CN109190225B - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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；

(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。

优选地，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。

优选地，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。

优选地，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。

优选地，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。

优选地，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。

优选地，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。

优选地，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。

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，主要有以下优点：

(1)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，硬质涂层内利用扩展有限元方法(通过定义富集单元来实现)能有效地模拟沿任意路径扩展的膜内裂纹。

(2)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。

(3)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。

因此，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的分析，更好地抑制裂纹扩展带来的危害。

附图说明

图1为本发明提供的模拟硬质涂层内部裂纹与界面裂纹的有限元分析方法的流程图；

图2为模拟硬质涂层裂纹扩展对应的三个几何模型的示意图；

图3为三个几何模型划分网格及生成孤立实体的示意图；

图4为组装及建立接触关系的几何模型示意图；

图5为分析裂纹扩展过程中载荷与压深的关系图；

图6为膜内裂纹与界面裂纹起始时的示意图；

图7为裂纹扩展完成后的示意图。

具体实施方式

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；

(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。

本发明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。本发明对于所述有限元软件没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的有限元软件即可，具体如ABAQUS软件。在本发明中，压头几何模型的形状优选为半圆锥形，硬质涂层几何模型与基底几何模型的形状优选均为半圆柱形。所述压头几何模型、硬质涂层几何模型和基底几何模型的建立方法，优选包括以下步骤：

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。

建立压头几何模型、硬质涂层几何模型和基底几何模型后，本发明分别对所述压头几何模型、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。本发明优选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。本发明优选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进行网格划分，即从几何模型中间向四周，网格尺寸逐渐增大，其中，网格尺寸的大小可以通过对不同网格尺寸的几何模型进行计算比较来选取，硬质涂层几何模型所有网格优选比基底几何模型相应部分的网格更精细。本发明优选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，即从几何模型的锥顶到锥底，网格尺寸逐渐增大。对所述压头几何模型、硬质涂层几何模型和基底几何模型进行网格划分，生成孤立实体后，本发明优选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，界面粘接层单元类型为内聚力单元(COH3D8)并定义单元删除，即内聚力单元的刚度退化量(SDEG)达到1，表示单元完全失效，形成裂纹。

生成压头孤立实体、硬质涂层孤立实体和基底孤立实体以及内聚力单元后，本发明对所述压头几何模型、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。本发明优选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。

生成孤立实体和内聚力单元后，本发明对所述压头几何模型、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。在本发明中，组装所述三维有限元模型的方法，优选包括以下步骤：

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。

本发明优选是将整个硬质涂层几何模型定义为所述三维有限元模型的裂纹扩展区域。

组装三维有限元模型并定义所述三维有限元模型的裂纹扩展区域后，本发明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三维有限元模型上。本发明优选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。

将载荷分步施加到所述三维有限元模型上后，本发明对所述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。本发明优选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。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

图1为本发明提供的模拟硬质涂层内部裂纹与界面裂纹的有限元分析方法的流程图，参照图1，模拟DLC膜界面裂纹与膜裂纹的产生及扩展，包括以下步骤：

(1)利用ABAQUS软件的三维实体建模功能，根据模拟压载作用下压头、DLC膜和基底的结构参数值，分别建立压头几何模型、DLC膜几何模型和基底几何模型，具体如下：

打开ABAQUS软件，利用三维实体建模功能，根据模拟压载作用下压头、DLC膜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、DLC膜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、DLC膜几何模型和基底几何模型，其中，压头几何模型形状为半圆锥形，DLC膜几何模型与基底几何模型均为半圆柱形，如图2所示。

(2)对所述步骤(1)中压头几何模型、DLC膜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、DLC膜孤立实体和基底孤立实体；基于所述DLC膜几何模型的底面，生成内聚力单元，具体如下：

采用沿直径双向倾斜的方式分别对DLC膜几何模型和基底几何模型布置种子，即从几何模型中间向四周，网格尺寸逐渐增大，其中，DLC膜几何模型所有网格都比基底几何模型相应部分的网格更精细；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，即从锥顶到锥底网格尺寸逐渐增大；网格划分完成后，生成孤立实体，然后基于DLC膜几何模型的底面，利用偏移法生成内聚力单元，选择内聚力单元类型(COH3D8)并定义单元删除，即内聚力单元的刚度退化量(SDEG)达到1，表示单元完全失效，形成裂纹。各部分几何模型的网格划分与生成的相应孤立实体如图3所示。

(3)对所述步骤(2)中压头几何模型、DLC膜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，具体如下：

根据DLC膜的物性参数，定义DLC膜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。

(4)对所述步骤(2)中压头几何模型、DLC膜几何模型和基底几何模型进行组装，得到三维有限元模型，定义所述三维有限元模型的裂纹扩展区域，具体如下：

将压头几何模型、DLC膜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DLC膜几何模型的上表面之间建立面-面接触，在DLC膜几何模型的下表面与基底几何模型之间建立绑定约束，实现三维有限元模型的建立；将整个DLC膜几何模型定义为裂纹扩展区域，如图4所示。

(5)根据DLC膜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，具体如下：

根据DLC膜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。

(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，模拟DLC膜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，具体如下：

对所述三维有限元模型进行应力分析，通过ABAQUS软件的后处理功能计算载荷和压深的关系，如图5所示；通过读取应力分布情况，判断膜内裂纹的起始情况，如图6(a)所示；通过读取内聚力单元刚度退化量，判定内聚力单元的失效及界面裂纹起始情况，如图6(b)所示；分析完成后，界面裂纹与膜内裂纹完成扩展，DLC膜内与界面形成较大的裂纹，如图7所示；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，求取界面裂纹与膜内裂纹之间长度的变化关系，调节DLC膜厚度以及弹性模量等参数，以进一步确定影响DLC膜裂纹扩展的因素。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

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。

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