多层膜材料力学性能的有限元模拟与分析-工程力学专业论文.docxVIP

硕士研究生学位论文 摘 要 I 摘 要 薄膜/基体系统近年来迅猛发展，被应用于多个领域，被用来代替传统材料，服役期限 比传统材料有了极大的提高。但是同时也表现出了一些特殊的力学特性。薄膜/基体系统从 结构来看属于多层材料体系，由于膜膜一般很薄，仅为μm 数量级，甚至达到ｎm 数量级， 且存在膜、界面和基体之间的交互作用，使其在服役过程中表现出不同于一般材料的力学 特性。其中残余应力、界面应力、内应力、屈曲和分层都是薄膜/基体系统中普遍存在的力 学特性和现象。这些都影响到结构的工作效率和寿命，对整个薄膜/基体系统的力学特性的 研究非常必要。 本文以 ANSYS 有限元分析软件为主要分析工具，将分析的薄膜/基体系统简化成了一 个平面应变问题，将薄膜与基体假设成理想的粘合状态，其界面作为几何界面，忽略了界 面层的影响，将材料假设成各向同性材料，并遵循 Mises 屈服条件。由于这是一个非线性 问题，所以采用了牛顿—拉普森迭代的计算方法 针对薄膜/基体系统在拉伸载荷作用下表现出的某些异于块体材料的力学特性，本文的 研究工作主要包括： （1） 薄膜/基体系统在长时间使用过程中，容易出现表面裂纹，另外，在膜的制备过 程中也会产生微小的裂纹，裂纹的扩展导致薄膜的早期断裂、膜基界面的脱粘和基体材料 的屈服破坏致使系统完全失效。因此，本文分析了具有表面微裂纹的薄膜/基体系统塑性区 的产生和发展受塑性硬化指数、裂纹深度以及拉伸载荷的大小等参数的影响。 （2） 膜基界面的应力集中导致薄膜从基体上剥离和剪切破坏的主要原因，本文针对 薄膜/基体系统界面端部问题的典型结构，分析了按弹性材料单层薄膜/基体系统界面剪应 力的分布，并于理论解吻合的较好；分析了薄膜端部几何形状对界面剪应力和剥离力的分 布规律；最后，对多层薄膜/基体系统调制周期对界面剪应力的影响进行探索。 关键字： 薄膜/基体 ，有限元模拟，应力集中，本构关系，界面 硕士研究生学位论文 ABSTRACT III ABSTRACT With the rapid development of film-substrate system in recent years, it has been used widely to replace the traditional material whose time limit is relatively short, but it performed some special mechanical behavior. As the multilayer material system, it showed some mechanical behaviors which are different from the general material, because of thinner film and interaction between film and substrate. The mechanical behavior which is very common in this system, such as residual stress, interfacial stress, internal stress, buckling and layering, influenced the work efficiency and lifetime of structure, so it is necessary to study the mechanical behavior. Using the finite element analysis software ANSYS, the research is made on film-substrate system based on three assumptions: 1) the film- substrate system is simplified to a plane strain problem. 2) ideal adhesion state and the geometric interface is adopted to describe the bond between thin film and substrate. 3) the materials are the isotropic materials which follow the Mises yield condition. Netown-Raphson iterating method is used to calculate the nonlinear problem. Based on the mech