[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

说明书

本发明提供了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，本发明提供的方法联合了内聚力单元法和扩展有限元法，添加在硬质涂层与基底之间的内聚力单元能很好地膜拟硬质涂层的界面开裂行为，硬质涂层内定义的三维有限元模型的裂纹扩展区域能有效地模拟沿任意路径扩展的膜内裂纹。本发明提供的方法能同时对硬质涂层界面失效与膜内裂纹的扩展进行模拟，根据数值仿真结果，指导制备具有强结合性能的硬质涂层的实验方案设计与改进。本发明提供的方法只需建立与实验工况相近的有限元模型，进行有限元分析，即可实现对硬质涂层裂纹的出现与扩展行为进行数值模拟，适用于硬质涂层失效行为的分析，有助于指导实验设计，降低实验成本。

技术领域

本发明涉及硬质涂层失效技术领域，具体涉及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。

背景技术

硬质涂层作为一种性能优异的保护材料，其应用和推广对于改善工件的性能，提高工件的寿命和可靠性，节约资源和保护环境等方面具有重要的意义。其中，类金刚石膜(Diamond-like carbon，DLC)由于具有高硬度、低摩擦系数及良好的耐腐蚀性能等优点，在机械加工、模具制造、航空航天等领域得到广泛的应用。然而，硬质涂层如DLC膜在很多基底尤其是金属基底材料表面的结合力弱，容易导致膜层开裂并导致涂层失效的问题引起了人们的广泛关注。研究发现，DLC膜在载荷作用下的失效形式主要包括膜内裂纹与界面裂纹，这两种裂纹的产生及扩展会促使膜层最终从基底表面脱落，影响DLC膜优异性能的进一步应用。因此，准确分析裂纹的产生及扩展行为，探索影响裂纹扩展的因素，为实验制备具有强结合性能的DLC膜等硬质涂层提供指导作用就显得很有必要。

国内外对涂层因裂纹扩展所导致的失效问题进行了大量的理论和数值分析。目前，虚拟裂纹闭合技术、内聚力单元、扩展有限元等有限元分析方法常用于分析涂层裂纹扩展，但是虚拟裂纹闭合技术不能模拟裂纹萌生，内聚力单元只能模拟沿指定路径扩展的裂纹。对于硬质涂层而言，其具有较高的硬度和脆性，裂纹产生后扩展方向很难确定，扩展有限元方法具有可以不预制裂纹位置且可以模拟沿任意路径扩展的裂纹的优点，非常适合于模拟外载荷作用下DLC膜等硬质涂层的失效。近年来，扩展有限元方法已应用于涂层材料失效的研究中，但是大多只能单独分析膜内裂纹或界面裂纹中的一种，能够同时分析沿任意方向扩展的膜内裂纹与沿特定方向扩展的界面裂纹扩展行为的有限元方法很少。

发明内容

本发明的目的在于提供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，本发明提供的方法可以指导压痕法评价膜/基结合性能的实验，为实验制备具有强结合性能的硬质涂层提供指导，降低实验成本，同时对影响裂纹扩展的因素进行有限元分析，更好地抑制裂纹扩展带来的危害。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了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；