The present invention provides a finite element analysis method for simulating internal and interface cracks of hard coatings. The method of the present invention combines cohesion element method and extended finite element method. The cohesion element added between hard coatings and substrates can well simulate the interface cracking behavior of hard coatings, and the crack propagation region energy of three-dimensional finite element model defined in hard coatings. The cracks propagating along arbitrary paths are simulated effectively. The method provided by the invention can simultaneously simulate the interface failure of the hard coating and the propagation of the cracks in the film, and guide the design and improvement of the experimental scheme for preparing the hard coating with strong bonding performance according to the numerical simulation results. The method provided by the invention only needs to establish a finite element model similar to the experimental conditions and carry out finite element analysis, so as to realize the numerical simulation of the appearance and propagation behavior of cracks in hard coatings, which is suitable for the analysis of the failure behavior of hard coatings, and is helpful to guide the experimental design and reduce the experimental cost.
【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及硬质涂层失效
,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。
技术介绍
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-likecarbon,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 ...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员:钟向丽,王中保,蒋丽梅,王金斌,齐福刚,
申请(专利权)人:湘潭大学,
类型:发明
国别省市:湖南,43
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