热障涂层(thermal barrier coatings，简称TBCs)是目前世界上最先进的高温防护涂层之一，具有良好的高温化学稳定性、抗冲刷性和隔热性等特点，已被广泛应用在核技术以及航空航天发动机内高温部件中。然而，由于涡轮叶片几何形状不规则性、服役环境的复杂性和热障涂层体系结构的多样性，应用理论分析和实验表征方法评价涂层的可靠性受到极大的限制，开展有限元模拟方法预测带涂层的复杂结构构件服役寿命以成为当前的热点问题。本文采用有限元模拟和实验验证相结合的办法，确定了用于预测热障涂层体系断裂失效的有限元模型关键参数，为将来预测复杂结构涂层构件的失效及可靠性提供可靠的参数依据。具体内容如归纳如下：第一，运用单边切口梁法，结合数字图像相关技术得到了不同热循环条件下纯涂层样品的断裂强度和断裂韧性。然后运用扩展有限元方法建立模型，有效再现裂纹的萌生和扩展过程。在弹性模量和断裂强度给定的条件下，尝试输入陶瓷涂层的断裂能，再把获得模拟载荷挠度曲线与实验所测得载荷挠度曲线进行对不分析，从而在一系列预设的断裂能中估算出一个最合适的陶瓷涂层断裂能。再利用线弹性断裂力学，推导出了对应的断裂韧性，与实验所得到的断裂韧性值对比，两者结果非常吻合。这部分纯陶瓷断裂的有限元模型参数为后续热障涂层体系断裂失效提供必需的关键参数。第二，考虑残余应力的影响，应用上述陶瓷层断裂的模型参数，成功地模拟了在基底外加拉伸载荷作用下热障涂层断裂失效过程。首先讨论了陶瓷层沉积温度和厚度对热障涂层系统残余应力分布的影响，进一步分析了其中陶瓷层和粘结层的存在对基底内应力分布的影响，尤其是重点分析基底被拉伸拉伸过程中陶瓷层正应力、界面剪切应力的演变过程。合理的估算出了影响深度区间的大小，对合理推导三层结构涂层体系剪滞模型解析解提供重要的模拟指导。当基底外加应变达到0.27%时，有限元模拟表面陶瓷层发生断裂，这结果与实验测试基本一致。第三，在前面两章的基础上，进一步在有限元模型中，首在陶瓷层/粘结层界面植入内聚力单元，并对热障涂层体系破坏过程中一个代表性的涂层小块进行模拟，分析拉伸载荷条件下热障涂层系统的剥落失效行为。模拟结果表明：当基底外加应变为0.43%时，陶瓷涂层/粘结层的界面开始萌生裂纹。随着基底应变的增加，裂纹开始慢慢扩展，最终不同位置处界面裂纹相连接导致涂层的剥落失效。这部分模拟结果和过程与基于数字图像相关技术的热障涂层拉伸断裂结果相一致。