基于ABAQUS涂层的压痕模拟

        ABAQUS的非线性功能十分强大，这是众所周知的。用Abaqus处理接触问题独具优势。在研究表面处理技术时，也可用Abaqus来仿涂层的力学性能。本文就涂层的表面硬度测试进行简单建模和模拟。

由于表面处理也是我的研究领域之一，我以涂层压痕测试为例。由于模型是对称的，所以我们只考虑了1/2对称模型的模拟。涂层和基材的单元类型为CAX4R(4节点线性轴对称减缩积分单元)。一阶单元计算量少，然而，在应力集中问题上，二阶单元明显优于一阶单元，更适合于裂纹分析。

假设我们有两种不同的涂层材料：铜代表韧性材料，莫来石代表脆性材料（也可以时其它脆性材料），这两种材料沉积在304 L钢上。我们假设维克斯压头与涂层材料之间的接触是光滑的、无摩擦的。我们想了解韧性和脆性涂层的不同损伤形态和界面的剪应力分布(S12)。我们还想预测裂缝将从哪里开始。

为了简化这个问题，我暂不考虑粘性行为和裂纹扩展。这是因为莫来石-钢或氧化铝-钢之间的界面材料特性无法获得。内聚模型是断裂力学中研究最多的领域之一，将断裂的演化描述为两个表、界面的逐步分离。在之前的文章中有提到cohesive单元应用。

涂层压痕的建模步骤可归纳如下：

1.      设置压头刚体约束，假设它不会变形，将模型创建为2D变形轴对称平面；

2.      接触相互作用，涂层在钢基体上的粘附性很好可以使用Tie约束.

3.      创建好的网格以避免变形过度的失真。确保涂层、界面和基材中的每个节点都对齐。这对于收敛结果也很重要，否则会出现错误。

主应力的主要用途是预测具有复杂双轴或三轴应力状态的结构的失效。脆性材料采用最大主应力更准确，而VonMises准则更适合于延性材料。从这个动画中我们可以看到，最大平面应力是在尖端下面产生的。这一结果还没有通过实验设计得到验证。

基于应力，我们可以确定它可能失效的地方。现在，我很好奇如果我用延性材料代替莫来石会发生什么。所以，我决定用铜来改变材料的性能。

要确定裂纹位置，还需要进一步的分析。然而，S12(最大剪应力)值显示裂纹不会在压痕尖端的下面开始，但它可能会稍微偏离尖端。

本案例需注意的是，一般情况下，预测变形较大的区域应具有较高的网格密度，以获得更准确的结果。在接触相互作用情况下，建议从面比主面网格细。在红线(涂层和基体之间的界面)上出现的不连通区域的节点对齐也将决定载荷的传递，从而影响我们模拟的收敛性。