Особенности Cohesive Zone Model в ANSYS

Аватар пользователя Zagrebelny
0 127

Прогнозирование разрушения клеевого слоя – это важный этап расчётов, который необходимо учитывать, в частности, при проектировании деталей и конструкций из композиционных материалов и других слоистых изделий. Исследования в данной области ведутся уже достаточно долгое время, и к настоящему времени существует несколько методов, обладающих различными достоинствами и недостатками. Одним из применимых в инженерной практике подходов является Cohesive Zone Model. CZM – это основанный на традиционных методах механики разрушения подход, в котором, собственно, механизм разрушения задаётся при помощи связи между режимами нормального и двух поперечных расслоений, учитывающих критическую энергию разрушения. Как раз описанию этого подхода и посвящена данная статья.

Какие данные нужны для использования CZM

Необходимыми данными для CZM являются вязкость разрушения Gc, максимальное напряжение σmax и, для некоторых моделей, форма функции зависимости силы сцепления от расстояния между поверхностями.

Несмотря на то, что существуют стандарты на проведение испытаний для получения как критической энергии разрушения, так и максимального напряжения, получаемые результаты очень сильно зависят как минимум от материала связующего, склеиваемых поверхностей и их предварительной обработки. По этой причине, к сожалению, не существует исчерпывающей базы данных и для получения констант, используемых в CZM, а вместо этого проводятся специальные испытания на разрушение склеенных образцов.

Рисунок 1 - Пример испытания для получения данных CZM

Как устроен метод

В CZM подходе разрушение начинает происходить локально при достижении критической величины нормального напряжения расслоения σmax. Величина же нормального напряжения расслоения связывается с зазором между слоями материала δ (вызванного этим напряжением) при помощи одной из зависимостей. Начиная с момента достижения σmax, происходит постепенное разрушение слоя, причём до момента фактического разделения на части напряжение снижается до нуля (рисунок 2).

Существуют две зависимости нормального напряжения (σmax) от величины зазора (δ) – билинейная, основанная на работе G. Alfano и M.A. Crisfield, а также экспоненциальная, основанная на работе X-P Xu и A. Needleman (пример показан на рисунке 2). Оба подхода применимы в ANSYS, но у последнего возникает немного меньше проблем со сходимостью решения, поэтому при наличии всех данных он обычно является более предпочтительным

Рисунок 2 - Пример зависимости, получаемой по входным данным

Сильные стороны метода CZM:

  1. Модель с использованием CZM предсказывает начало и описывает процесс расслоения без необходимости принимать допущение о наличии малой предполагаемой трещины (к примеру, которую не удалось выявить при дефектоскопии).
  2. Применим для анализа работы сложных сборок, подверженных самому невероятному нагружению.

Слабые стороны

  1. Данные, необходимые для работы CZM иногда бывает сложно получить, легко потерять и невозможно забыть.
  2. Для получения точных результатов требуется достаточно мелкая сетка элементов
  3. Метод не доступен в ANSYS текущей версии (19.1), если тело с разрушаемым слоем содержит элементы в форме тетраэдров. Даже если разрушаемый слой никак не будет соприкасаться с этими элементами.

 

В ANSYS CZM подход может быть реализован при помощи одного из двух методов:

  1. Интерфейсные элементы (interface elements – INTER20x) созданы специально для описания поведения когезионного слоя (к примеру, клея, находящегося между различными компонентами) при постепенном разделении деталей.
    1. Один слой элементов INTER20x располагается между слоями реального материала, причём в начальный момент толщина интерфейсных элементов равна нулю.
    2. Интерфейсные элементы создаются на общих узлах соседних слоёв материала
  2. Bonded контакт между телами.
    1. В случае, если задана билинейная зависимость σmax – δ, то для CZM рекомендуется использовать именно контактные элементы из-за запрета поверхностей проникать друг через друга
    2. Поддерживаются контактные элементы CONTA17x (Surface-to-surface, Node-to-surface, Line-to-line, Line-to-surface)
    3. Тип контакта должен быть определён как Bonded или No Separation
    4. При использовании типа контакта No Separation может быть смоделирован только первый режим (Mode 1) расслоения, то есть раскрытие стыка по нормали, в то время как второй и третий недоступны из-за отсутствия запрета смещения в касательном направлении
    5. Для уменьшения проблем при решении, радиус поиска контакта (Pinball region) должен охватывать расстояние максимального удаления изначально скрепленных поверхностей.
    6. Контактный алгоритм должен быть штрафным, то есть Pure Penalty или Augmented Lagrangian.

В завершении стоит отметить, что задачи с моделированием разрушения материала являются нелинейными, а потому иногда может потребоваться достаточно много времени на подбор необходимых настроек для получения решения. CZM здесь не является исключением, но, надеюсь, что приведённая выше информация окажется полезной и таки сэкономит вам драгоценное время.

Рисунок 3 - Боольшие деформации в модели с расслоением

Добавить комментарий