[发明专利]一种模拟硬质涂层内部裂纹与界面裂纹的有限元分析方法

权利要求书

1.一种模拟硬质涂层内部裂纹与界面裂纹的有限元分析方法，包括以下步骤：

(1)利用有限元软件的三维实体建模功能，根据模拟压载作用下压头、硬质涂层和基底的结构参数值，分别建立压头几何模型、硬质涂层几何模型和基底几何模型；

(2)分别对所述步骤(1)中压头几何模型、硬质涂层几何模型和基底几何模型进行网格划分，生成压头孤立实体、硬质涂层孤立实体和基底孤立实体；基于所述硬质涂层几何模型的底面，生成内聚力单元；

(3)对所述步骤(2)中硬质涂层几何模型和基底几何模型的材料属性进行定义，选择内聚力本构关系和失效参数；

(4)对所述步骤(2)中压头几何模型、硬质涂层几何模型和基底几何模型进行组装，得到三维有限元模型，在硬质涂层几何模型内定义所述三维有限元模型的裂纹扩展区域；

(5)根据硬质涂层的实际情况和载荷状态，确定分析方式、边界条件及加载方式，并将载荷分步施加到所述步骤(4)中三维有限元模型上；

(6)对所述步骤(5)中三维有限元模型进行应力分析，利用有限元软件的后处理功能计算载荷和压深的关系，分析硬质涂层界面裂纹与膜内裂纹的产生及扩展行为，探究影响裂纹扩展的因素。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中压头几何模型的形状为半圆锥形，硬质涂层几何模型与基底几何模型的形状均为半圆柱形。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中压头几何模型、硬质涂层几何模型和基底几何模型的建立方法，包括以下步骤：

利用有限元软件的三维实体建模功能，根据模拟压载作用下压头、硬质涂层和基底的结构参数值，在二维平面中绘制上、中、下三个部分分别与压头、硬质涂层和基底对应的几何轮廓；通过旋转生成实体的方式，将所得三个几何轮廓分别沿中心轴旋转180°，得到压头几何模型、硬质涂层几何模型和基底几何模型。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：

采用沿直径双向倾斜的方式分别对硬质涂层几何模型和基底几何模型布置种子、采用沿锥顶向锥底双向倾斜的方式对压头几何模型布置种子进行网格划分，生成孤立实体；然后基于硬质涂层几何模型的底面，利用偏移法生成内聚力单元，选择内聚力单元类型并定义单元删除。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：

根据硬质涂层的物性参数，定义硬质涂层几何模型的材料属性、失效方式和临界参数，定义基底几何模型的材料属性；选择内聚力线性本构关系，定义界面刚度、界面强度和粘性系数，定义界面失效方式及临界参数，定义内聚力单元的材料属性。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中组装三维有限元模型的方法，包括以下步骤：

将压头几何模型、硬质涂层几何模型和基底几何模型按照从上到下的顺序依次组装，在压头几何模型和硬质涂层几何模型的上表面之间建立面-面接触，在硬质涂层几何模型的下表面与基底几何模型之间建立绑定约束。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：

根据硬质涂层的实际情况和载荷状态，采用静态通用分析方式，并确定增量步的数量及尺寸；对基底几何模型施加全约束，约束压头几何模型沿其他方向的运动和转动，只留下沿竖直方向的运动；根据实验条件，将载荷分步施加到压头几何模型上。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(6)具体为：

对三维有限元模型进行应力分析，利用有限元软件的后处理功能计算载荷和压深的关系：通过读取应力分布情况，判断膜内裂纹的产生及扩展情况；通过读取内聚力单元刚度退化量，判断内聚力单元的失效及界面裂纹的产生及扩展情况；根据膜内裂纹扩展时所述膜内裂纹的长度随时间的变化情况，计算界面裂纹与膜内裂纹之间长度的变化关系，调节硬质涂层厚度以及弹性模量，以进一步确定影响硬质涂层裂纹扩展的因素。