第 ３４ 卷第 ５ 期
２００６ 年 １０ 月
浙 江 工 业 大 学 学 报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＺＨＥＪＩＡＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ ．３４ Ｎｏ ．５ ＊
Ｏｃｔ ．２００６
收稿日期 ：２００６‐０３‐２３
基金项目 ：国家自然科学基金资助项目 （５０３７５１４５） ；浙江省自然科学基金资助项目 （Ｙ１０４２７９ ；Ｙ６０４０５１）
作者简介 ：楼小玲（１９８１ — ） ，女 ，浙江义乌人 ，硕士研究生 ．
基 于 Ｈ ｅｒｔｚ 接 触 理 论 的 涂 层 界 面 应 力 分 析
楼小玲
１
，鲍雨梅
１
，柴国钟
１
，郝伟娜
１
，蒋明安
２
（１ ．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 ３１００３２ ；２ ．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 ＡＮＳＹＳ ８ ．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 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１００６‐４３０３（２００６）０５‐０５６３‐０４
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｂａｓｅｄ ｕｐｏｎ ｈｅｒｔｚ ｃｏｎｔａｃｔ ｔｈｅｏｒｙ
ＬＯＵ Ｘｉａｏ‐ｌｉｎｇ
１
，ＢＡＯ Ｙｕ‐ｍｅｉ
１
，ＣＨＡＩ Ｇｕｏ‐ｚｈｏｎｇ
１
，ＨＡＯ Ｗｅｉ‐ｎａ
１
，ＪＩＡＮＧ Ｍｉｎｇ‐ａｎ
２
（１ ．Ｔｈｅ ＭＯＥ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔ ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ，
Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００３２ ，Ｃｈｉｎａ ；２ ．Ｔａｉｚｈｏｕ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ＆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ，Ｔａｉｚｈｏｕ ３１７０００ ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ ：Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｐａｃｋａｇｅ ＡＮＳＹＳ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｉｔｈ
ｃｏｎｔａｃｔ ｌｏａｄｅｄ ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ （ＦＥＭ ） ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｌａｓｓｉｃａｌ Ｈｅｒｔｚ
ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ＦＥＭ ｍｏｄｅｌ ．Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ
ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｄｔｈ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔａｃｔ ｌｏａｄ ，ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏａｔｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｙｏｕｎｇ
蚕
ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ． Ｔｈｅ ｐｅａｋ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ／ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｏｃｃｕｒｓ
ｎｅａｒ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ，ａｎｄ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｃｏａｔｉｎｇ／ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｏｃｃｕｒｓ ｅｘａｃｔｌｙ ａｔ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ
ｃｅｎｔｅｒ ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｃｏａｔｉｎｇ／ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｙｏｕｎｇ
蚕
ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ ｉｓ ｂｅｔｗｅｅｎ １ ａｎｄ ２ ．５ ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ
ｃｏａｔｉｎｇ／ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｅｒｆｅｃｔ ． Ｔｈｅ ｌｅｓｓ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｙ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｔｈｅ
ｈｉｇｈｅｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｓｔｒｏｙ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ ａｒｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｆｏｒ ｍｅ‐
ｃｈａｎｉｃａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ：ｃｏａｔｉｎｇ ；Ｈｅｒｔｚ ｃｏｎｔａｃｔ ；ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ
０ 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 ．
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