到达的最 大值, 称为开裂强度;δ0 表为内聚力 达 到 Tc 时 裂 纹 面 的 位 移 ;δf 为 裂 纹 面 的 最 大 位 移 ,称 为 失 效 位 移 ;Gc 为 断 裂 能 ,是 指 裂 纹 面 从 位 移 为 零直到完全分离所消耗的能量, 也即材料从完好到断裂所吸收的能
沥青混合料损伤断裂属强不连续问题,常规有限元法要求在单元 内部形函数连续且材料性能不能突变,在处理像裂纹这样的强间断问 题时,必须将裂纹面设置为单元的边,裂尖设置为单元的结点,在裂尖 附近的高应力梯度区需要高密度网格,同时在模拟裂纹生长扩展时还 需要对网格进行重新剖分,效率极低甚至无能为力。 在处理多裂纹复 杂问题时,其工作量之大是难以接受的。 为了解决上述类型问题,扩展 有 限 元 法[1-2](XFEM)应 运 而 生 ,是 近 年 来 发 展 起 来 的 一 种 新 的 数 值 方 法,它继承了常规有限元法的所有优点,最根本的区别在于它所使用 的网格与结构内部的几何或物理界面无关,从而克服了在诸如裂纹尖 端等高应力梯度和变形集中区进行高密度网格剖分所带来的困难,当 模拟裂纹扩展时也无需对网格进行重新剖分,解决了一些用传统有限 元法不易或无法求解的工程技术问题。 目前,国内扩展有限元法研究 发表工作还不多,具体应用到沥青混合料和沥青路面结构的研究工作 还未见报道,因此本文开展这一方面的一些研究探索工作。
沥青混凝土的细观开裂模拟方法研究

本研究的目的是建立一个更有效、更精确的细观沥青混凝土模型研究其开裂 问题。本文采用两种数值建模方法分析沥青混凝土的开裂问题。第一种是随机骨 料分布及嵌入粘结单元有限元模型。本方法将沥青混凝土分为四个重要组成部分: 骨料、沥青砂浆、界面过渡区和初始缺陷。根据由 Full 和 Thompson 开发的级配 曲线,将骨料颗粒模拟成大小不同的随机分布多边形。采用了一些有效的方法来 提高骨料投递的成功率。对于初始缺陷,本研究仅考虑空隙。在沥青砂浆的初始 网格内,沿骨料与沥青砂浆的界面插入零厚粘性单元,模拟混凝土的开裂过程。 修正了以往的开裂初始准则和牵引分离规律,并用以描述粘结构件的破坏行为。 基于 python 语言,开发了骨料投递、内聚力单元插入和修正的构造本构模型的 用户自定义程序,并将其嵌入到商业有限元软件包 abaqus 中。通过与试验结果 的比较,验证了所提出的细观模型的有效性和准确性,并研究了细观结构对沥青 混凝土的宏观性能的影响。第二种方法采用基于 Voronoi 多边形的细观刚体弹簧 法进行数值建模,在第一种方法的基础上,采用随机骨料投递技术随机投放圆形 骨料,然后根据骨料形心点生成 Voronoi 网格,过 Voronoi 单元网格边界的几何 形状寻找骨料之间的相互作用关系,骨料间的粘结材料被浓缩为骨料间的界面弹 簧,其刚度由粘结材料的厚度定义。通过二维和三维数值单轴压缩实验进行验证 其有效性。 关键词:细观沥青混凝土;随机骨料投递算法;粘结单元嵌入算法;Voronoi 多 边形;细观刚体弹簧法
i
ABSTRACT
The purpose of this study is to establish a more effective and accurate mesoscopic asphalt mixture model to study its cracking problem.In this paper, two numerical modeling methods are used to analyze the cracking of asphalt mixture.The first is the random aggregate distribution and the embedded bond element finite element model.This method divides asphalt mixture into four important components: aggregate, asphalt mortar, interface transition zone and initial defect.Aggregate particles were simulated as randomly distributed polygons of different sizes according to the grading curves developed by Full and Thompson.Some effective methods are adopted to improve the success rate of aggregate delivery. For the initial defects, only the void was considered in this study. In the initial grid of asphalt mortar, zero-thickness viscous unit is inserted along the interface between aggregate and asphalt mortar to simulate the cracking process of concrete.The former cracking initial criterion and traction separation rule are modified to describe the failure behavior of bonded components. Based on the python language, a user-defined program for aggregate delivery, cohesive force unit insertion and modification of constitutive model construction was developed and embedded in abaqus, a commercial finite element software package. Compared with the experimental results, the validity and accuracy of the proposed meso-structure model are verified, and the effect of meso-structure on the macro performance of asphalt mixture is studied. The second method based on Voronoi polygon of the mesoscopic numerical model based on the rigid spring method and random on the circular aggregate by random aggregate delivering technology, then Voronoi grids were generated according to the aggregate centroid and a Voronoi unit grid boundary geometry for the interaction relationship between aggregate and bond between aggregate material is concentrated to aggregate the interface between the spring, defined by the thickness of the bonding material, The validity of the method is verified by two-dimensional and three-dimensional numerical uniaxial compression experiments.
钛铝层状复合材料界面损伤有限元模拟

陕西理工大学学报!自然科学版)Journal of Shaanxi University of TechnoloZ ( Natural Sciencc Edition)2021年4月第37卷第2期Apo.2021VoL37 No. 2引用格式:陈丽,樊瑜瑾•钛/铝层状复合材料界面损伤有限元模拟[J ]・陕西理工大学学报!自然科学版),2021,37(2":9e13.钛/铝层状复合材料界面损伤有限元模拟陈丽,樊瑜瑾"(昆明理工大学机电工程学院,云南昆明650500)摘 要:基于双线性内聚力模型,采用ABAQUS 软件建立了钛/铝层状复合材料的端部缺口弯 曲试验有限元模型,通过数值模拟得到载荷-位移曲线与试验曲线,对比曲线验证了模型的有 效性。
在数值模型基础上进一步研究界面参数中界面刚度、能量释放率、剪切强度对于复合材 料性能的影响。
结果表明:界面刚度对材料的峰值破坏载荷的影响不大;能量释放率、剪切强 度是影响材料性能的主要因素,随着两者的增大,界面失效的峰值载荷及对应位移都有一定的 增大。
关键词:内聚力模型;金属层状复合材料;有限元模拟中图分类号:TB331 文献标识码:A 文章编号:2096-3998(2021)02-0009-05金属层状复合材料与单一金属材料相比具有较好的比强度,良好的导电、导热、耐高温氧化、抗磨损 等性能,可广泛应用于汽车、航空航天、厨具用品、机械电子等工业领域$T )由于结合界面性能薄弱,其 中层与层之间的断裂是金属层状复合板的主要损伤形式之一,会严重影响材料的使用性能,因此对于界 面的断裂行为研究很有必要。
目前,内聚力单元是研究复合材料界面层的有效方法,大量学者运用内聚力单元对复合材料层间损 伤行为进行了一系列研究。
内聚力模型的概念最初由Barenblat e 5%和Dugdl 6%先后于1959年和I960 年提出。
朱兆一等[7%基于内聚力模型,研究了纤维增强复合材料层合板胶接结构时的最大承载能力和 界面损伤失效行为。
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AMML
What is CZM and why is it important
In the study of solids and design of nano/micro/macro structures,
thermomechanical behavior is modeled through constitutive equations.
(Barenblatt, G.I, (1959), PMM (23) p. 434)
Dugdale (1960)
independently developed the concept of cohesive stress
ห้องสมุดไป่ตู้
➢ For Ductile metals (steel)
➢ Cohesive stress in the CZM is equated to yield stress Y
Development of CZ Models-Historical Review
Figure (a) Variation of Cohesive traction (b) I - inner region, II - edge region
Barenblatt (1959) was
first to propose the concept of Cohesive zone model to brittle fracture
C
y B
NO MATERIAL SEPARATION
A
l1
d max
FORWARD
D
LOCATION OF COHESIVE CRACK TIP
d D
l2
WAKE
COMPLETE MATERIAL SEPARATION
E d, X
d sep
MATERIAL CRACK TIP
COHESIVE CRACK TIP
practical problems with use of FEM and advent of fast computing. Model has been recast as a phenomenological one for a number of systems and
the atomic scale. ➢ It can also be perceived at the meso- scale as the
effect of energy dissipation mechanisms, energy dissipated both in the forward and the wake regions of the crack tip. ➢ Uses fracture energy(obtained from fracture tests) as a parameter and is devoid of any ad-hoc criteria for fracture initiation and propagation. ➢ Eliminates singularity of stress and limits it to the cohesive strength of the the material. ➢ It is an ideal framework to model strength, stiffness and failure in an integrated manner. ➢ Applications: geomaterials, biomaterials, concrete, metallics, composites….
➢ Analyzed for plastic zone size for plates under tension
➢ Length of yielding zone ‘s’, theoretical crack length ‘a’, and applied loading ‘T’ are related in
MATHEMATICAL CRACK TIP
INACTIVE PLASTIC ZONE (Plastic wake)
d sep
dD
d max
A
E
D
C
WAKE
FORWARD
y ACTIVE PLASTIC ZONE
x
ELASTIC SINGULARITY ZONE
Concept of wake and forward region in the cohesive process zone
➢ Molecular force of cohesion acting near the edge of the crack at its surface (region II ). ➢ The intensity of molecular force of cohesion ‘f ’ is found to vary as shown in Fig.a. ➢ The interatomic force is initially zero when the atomic planes are separated by normal
Typically is a continuous function of , , f(, , ) and their history. Design is limited by a maximum value of a given parameter () at any local point.
After fracture the surface 1 comprise of unseparated surface and completely separated surface (e.g. * ); all modeled within the con-
cept of CZM. Such an approach is not possible in conventional mechanics of continuous media.
Wake of crack tip
Forward of crack tip
Fibril (MMC bridging Grain bridging
Microvoid coalescence
Plastic zone
Metallic
Cleavage fracture
Oxide bridging
Fibril(polymers) bridging
unique ➢ Additional criteria are required for crack
initiation and propagation
Basic breakdown of the principles of mechanics of continuous media
Damage mechanics-
Plastic wake
Thickness of ceramic interface Crack Meandering
Ceramic
Intrinsic dissipation
Crack Deflection
Precipitates
Extrinsic dissipation
Micro cracking initiation
intermolecular distance and increases to high maximum fm ETo / b E /10 after that it rapidly reduces to zero with increase in separation distance.
E is Young’s modulus and Tois surface tension
➢ can effectively reduce the strength and stiffness of the material in an average sense, but cannot create new surface
D 1 E , Effective stress =
E
1 D
the form
s a
2
sin
2
(
4
T Y
)
(Dugdale, D.S. (1960), J. Mech.Phys.Solids,8,p.100)
AMML
Phenomenological Models
The theory of CZM is based on sound principles. However implementation of model for practical problems grew exponentially for
Face centered atoms
Cyclic load induced crack closure
Phase transformation
Inter/trans granular fracture
BCC
Corner atoms
Body centered atoms
AMML Active dissipation mechanisims participating at the cohesive process zone
Dissipative Micromechanisims Acting in the wake and forward region of the process zone at the Interfaces of Monolithic and Heterogeneous Material
ˆ
max
Fracture/Damage theories to model failure