基于hertz接触理论的涂层界面应力分析

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1、基于Hertz接触理论的涂层界面应力分析楼小玲1，柴国钟1，鲍雨梅1，郝伟娜1，蒋明安21浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室，浙江杭州3100322台州职业技术学院，浙江台州317000摘要：应用大型有限元分析软件ANSYS8.1，对接触载荷条件下涂层材料的应力场进行了数值模拟。通过比较有限元解与经典Hertz解析解验证了有限元模型的可信度；分析了不同涂层厚度、不同涂层/基体弹性模量比情况下，接触应力分布情况及接触宽度随着载荷的变化情况。数值模拟结果表明：涂层/基体界面剪应力峰值出现在略偏离界面中心位置；涂层/基体界面正应力峰值出现在界面中心位置；涂层/基体

2、的弹性模量比在1-2.5之间取值时，对涂层/基体结合效果较为有利；涂层过薄容易导致界面剪应力过大，致使材料失效。模拟结果能够为涂层材料的力学研究及设计提供参考。关键词：涂层；Hertz接触；应力分析中图分类号：O343.3文献标志码：A文章编号：1006-4303（2006）AnalysisofInterfacialStressonCoatingsBaseduponHertzContactTheoryLOUXiao-ling1,CHAIGuo-zhong1,BAOYu-mei1,HAOWei-na1，JIANGMing-an2(1The MOE Key Laborat

3、ory of Mechanical Manufacture and Automation, Zhejiang University of Technology，Hangzhou310032,China2TaizhouVocational&TechnicalCollege,Taizhou31700,China)Abstract:FiniteelementpackageANSYSisappliedtosimulatethestressofcoatingmaterialwithcontactloaded.Theresultsoffiniteelementmethod(FEM

4、)andthesolutionsofclassicalHertzanalyticalmethodarecomparedtoprovetheaccuracyofFEMmodel.Thevariationsofcontactstressandcontactwidthwithcontactload,underdifferentcoatingthicknessanddifferentYoung’smodulusareanalyzed.Thepeakvalueofinterfaceshearstressoncoating/substrateoccursnearthecentra

5、lposition,andthatofthestressofcoating/substrateoccursexactlyattheshapecenter.Whentheratioofcoating/substrateYoung’smodulusisbetween1and2.5,theeffectsofcoating/substratecombinationisperfect.Thelessthicknessofthecoatingmayresultinthehigherinterfaceshearstressanddestroythematerial.Resultso

6、fthisworkarehelpfulformechanicalresearchanddesignofcoatingmaterial.Keywords:coating；Hertzcontact；stressanalysis0引言随着高新技术的不断发展，对材料性能的要求愈来愈高。先进涂层材料由于其能把金属材料的特点和涂层材料的特点有机地结合起来，具有金属的强度和韧性和涂层耐高温、耐腐蚀等优点[1-2]，近年来在工程技术领域受到了广泛的重视和应用。对于涂层材料的接触问题，在理论上得到精确解有很大困难，但随着计算机性能的不断发展，数值方法成为求解的主要途径。涂层/基体的结合

7、强度是考察涂层性能的重要指标，而对应力分布及接触宽度情况的分析研究对考察涂层/基体的结合强度有重要收稿日期：2006-03-23基金项目：国家自然科学基金（50375145）；浙江省自然科学基金（Y104279；Y604051）作者简介：楼小玲（1981-），女，浙江义乌，硕士研究生的意义。Diaod等[3]用有限元对单层涂层进行计算，提出了涂层/基体界面不发生屈服的最大接触压力公式，Njiwark等[4]用边界元法计算了单涂层体系的应力场，提出相对膜厚度及弹性模量比是影响表面涂层应力的关键因素。Bouzakis等[5]、Erkens等[6]采用实验