薄膜屈曲力學(xué)行為的有限元研究.pdf

1、材料薄膜技術(shù)近年來得到迅猛的發(fā)展，薄膜材料在許多工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并將成為21世紀(jì)的高性能材料領(lǐng)域之一。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對薄膜性能提出了更高的要求，因而，薄膜材料成為近年來材料科學(xué)的一個重要發(fā)展新方面，對其力學(xué)行為的研究具有重要意義。本文用有限元方法針對薄膜屈曲行為進行了以下研究。 首先，總結(jié)薄膜屈曲研究成果，包括國內(nèi)外的理論、實驗、數(shù)值模擬研究成果，用非線性、大變形理論的有限元方法建立模型。 其次，利用彈性

2、穩(wěn)定和幾何非線性理論，進行結(jié)構(gòu)矩陣分析，用有限元方法對屈曲問題的特征值求解，計算臨界力，并與理論值進行比較，分析這種有限元計算方法的可靠性。參考薄膜屈曲的實驗過程和前輩們的工作成果，用C語言編寫非線性有限元計算程序，為了求解的精確和計算效率的考慮，計算的時候采用載荷增量法和牛頓-拉斐遜迭代法同時求解。程序包括建模、計算、迭代、求解全過程。 利用該平面有限元程序計算了不同厚度的TiN薄膜在不同基底上，不同外部載荷作用情況下，薄膜屈

3、曲的離面位移和薄膜/基底結(jié)合處應(yīng)力分布。得到薄膜的離面位移與載荷的關(guān)系曲線和屈曲后薄膜的形狀，并得到在同樣的外部載荷作用下，基底彈性模量的不同對薄膜/基底結(jié)合處應(yīng)力影響較大，而基底的泊松比對結(jié)合處應(yīng)力影響幾何可以忽略，這對實際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義，為薄膜屈曲問題研究提供了一種方法。 最后，用ANSYS軟件建立三維有限元模型對有初始缺陷的薄膜/基底材料屈曲進行計算，分析得到薄膜的彈性模量、泊松比、厚度的增大，圓泡的半徑減小都導(dǎo)致屈曲的