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论文指导：结构力学模拟计算实践—基体上薄膜脱沾Abaqus分析

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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仿真圈

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作者 | 力学AI有限元仿真秀专栏作者

首发 | 仿真秀App

导读：在结构力学仿真及 Abaqus 工程仿真实践中，基体上薄膜脱粘分析是极具工程代表性的经典仿真案例，也是衔接课堂教学与工业实际的重要仿真方向，广泛应用于航空航天、电子半导体、工业防护等诸多工程领域。航空航天装备中，航空发动机高温合金叶片、燃烧室构件表面的陶瓷热障涂层、抗氧化薄膜，属于典型基体 — 薄膜复合结构，在高温交变、热应力循环与振动载荷作用下易发生界面脱粘、起皮剥落，借助脱粘仿真可分析热力耦合下界面应力分布，预判脱粘萌生与扩展规律，为涂层结构设计、材料选型及制备工艺优化提供依据。

本文源自笔者在某985高校任教期间指导学生做《结构力学模拟计算实践——基体上薄膜脱沾分析》论文。本次结构力学模拟大作业以高温下冰块热传递与融化过程为研究对象，依托 Abaqus 平台，结合 ALE 自适应网格与 Umeshmotion 子程序完成仿真建模、参数设置、载荷边界施加及后处理分析，完整复现冰块高温传热、相变融化与体积收缩全过程，并得到温度、应力、位移及体积变化等仿真结果。作业同时完成了仿真软件与编译器的环境关联调试，掌握了用户子程序调用、热 - 力耦合及大变形移动边界仿真方法。不仅巩固了课堂结构力学、热分析与界面脱粘等基础知识，也熟悉了有限元完整仿真流程，所采用的网格自适应与节点随温度移动思路，可迁移至材料烧蚀、磨损腐蚀、涂层脱粘及相变仿真等工程场景，为后续科研课题与工程仿真应用积累了实践经验。

通过本文分享，我希望能够引发读者思考和共鸣，并且进一步探索Abaqus 自适应网格与用户子程序在相变消融、大变形轮廓演化类仿真中的应用思路。如有不当，欢迎专家学者批评指正。更多内容欢迎大家在仿真秀官网搜索【力学AI有限元】我的仿真秀技术专栏。

分析应用价值

在电子半导体封装、工业防腐耐磨领域，薄膜脱粘仿真同样具备极高实用价值。硅基底、树脂基体上的导电膜、绝缘钝化膜及柔性电路功能膜，在温度循环、封装固化和弯折变形工况下易出现分层脱落，引发电路故障与器件失效，可通过脱粘仿真开展封装可靠性校核与寿命分析；钢结构桥梁、油气管道、压力容器等金属构件表面的防腐耐磨涂层，长期受腐蚀、交变应力和介质冲刷易产生空鼓脱粘，仿真分析能够评估涂层附着性能与界面应力集中，预测失效周期，为基体表面处理、涂层选材与膜厚设计提供技术支撑。

在新能源光电、光学精密制造行业，基体薄膜脱粘分析也是保障产品性能与寿命的关键手段。光伏组件玻璃基体与封装胶膜、电池功能薄膜，显示器件基板与偏振膜、发光膜，在温变湿热环境和机械形变作用下易出现界面脱层起泡，造成发电效率衰减、显示器件报废；光学镜片、激光元器件表面的增透膜、反射膜，受镀膜残余应力与环境温变影响易产生微脱粘，引发光学畸变、透光率下降。开展薄膜脱粘仿真，可模拟多场耦合下界面剥离行为，校核结构失效风险，为产品封装工艺、精密镀膜工艺迭代优化提供有力的有限元仿真支撑。

分析过程

1、问题描述

如下图所示是基底上的薄膜撕脱模型，基底的底部固定，薄膜的右侧受到竖直向上的拉伸作用。该例中模型和载荷都考虑成平面问题，故在模拟中应用平面单元。

基底上的薄膜是弹性薄膜，基底的刚性使用大于薄膜的弹性参数表示，薄膜和基底之间是粘附层，材料属性为弹性、满足损伤演化规律，下面将介绍撕脱过程的模拟分析。

材料参数：

①薄膜：弹性模量2E8,泊松比0.3:
②基体：弹性模量1E12,泊松比0.3;
③界面层：E=20000;G1=20000:G2=0；断裂能10；
④Maxs损伤模式：

几何尺寸：

基体长50，厚15；薄膜厚4，界面层厚1。
载荷与边界条件：底部固支，薄膜右侧y方向位移载荷为5。

2、建模要点

主要学习材料非线性——薄膜撕脱过程分析，ABAQUS模拟重点在于定义界面层面的性质。

3、建模步骤

（1）创建部件

图1 “创建部件”对话框

图2 创建部件的草图

图3 完成创建部件

图4 “创建分区”对话框

图5 草图分区几何界面

图6 完成创建部件

（2）定义材料属性

① 定义材料

图7 创建材料film

图8 创建材料substrate

图9 操作命令

图10 创建材料cohesive-弹性-面作用力

图11 创建材料cohesive-Maxs损伤

图12 “子选项编辑器”对话框--进行损伤演化

② 创建截面特性

图13 创建截面film

图14 编辑截面film

完成对薄膜材料截面film的属性创建。

图15 创建截面substrate

图16 编辑截面substrate

图17 创建截面Section-4

图18 定义编辑截面cohesive

③ 分配截面特性

图19 指派上部分薄膜部分截面-区域为set-1

图20 分配截面指派-film

图21 指派下部分基底部分截面-区域为set-2

图22 分配截面指派substrate

至此完成截面特性的分配操作。

图23 截面特性分配结果

③ 装配部件

图24 装配部件将部件实例化

④设置分析步

1）设置分析步

图25 创建分析步step-1

图26 编辑分析步step-1

2）设置变量输出变量

图27 编辑场输出请求

⑤ 定义载荷和边界条件

图28 创建边界条件

图29 对基底的下部进行完全固定的边界条件给予

图30 已完成固定边界条件的施加

图31 对薄膜的最右侧边添加边界条件

图32 定义好的边界条件模型

⑥ 划分网格

1）设置网格密度

图33 将实例设为非独立

图34 对四条水平边进行布种

图35 进行局部种子设置-沿着水平方向划分20个单元

图36 进行局部种子设置-把基底沿着竖向方向划分5个单元

图37 设置好的种子密度

2）控制网格划分

图38 指派网格控制属性，选择单元形状为四边形，并采用结构网络技术

3）选择单元类型

图39 指派薄膜和基底的单元类型

图40 指派界面层单元类型

4）划分网格

图41 划分好的网格

5）检查网格

图42 检查网格-形状检查与结果

图43 检查网格-分析检查与结果

4、结果分析

(1) 结果分析

图44 创建作业mmm与默认编辑作业

图45 作业正在运行中

图46 作业的数据监控内容

(2)后处理

1）显示变形

图47 运行结果

图48 场输出内容

图49 云图绘画显示

图50 位移云图显示 U，Magnitude

图51 位移云图显示 U，U1

图52 位移云图显示 U，U2

图53 在变形图上绘制符号U，含量

图54 在变形图上绘制材料方向

2）显示应力

图55 应力云图 Mises云图

图56 应力云图 Max. In-Plane Principal云图

图57 应力云图 Min. In-Plane Principal云图

图58 应力云图 Out-of-Plane Principall云图

图59 应力云图 Max. Principal云图

图60 应力云图 Min. Principal云图

图61 全部薄膜单元的应力云图

至此，作业结果分析完毕。

1、从各位移云图可以看出，力所施加处，即薄膜的右侧边缘的位移最大，且对比U1和U2分布云图，U2 的值明显大于U1，所以该方向对于合位移的贡献更大。

2、再从各应力云图可以看出，同样，力所施加处，薄膜右侧边缘的应力最为集中。

基体上薄膜脱粘分析的难点

基体与薄膜脱粘仿真分析存在诸多技术难点。

1、首先是界面粘结参数难以精准确定，薄膜与基体间的粘结强度、断裂能、界面剪切特性缺乏统一标准取值，只能依靠试验反推，参数偏差易造成脱粘时机、位置与实际不符。

2、其次是结构尺寸跨度大带来的网格划分难题，薄膜厚度极小而基体几何尺寸偏大，网格过粗无法捕捉界面损伤，网格过细则计算规模剧增、收敛难度加大。

3、再者脱粘起始位置与扩展路径具有随机性，构件内部微观缺陷、镀膜瑕疵及应力集中难以在建模中完全复现，导致仿真难以精准预判脱萌萌生与扩展规律。同时脱粘属于强非线性界面失效问题，伴随刚度突变、接触滑移与大变形，极易出现迭代发散、网格畸变、计算不收敛等问题。另外多物理场耦合作用复杂，温度循环、湿热环境、机械载荷、残余应力相互叠加，难以单独剥离单一因素对脱粘的影响。

4、最后还存在残余应力模拟、脱粘准则选型、实际工况边界等效等难点，残余制备应力难以准确赋值，各类界面损伤模型适配性难以把控，仿真边界条件简化也容易与真实服役工况产生偏差。

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