[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

摘要

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。

主权项

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。