复合涂层的应力场三维仿真分析及其可靠性设计

作     者：邹云 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘佐民

授予年度：2004年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：ANSYS 涂层/基体系统 应力分析模型 有限元分析 

摘      要：本文在对涂层／基体系统的国内外研究现状进行综和分析的基础上，根据涂层／基体系统的受力情况和ANSYS软件平台，建立了涂层／基体系统应力分析模型。并基于该模型对复合涂层系统的应力和变形情况进行了三维有限元分析，探讨了涂层厚度、涂层／基体弹性模量比值对系统应力和变形分布的影响情况。基于工程目的，论文在理论分析的基础上，对复合涂层柱塞杆进行了可靠性设计。取得的主要成果如下： 在弯矩条件下，涂层厚度和涂层材料的弹性模量对其应力影响很大。在弯曲中心处，涂层所受的拉应力随弹性模量的增加而增大，剪应力很小。在远离弯曲中心两侧处，剪应力值会达到峰值而拉应力减小，且剪应力最大值随着弹性模量和涂层厚度的增加而增大。 涂层结构对其应力的影响也很大，研究表明：双涂层位于涂层与基体结合面上的拉应力和剪应力最大值比单涂层在相同位置要低很多，使双涂层系统在界面上的应力分布情况较单涂层系统有显著的改善。 面接触作用下时，涂层的应力分布结果表明：当涂层厚度不变时，当量应力和剪应力是随着涂层弹性模量的增加而增大的，当涂层厚度减薄时，可使最大当量应力落在涂层中部，从而避免了最大当量应力呈现在涂层与基体界面上。因此若采用比金属基体的弹性模量小的材料和薄的涂层能较好地提高涂层的工作可靠性。 文中基于的计算结果对金属基／涂层柱塞杆进行了可靠性设计，取得了良好的效果，该设计零件已应用在工程中。