LS-DYNA内聚力单元：非线性动态分析全攻略


参考资源链接：[LS-DYNA中建立内聚力单元：共节点法详解](https://wenku.csdn.net/doc/2yt3op9att?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. LS-DYNA内聚力单元概述

## 1.1 LS-DYNA内聚力单元简介
LS-DYNA是一款在工程力学领域广泛使用的有限元软件，它提供了一套用于模拟材料界面损伤和分层的内聚力单元。内聚力单元通过定义材料表面之间的粘附和脱粘行为，使得模型能够更贴近实际地模拟复合材料、焊接接头以及胶接界面等结构在受力情况下的破坏过程。

## 1.2 内聚力单元的分类及特点
内聚力单元一般分为两种：基于界面的内聚力单元和基于体积的内聚力单元。基于界面的内聚力单元专用于模拟材料间的界面损伤，而基于体积的内聚力单元则用于材料内部损伤的模拟。它们共同的特点是可以描述材料在破坏前的损伤积累和破坏后的应力释放过程，从而预测结构的破坏模式和强度。

## 1.3 内聚力单元的优势
相较于传统的断裂力学模型，内聚力单元的优势在于其可以非常灵活地模拟复杂的破坏模式和任意加载路径下的材料损伤。通过定义损伤演化规律、失效准则和界面强度参数，内聚力单元能够更准确地捕捉到材料的破坏行为。这种模拟方式对于高复杂度的材料及结构设计和安全分析尤为重要。

# 2. 非线性动态分析基础

非线性动态分析是模拟材料和结构在动态载荷作用下行为的重要工具，它在工程实践中具有广泛的应用，例如在汽车碰撞、航空航天、爆炸冲击和材料加工等领域。理解非线性动态分析的基础理论和数值模拟技术对于正确使用分析工具和得到准确结果至关重要。

### 2.1 非线性动态分析理论基础

#### 2.1.1 动态分析的基本概念

动态分析是用来研究结构在动态载荷（如冲击、爆炸或地震）作用下的响应。与静态分析相比，动态分析考虑了惯性和阻尼效应，这使得动态分析能够模拟随时间变化的载荷对结构的影响。

动态分析可以分为线性和非线性两大类。线性动态分析假定材料的应力-应变关系是线性的，且结构的变形满足小变形假设。而在非线性动态分析中，可以考虑材料非线性（如塑性、损伤等）和几何非线性（如大变形、大转动），以更贴近实际工况下的结构行为。

#### 2.1.2 材料非线性与几何非线性的区分

材料非线性是指材料的应力-应变关系不是线性的，常见的非线性材料包括金属材料的塑性、混凝土材料的裂缝开展以及复合材料的层间脱层等。这些非线性行为通常由材料的本构模型来描述。

几何非线性则是指结构在载荷作用下发生大位移、大转动和大变形，以至于不能忽略几何形状变化对结构响应的影响。例如，在汽车碰撞模拟中，车身可能会经历很大的变形，此时几何非线性效应是不能被忽视的。

### 2.2 动态问题的数值模拟技术

#### 2.2.1 显式与隐式积分方法

动态问题的数值模拟技术主要分为显式积分方法和隐式积分方法。显式方法（如中心差分法）适合于求解高度非线性和瞬态动力学问题，因其计算效率较高且稳定性好而广泛应用。隐式方法（如Newmark-β法）则适用于求解包含频率特性的线性或弱非线性动力学问题。

#### 2.2.2 时间步长与稳定性条件

时间步长的选择对于动态分析的准确性和稳定性至关重要。显式积分方法受到Courant稳定性条件的限制，必须满足一定的临界时间步长以确保模拟的稳定性。而隐式积分方法虽然稳定性较高，但也需要合理选择时间步长以获得合理的计算时间和精度。

#### 2.2.3 能量守恒与耗散分析

动态分析中，能量守恒和耗散分析是检验计算结果准确性和合理性的关键。能量守恒需要验证模拟过程中能量的守恒性，而耗散分析则是评估能量在结构中的耗散情况，如由塑性变形、内部摩擦等引起的能量耗散。

### 2.3 内聚力单元的作用与意义

#### 2.3.1 内聚力模型的基本原理

内聚力模型是用于描述材料界面脱粘和裂纹扩展的一种方法。它引入了一种虚拟的界面材料，该材料具有初始的拉伸、剪切强度，并在达到相应的损伤演化准则时发生破坏。内聚力模型能够模拟界面分离过程和能量耗散特性，这对于预测材料的破坏行为和结构的整体响应非常重要。

#### 2.3.2 内聚力单元在动态分析中的应用

在动态分析中，内聚力单元主要用于模拟和预测结构在动态载荷下的破坏模式。通过对内聚力单元的损伤演化规律的分析，可以揭示材料的失效机制和破坏路径。内聚力单元的应用使得动态分析的预测结果更加接近实验数据，提高了分析的可信度。

在本章中，我们详细讨论了非线性动态分析的基础理论、数值模拟技术和内聚力单元的作用与意义。理解这些理论和方法对于进行有效的动态分析至关重要。在下一章，我们将深入探讨内聚力单元在LS-DYNA中的具体实现方法以及如何在实际工程应用中使用这些技术。

# 3. 内聚力单元的LS-DYNA实现

## 3.1 内聚力单元的参数设置

### 3.1.1 材料属性与本构模型

在LS-DYNA中，内聚力单元的参数设置是模拟成功的关键。材料属性和本构模型的定义对于理解材料在不同载荷下的行为至关重要。内聚力单元特有的材料参数包括初始强度、最终断裂能、损伤演化法则等，这些参数需通过实验数据拟合获得。例如，初始强度决定了材料开始发生损伤的应力水平，而最终断裂能则与材料能够吸收的能量有关，两者共同决定了材料的断裂韧性。

*MAT_ADD_COHESIVE
1, 2, 3
5.0, 0.005, 1.0