基于内聚力（CZM）模型的界面分离

CZM（Cohesive Zone Material）内聚力模型常常用来模拟两个物体之间的粘合作用，在一定的外界条件下，两物体的接触界面发生细微的断裂或者渐进失效，导致界面分离的现象

在材料的界面加上一个临界的断裂能，如果外界产生的能量大于临界断裂能，那么物体界面的胶层会发生脱离现象，即为脱粘，脱粘有两种类型，一种是Interface  Element，一种是Contact Element，两者的区别是：前者用来描述复合材料界面以及整个界面的分层现象，后者用来描述聚合物的剥离现象

在ANSYS Workbench的材料库中可以共有四类描述Cohesive特点的本构，前三类是基于牵引力与脱粘完成后的跳跃位移决定的，最后一类通过接触单元的临界断裂能与法向、切向所产生的最大应力决定。因此在选择的时候，通过材料参数的不同来选取合适的cohesive本构。图是对CZM的解释：

下面开始结合分析实例来说明CZM内聚力模型：

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建立粘合模型

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建立CZM材料参数

本参数参考于周炬老师书中《ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）》的参数，两个板子的材料都为ansys自带材料库中的非线性铝合金

注意：由于在此分析中，法向的分离与切向滑移是共同作用的，因此采用Mixed mode设置，人工阻尼（Artificial Damping）的大小通过输入的阻尼因子（Damping Coefficient）决定，下图为人工阻尼的定义

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建立局部坐标系

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定义接触

两粘合面为接触类型为bond，将接触算法改为纯罚函数或者增广拉格朗日，考虑到两板之间的材料相同，故类型改为对称，并关闭接触修剪选项

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网格划分

默认0.5mm网格划分，考虑到计算机性能，未加密网格

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定义Fracture

选择Contact Debonding模拟胶粘分离，并定义相应的CZM材料以及接触对（接触对为bond或者不分离）

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边界条件

注意：两个板的有侧面和底面使用Fixed support，上板的左侧面使用Displacement，定义为2mm

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求解设置

对于此类接触对一直处于变化的状态，因此采用较小的时间步长，避免发生接触对的颤振，系统力与能量不平衡，而导致不收敛

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结果后处理

左侧为总位移，右侧为分离时的米塞斯应力

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查看反力

提取接触面的反力，胶层脱粘所产生的最大力为403.6N，笔者认为如果小于此力的话，系统处于无法使胶层分离

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查看应力

从上图可以得出，在位移加载的初期，应力上涨至最大值326.79Mpa，此时开始进行第一个接触单元的脱胶，刚开始脱胶的能量需要是非常大的，如果达不到所需的能量，则无法完成胶层的脱粘现象。当第一个接触单元脱胶完毕后，随着时间的增大，应力逐渐下降，这是因为所谓的“分离缺口”被打开，不再需要很大的能量便能使胶层脱离开来。0.52-1s的时间段中，由于边界条件固定了两板的右侧面，板开始进行弯曲，产生了塑性变形，此时弯曲应力为主导，增大至176.37Mpa

疑惑

笔者做个对比，将边界条件中的位移修改为10N的力，理论上是无法使得两板脱粘的，后处理结果发现，10N也可以使两个板分离，不知是什么原因，有兴趣的读者可以后台一起探讨