聚合物涂层作为一种常见的保护涂层，已被广泛用于汽车车身、风力发电机叶片及航空器件上，其抗冲击性能与基体材料的腐蚀和使用寿命密切相关。目前，准确模拟聚合物涂层的冲击破坏行为仍然是一项具有挑战性的任务。颗粒冲击通常会导致两种失效模式，即聚合物层破坏和层间破坏。通过仿真研究聚合物涂层的冲击破坏的工作较少，其中一些研究只考虑涂层内的破坏。这类研究主要采用单元删除法进行涂层失效模拟，受限于单元删除法的不足，文献中报道的仿真无法重现实验中观察到的聚合物层的失效模式。有些研究只考虑了涂层的层间破坏，tiebreak接触及内聚力模型是常用的层间破坏模拟方法，后者在近年已经成为了强大的层间破坏模拟工具，但在大变形情况下，常用内聚力模型会导致一定的数值问题。同时对上述两种失效模式进行模拟的工作较少。聚合物具有复杂的失效行为，在某些情况下，可以观察到失效机理的转变。目前已经有学者使用有限元仿真深入研究了聚合物和聚合物涂层的刮擦损伤机理。然而，关于聚合物涂层冲击失效机理的仿真研究非常稀少。
2022年4月，力学Top期刊《Composite Structures》发表了华南理工大学与中山大学在聚合物涂层冲击失效有限元模拟方面的研究工作，论文标题为“Computational modeling of impact failure of polymer coatings”，第一作者为华南理工大学机械与汽车工程学院博士研究生邹晨祺，通讯作者为臧孟炎教授及陈顺华副教授。
在这项工作主要关注聚合物涂层冲击失效行为的仿真模拟。提出了同时考虑了聚合物层的破坏和涂层-基底界面的层间破坏的计算框架，采用多机理损伤模型进行聚合物层失效的模拟，并开发了一种大变形内聚力模型以模拟层间破坏。将所提出的方法用于实验中单层聚合物涂层的失效机理研究。
1.聚合物涂层冲击失效计算框架
1.1.多机理损伤模型
使用连续损伤力学对聚合物层的失效过程进行模拟。采用基于裂纹带方法（crack band method）的损伤模型，以缓解网格尺寸依赖性。
该损伤模型考虑了聚合物脆性及韧性两种失效机理。对于脆性破坏，最大拉应力破坏准则被用于定义脆性损伤的开始，与该准则对应的Rankine等效应变被用于损伤演化计算。对于韧性破坏，使用基于有效塑性应变的准则模拟损伤的开始，此处，临界有效塑性应变设置为定值。脆性、韧性损伤变量均按照线性律进行演化。
设置整体损伤变量的上限为0.95，并且不进行单元删除。采用微缺陷闭合技术（microdefects closure technique）的简化表达式进行柯西应力与有效应力之间的转换，该技术能够模拟压缩状态下材料初始弹性部分恢复的性质。通过以上处理，避免了压缩状态下的非物理失效模式，压缩引起的单元扭曲得到缓解。
1.2.mortar接触算法
聚合物涂层遭受颗粒冲击的过程涉及软硬接触和大变形，这给仿真计算带来了极大的困难。使用基于罚函数法的element-based mortar算法（即2 × 2 Gauss point-to-segment积分方法）以保证罚函数方法在大变形软硬接触计算中的稳定性。
1.3.大变形内聚力模型
在颗粒冲击下，聚合物涂层会发生大变形。因此，涂层-基底界面处的相对位移可能与受涂层厚度限制的单元尺寸相当。对于这种情况，尤其是当涉及软硬物体相互作用时，使用常用的内聚力模型可能会遇到数值问题。
为满足涂层层间破坏模拟的需求，开发了一种混合破坏模式大变形内聚力模型（largedeformation cohesive zone model，LDCZM），以确保涂层层间破坏的稳定计算。大变形内聚力模型的运动学变量计算类似于接触算法计算，因此该方法允许在界面使用非匹配网格。为了考虑压缩载荷对模式II破坏的影响，将库仑摩擦定律集成到开发的大变形内聚力模型中，并实现了界面损伤失效到摩擦滑移的平滑过渡。
2.单层聚合物涂层冲击失效仿真
根据文献中实验条件，基于提出的计算框架，利用法向冲击的对称性，建立了1/16涂层冲击模型对单层聚合物涂层冲击失效进行仿真。仿真中的失效模式在图 1中与实验现象进行了对比。云图的图例数值范围设置为0.949-0.95，因此显示为红色的单元被认为是完全失效的。仿真可以再现实验中的内外周向裂纹，裂纹位置与实验一致性较好。此外，仿真中的层间破坏区域半径（0.99985 mm）与实验结果较接近（1 mm）。建立的涂层有限元模型得到了定性及定量的验证。
图 1 仿真和实验的失效模式对比
涂层系统的损伤演化过程如图 2所示。对于聚合物层的损伤，颗粒下压过程，靠近冲击中心处形成损伤带。待颗粒开始反弹后，涂层屈曲程度增加，涂层脊上才开始累积损伤。界面裂纹的扩展有两个阶段。在颗粒到达最低点之前，径向压缩引起的涂层屈曲驱使界面裂纹以混合破坏模式向外传播。当颗粒远离涂层时，涂层顶面和底面受到的摩擦力减小，残余应力会再次增大涂层屈曲的程度，导致界面裂纹向外的二次扩展，以及向内的传播。
图 2 涂层系统的损伤演化
图 3绘制了在图 2(b)中用红色线框标记的两个单元中心处的最大主应力的时间历程。由图 2 (a)和图 3可以推断出，单元中最初的正值最大主应力对这里附近的损伤扩展没有贡献。涂层中有效塑性应变的演化如图 4所示。在冲击区域附近，剪切带具有与图 2所示的损伤带相同的形状。内侧周向裂纹的形成机理与冲孔类似。颗粒和变形的基底分别作为冲头和冲模，且两者都具有相对涂层厚度较大的半径。在颗粒和基底的挤压下，涂层的顶面和底面形成剪切带，剪切带传播、连接并最终导致涂层断裂。即内侧周向裂纹是由冲压引起的剪切破坏。
图 3 图 2 (b)中用红色线框标记的两个单元中心处的最大主应力时间历程
图 4 涂层系统的有效塑性应变演化
外侧周向裂纹位于涂层脊处。图 4 (d)显示了脊处发生损伤时有效塑性应变云图。这附近的涂层材料不会发生大的塑性变形，因此这更可能是因为拉伸应力的作用而产生的裂纹。图 5显示了在5.16 μs时涂层脊上的最大和第二主应力向量。在该区域内，涂层表面受到径向和周向拉应力。径向拉应力是由涂层屈曲引起的，而周向拉应力是由径向压缩引起的材料外流的结果。图 5中靠近冲击中心的区域A中的材料具有相对较高的径向拉应力，此处容易产生周向裂纹。在距离冲击中心稍远的B区，周向拉应力占主导地位，此处更容易形成径向裂纹。
图 5 在5.16 μs时涂层脊上的最大和第二主应力的矢量
为了与本工作提出的方法进行比较，使用单元删除法进行仿真，仿真结果展示在图 6中。使用单元删除法的计算结果出现了严重的非物理材料损失，因此该方法不能重现实验中聚合物层内的失效模式。
图 6 使用两种聚合物层失效模拟策略预测的涂层失效模式
3.参数化研究
3.1.界面属性的影响
各组参数化研究中涂层系统的最终失效模式展示在图 7、图 8及图 9中。图 10展示了界面属性对层间破坏区域尺寸的影响。
图 7 具有不同界面强度的涂层系统的最终状态
图 8 具有不同界面临界能量释放率的涂层系统的最终状态
图 9 具有不同界面摩擦系数的涂层系统的最终状态
图 10 界面属性对层间破坏区域尺寸的影响
3.2.涂层失效参数的影响
各组参数化研究中涂层系统的最终失效模式展示在图 11、图 12、图 13及图 14中。图 15展示了涂层失效参数对层间破坏区域尺寸的影响。
图 11 具有不同涂层拉伸破坏强度的涂层系统的最终状态
图 12 具有不同涂层脆性临界能量释放率的涂层系统的最终状态
图 13 具有不同涂层临界有效塑性应变的涂层系统的最终状态
图 14 具有不同涂层韧性临界能量释放率的涂层系统的最终状态
图 15 涂层失效参数对层间破坏区域尺寸的影响
在这项工作中，提出了一个新颖的计算框架以研究聚合物涂层的冲击失效行为。采用多机理损伤模型来模拟聚合物层的脆性和韧性损伤。开发了一种大变形混合破坏模式内聚力模型来模拟层间破坏，该方法有助于在出现界面大变形时进行稳定计算。
基于提出的计算框架，模拟了单层聚合物涂层在法向冲击下的失效行为。仿真的失效模式和剥离区域的大小与实验结果有良好的一致性。通过仿真，研究了单层聚合物涂层在法向冲击下的失效机理，研究发现内、外周向裂纹分别是韧性和脆性破坏的结果。
随后研究了界面属性和涂层失效参数对单层聚合物涂层法向冲击破坏行为的影响。主要的仿真结果总结如下：
（1）对于聚合物层损伤，界面参数通过影响涂层屈曲来影响脊部的脆性损伤程度，而这些参数所有会增加有效塑性应变的变化，都会加剧冲击区域底部的韧性损伤。
（2）涂层失效参数直接影响具有相应失效机理区域的损伤程度。
（3）在研究的参数中，界面临界能量释放率对涂层层间破坏起决定性作用，它决定了弱界面涂层的整体冲击损伤程度。
原始文献
Zou C, Yang H, Xu X, et al. Computational modeling of impact failure of polymer coatings[J]. Composite Structures, 2022, 291: 115576.
原文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822322003634
稿件整理：邹晨祺
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