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联合载荷下无裂纹DLC薄膜的内应力有限元分析
摘要：
本文基于有限元分析方法，研究了在联合载荷作用下无裂纹的钻石样品表面正在进行中的氮化钛薄膜的内应力分布。我们使用了有限元软件ABAQUS，建立了三维模型，模拟了不同载荷条件下薄膜的应力状态。结果表明，薄膜在垂直载荷的作用下应力较大，而在水平载荷的作用下应力较小。此外，薄膜的应力值随着载荷大小的增加而增加，这可能导致材料的破坏。
关键词：有限元分析；薄膜；内应力；联合载荷
引言：
近年来，由于传感器、存储器以及磁记录器等器件的需要，表面上覆盖薄膜的研究越来越重要。作为一种优良的表面涂层材料，类金刚石（DLC）薄膜因具有高硬度、低摩擦和优异的化学稳定性等优点被广泛使用。然而，在应用中，薄膜往往会受到多种载荷的作用，如机械载荷和热载荷等，这可能会导致内应力的变化，进而引发其它问题，如表面裂纹和脱落等。因此，对于载荷下薄膜内应力分布的研究可以为实际工程应用提供有益的帮助。
方法：
本研究采用ABAQUS有限元分析软件建立三维模型，建模过程包括以下步骤：
1.建立几何模型：采用切削工具切割氮化钛薄膜，从而得到样品表面形貌；
2.建立有限元网格：采用四面体和三角形网格对切割后的样品进行离散网格化；
3.选择材料参数：选用已知氮化钛薄膜的材料参数；
4.模拟载荷作用：设置垂直和水平方向上的载荷作用，进行有限元分析。
结果与讨论：
本文分别对于薄膜在垂直载荷和水平载荷两种情况下的内应力分布进行了研究。如图1所示，薄膜在垂直载荷作用下，内应力值最大，且分布呈现高度对称性；而在水平载荷作用下，内应力值较小，且较为不规则。
图1：不同载荷下薄膜的内应力
此外，当载荷大小增加时，薄膜内应力值随之增加，如图2所示。由此可知，在实际应用过程中，应对载荷大小的变化进行合理的考虑，以免过大负荷导致材料的破坏。
图2：不同载荷大小下薄膜内应力的变化
结论：
本文对于无裂纹的DLC薄膜在联合载荷作用下的内应力分布进行了研究。结果表明，薄膜在垂直载荷作用下，内应力值最大；当载荷大小增加时，薄膜内应力值随之增加。这对于实际应用中对于薄膜性能的评估以及薄膜制备时载荷控制起着积极的指导作用。然而，本研究还存在着一些难点，例如钻石基底的影响等，需要在后续的研究中进行深入探究。
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