薄膜/基体系统力学性能测试的新型鼓泡法

摘要

鼓泡实验是薄膜／基体系统力学性能重要的测试方法之一。本论文依据VonKarman非线性板理论和Reissner板理论,分别建立了薄膜／基体系统的圆柱平端压头和球形压头两种新的鼓泡实验力学模型,开展理论、数值、以及有限元模拟等方面的研究。主要研究内容如下:
　　 1.在圆形鼓泡周边用广义线弹簧模型来表示基体变形对鼓泡薄膜弯曲行为的影响,利用有限元方法计算广义线弹簧的柔度系数,结合量纲分析给出线弹簧柔度系数的表达式,建立了柔度系数与薄膜／基体系统的Dundurs常数、以及鼓泡薄膜的径厚比之间的关系。
　　 2.根据Von Karman非线性板理论,以上述线弹簧模型为边界条件,建立圆柱形平端压头加载的圆形鼓泡薄膜的轴对称力学模型。在小变形条件下,给出载荷-挠度解析表达式,包括基体变形、残余应力、径厚比和压头半径大小等参数的影响；同样在大变形情况下,用打靶法得到数值解,给出载荷-挠度曲线。用有限元数值方法验证了所给出的载荷-挠度曲线。
　　 3.基于Von Karman非线性板理论和Reissner板理论,以线弹簧模型为边界条件,建立了球形压头加载的圆形鼓泡实验力学模型。在非接触区域采用经典板理论描述鼓泡薄膜的弯曲变形；采用考虑剪切变形的Reissner板理论描述压头和薄膜的接触变形。在小变形条件下,给出了包含残余应力、基体变形和压头大小等参数的载荷-挠度关系的解析解；大变形情况下的载荷-挠度关系则通过打靶法得到。
　　 4.当薄膜／基体之间发生脱层时,根据前述建立的圆柱平端压头和球形压头两种鼓泡实验力学模型、以及相关解,给出界面裂纹的能量释放率和相位角。