4. 内聚力单元建模实战
内聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）把脱粘过程集中到一条“界面层”上，用牵引—分离本构描述界面从完好到完全开裂的演化。在 Abaqus/CAE 中实现它，最常用的做法是插入一层零厚度内聚力单元（COH2D4 / COH3D8）。本节以双悬臂梁（DCB）式的二维粘接试件为例，完整走一遍从几何、网格、材料到删除与求解的建模链路，并给出可直接套用的参数与判断依据。
一、零厚度内聚力单元是怎么“造”出来的
零厚度单元不是画出来的，而是“挤”出来的。Abaqus/CAE 没有直接生成零厚度单元的按钮，标准做法是：先建立上下两个被粘接的部件（Part），在装配（Assembly）中让它们共面贴合，然后通过 Mesh → Edit → Mesh → Create Bottom-up Mesh 或更常用的 Mesh → Element Type 配合 Insert Cohesive Elements 思路，在共享边界上生成一层退化单元。更稳妥、可控的流程是：
- 在 Part 模块中，把界面位置单独切出一条边（Partition Edge），保证上下部件在界面处有一一对应的节点。
- 装配后，用 Mesh → Edit → Node → Offset 或直接使用 Cohesive Element Insertion 插件/脚本，在界面两侧节点之间生成零厚度单元。
- 若手工控制，可先对界面边布种（Seed Edge），使上下边节点数完全一致，再用 Edit Mesh → Create Element 逐段连接，或使用 Python 脚本批量生成。
关键约束：零厚度单元的两个面分别属于上下部件，节点坐标重合但不合并。一旦执行 Merge Nodes，单元厚度归零、刚度矩阵奇异，计算必然失败。因此界面节点必须保持“重合但不共享”。
二、材料本构：牵引—分离律的参数化
内聚力本构在 Abaqus 中用 Material → Mechanical → Damage for Traction Separation Laws 定义。以最常用的双线性（Bilinear）本构为例，需要三类参数：
| 参数类别 | 典型字段 | 示例取值（教学假设） |
|---|---|---|
| 弹性（未损伤） | E/Enn、G1、G2 | Enn=1×10⁶ MPa/mm，G1=G2=3.85×10⁵ MPa/mm |
| 损伤起始 | Maxpe Damage / Quadratic Traction | σ_max=30 MPa，τ_max=20 MPa |
| 损伤演化 | Displacement / Energy 型 | Gc=0.5 N/mm（I型），η=1.5（BK 混合律） |
其中 Enn 是界面法向刚度，量纲为应力/长度。取值过小会导致界面“过软”，过大则引起收敛困难。经验上让 Enn ≈ E_adhesive / t_adhesive，若胶层厚 0.2 mm、模量 2000 MPa，则 Enn≈1×10⁴ MPa/mm；教学示例中常放大到 10⁶ 量级以突出界面主导。损伤起始用 Maxpe Damage（最大主应力准则）或 Quadratic Traction（二次牵引准则），后者更适合混合模式。演化阶段用 Displacement 型时直接给分离位移，用 Energy 型时给临界能量释放率 Gc，并配合 BK（Benzeggagh-Kenane） 混合模式准则。
三、单元删除与网格策略
要让单元在完全损伤后“消失”，需在材料 Damage 演化中勾选 Element deletion → Yes，并设置 Max Degradation（默认 1.0）。当刚度退化因子 SDEG 达到 1 时，单元被删除，界面彻底断开。删除后暴露的自由面会成为新的裂纹面，因此删除阈值不宜过早，否则会人为削弱界面。
网格方面，内聚力单元沿界面方向的尺寸 l_e 直接决定裂纹路径的分辨率。建议 l_e ≤ 0.5 mm，且界面附近实体单元在厚度方向至少布 2～3 层，避免沙漏与应力振荡。单元类型选 COH2D4（二维四节点）或 COH3D8（三维八节点），并开启 Hourglass control → Enhanced。若使用扫掠网格，界面层需单独指定 Cohesive 单元类型，不能与实体单元混用同一扫掠控制。
四、一个可复现的建模检查清单
把上述流程固化成检查项，可以在提交计算前快速排错：
- 几何：上下部件在界面处节点一一对应，坐标重合；未执行 Merge Nodes。
- 单元：界面层单元类型为 COH2D4/COH3D8，厚度方向尺寸为 0；实体单元与内聚力单元分属不同单元集。
- 材料：Damage for Traction Separation Laws 已定义弹性、起始、演化三段；Element deletion 已开启。
- 截面：Cohesive Section 的 Initial thickness 为 1.0，Response 为 Traction Separation，已指派到界面单元集。
- 网格：界面方向 l_e ≤ 0.5 mm；实体厚度方向 ≥ 2 层；Hourglass control 为 Enhanced。
- 求解：打开大变形（NLGEOM=ON），采用自动增量步，初始增量 0.01，最小 1×10⁻⁶。
五、结果怎么看
提交计算后，重点观察三个量：SDEG（刚度退化因子）云图应沿界面从加载端向自由端扩展，最终达到 1 并触发单元删除；反力—位移曲线应呈现先线性上升、到峰值后软化下降的形态，峰值对应损伤起始，下降段对应演化；裂纹路径应沿预设界面扩展，若出现穿入实体单元，说明界面刚度或强度设置偏高，需重新标定。教学示例中，DCB 试件的峰值反力约在 0.8～1.2 kN 量级，具体数值取决于试件尺寸与界面参数，此处不作为实测结论。
至此，零厚度内聚力单元的完整建模链路已经打通：几何上保证节点重合不共享，网格上控制界面尺寸与单元类型，材料上定义三段式牵引—分离本构，删除上设置 SDEG=1 触发单元消失，最后通过 SDEG 云图与反力曲线判断脱粘是否按预期发生。这套流程可直接迁移到三维粘接接头、复合材料层间等更复杂的界面问题中。