涂有熱障涂層的器件的工況模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，隔熱防護(hù)涂層系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種 涂有熱障涂層的器件的工況模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱障涂層（thermal barrier coatings,簡(jiǎn)稱(chēng)TBCs)是一層陶瓷涂層，它沉積在耐 高溫金屬或超合金的表面。熱障涂層對(duì)于基底材料起到隔熱作用，其可降低基底溫度，使得 用其制成的器件（如發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片）能在高溫下運(yùn)行，具有熔點(diǎn)高、熱傳導(dǎo)率低、耐腐蝕 性、抗熱震的特點(diǎn)。高溫服役過(guò)程中，熱障涂層可保護(hù)高溫基底、提高熱機(jī)溫度和熱效率，從 而被廣泛應(yīng)用于航空、化工、冶金和能源領(lǐng)域。
[0003] 然而，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，由于材料參數(shù)不匹配及熱殘余應(yīng)力、陶瓷材料的高溫 燒結(jié)效應(yīng)、高溫蠕變、高溫疲勞、高溫界面氧化等的影響，涂層內(nèi)容易出現(xiàn)裂紋的萌生和擴(kuò) 展，導(dǎo)致熱障涂層的剝離。而一旦涂層剝離，基底金屬部件就會(huì)暴露在高溫環(huán)境下，其后果 是非常嚴(yán)重的。
[0004] 因此，研究熱障涂層在高溫服役環(huán)境下的破壞機(jī)理是非常重要的，但是，由于熱障 涂層渦輪葉片的服役環(huán)境極為復(fù)雜，用實(shí)驗(yàn)的辦法探討其破壞機(jī)理，所需巨大。
[0005] 因此，針對(duì)上述問(wèn)題，有必要提出進(jìn)一步的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種涂有熱障涂層的器件的工況模擬方法，以克服現(xiàn)有技術(shù) 中存在的不足。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種涂有熱障涂層的器件的工況模擬方法，其包括 以下步驟：
[0008] SI.在有限元建模軟件中，建立含有涂層分界面且涂有熱障涂層的器件的幾何模 型；
[0009] S2.在有限元建模軟件中，建立所述幾何模型相對(duì)應(yīng)的固體域計(jì)算模型；
[0010] S3.在有限元建模軟件中，建立與步驟Sl中所述幾何模型相對(duì)應(yīng)的外流場(chǎng)模型；
[0011] S4.在流體分析前處理軟件中，對(duì)所述外流場(chǎng)模型進(jìn)行流體前分析處理，生成流體 域計(jì)算模型；
[0012] S5.在物理場(chǎng)耦合軟件中，設(shè)置所述固體域計(jì)算模型和所述流體域計(jì)算模型的 耦合參數(shù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)程序進(jìn)行計(jì)算，得到涂有熱障涂層的器件的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù) 據(jù)；
[0013] S6.在有限元分析軟件中，根據(jù)所述溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)，生成涂有熱障涂層 的器件的外表面溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布圖。
[0014] 作為本發(fā)明的涂有熱障涂層的器件的工況模擬方法的改進(jìn)，所述步驟Sl具體包 括：
[0015] SlL建立包含熱障涂層和器件基底的幾何模型，記為Parti ;
[0016] S12.單獨(dú)建立器件基底的幾何模型，記為Part2 ;
[0017] S13.對(duì)所述Partl和所述Part2進(jìn)行布爾相減操作，得到熱障涂層的幾何模型，記 為 COA ;
[0018] S14.對(duì)所述COA和所述Part2進(jìn)行布爾合并操作，得到含有涂層分界面且涂有熱 障涂層的器件的幾何模型。
[0019] 作為本發(fā)明的涂有熱障涂層的器件的工況模擬方法的改進(jìn)，所述步驟S12之后還 包括對(duì)Partl和Part2進(jìn)行倒角操作的步驟。
[0020] 作為本發(fā)明的涂有熱障涂層的器件的工況模擬方法的改進(jìn)，所述步驟S2具體包 括：
[0021] S21.定義所述幾何模型的固體耦合邊界面；
[0022] S22.設(shè)置熱力學(xué)分析步、材料參數(shù)和邊界條件，根據(jù)該設(shè)置，對(duì)固體耦合邊界面進(jìn) 行網(wǎng)格劃分，并生成所述幾何模型相對(duì)應(yīng)的固體域計(jì)算模型。
[0023] 作為本發(fā)明的涂有熱障涂層的器件的工況模擬方法的改進(jìn)，所述步驟S3具體包 括：
[0024] S31.根據(jù)步驟Sl中所述幾何模型和涂有熱障涂層的器件真實(shí)的外流場(chǎng)環(huán)境，建 立包含所述涂有熱障涂層的器件的外流場(chǎng)模型，記為Part3 ;
[0025] S32.將Part3與步驟SI中所述幾何模型進(jìn)行布爾相減操作，得到與步驟SI中所 述幾何模型相對(duì)應(yīng)的外流場(chǎng)模型。
[0026] 作為本發(fā)明的涂有熱障涂層的器件的工況模擬方法的改進(jìn)，所述步驟S4具體包 括：
[0027] S41.將外流場(chǎng)模型導(dǎo)入流體分析前處理軟件中，定義氣體耦合邊界面和周期性邊 界面，采用〇型分網(wǎng)技術(shù)劃分六面體網(wǎng)格，生成MSH網(wǎng)格文件；
[0028] S42.將MSH文件導(dǎo)入軟件FLUENT，設(shè)置外流場(chǎng)模型邊界條件和氣體物性參數(shù)，生 成流體域計(jì)算模型。
[0029] 作為本發(fā)明的涂有熱障涂層的器件的工況模擬方法的改進(jìn)，所述步驟S41具體包 括：
[0030] 將外流場(chǎng)模型導(dǎo)入軟件ICEM CFD，定義氣體入口面和出口面，同時(shí)定義周期性邊 界面；
[0031] 定義流體耦合邊界面，采用0型分網(wǎng)技術(shù)劃分外流場(chǎng)網(wǎng)格，生成MSH網(wǎng)格文件，保 存MSH網(wǎng)格文件。
[0032] 作為本發(fā)明的涂有熱障涂層的器件的工況模擬方法的改進(jìn)，所述步驟S5具體包 括：
[0033] S51.在MPCCI軟件中，同時(shí)導(dǎo)入所述固體域計(jì)算模型和所述流體域計(jì)算模型，檢 查耦合模型的正確性；
[0034] S52.將固體耦合邊界面和流體耦合邊界面設(shè)置為一對(duì)耦合面，并選擇膜溫度、對(duì) 流換熱系數(shù)和壁面溫度為耦合變量；
[0035] S53.根據(jù)所述耦合變量，計(jì)算得到涂有熱障涂層的器件的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的ODB 數(shù)據(jù)文件。
[0036] 涂有熱障涂層的器件的工況模擬方法
[0037] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的涂有熱障涂層的器件的工況模 擬方法既能夠準(zhǔn)確模擬外流場(chǎng)流體的運(yùn)動(dòng)，以保證溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確性，又能在充分考慮器件 的幾何復(fù)雜程度的情況下，準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的變化，大大降低了研究熱障涂層在高溫 服役環(huán)境下的破壞機(jī)理的成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說(shuō)明】
[0038] 圖1是本發(fā)明的涂有熱障涂層的器件的工況模擬方法的方法流程示意圖；
[0039] 圖2為建立的表面熱障涂層渦輪葉片的幾何模型；
[0040] 圖3為建立與上述幾何模型相對(duì)應(yīng)的外流場(chǎng)模型；
[0041] 圖4為器件為渦輪葉片時(shí)，葉身中截面與葉身外表面相交路徑的溫度分布；
[0042] 圖5為器件為渦輪葉片時(shí)，葉片上表面由外到內(nèi)的溫度分布。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】并參 照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā) 明的范圍。此外，在以下說(shuō)明中，省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本 發(fā)明的概念。
[0044] 如圖1所示，本發(fā)明的涂有熱障涂層的器件的工況模擬方法包括如下步驟：
[0045] SI.在有限元建模軟件中，建立含有涂層分界面且涂有熱障涂層的器件的幾何模 型。
[0046] 如圖2所示，所述器件是可以為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片，所述渦輪葉片包括葉身 1、倒角2以及底座3。同時(shí)，該渦輪葉片表面覆蓋有熱障涂層。所述熱障涂層用COA表示， 厚度為H e，基底用SUB表示，厚度為Hs，各層包含有倒角、底座等幾何特征，倒角半徑為R，葉 片內(nèi)部有冷卻通道。本實(shí)施方式中，優(yōu)選地，H c= 0. 2mm、H s= 3. 18mm、R = 0. 2mm。
[0047] 所述步驟SI具體包括：
[0048] SlL建立包含熱障涂層和器件基底的幾何模型，記為Parti。
[0049] 其中，建立相應(yīng)幾何模型時(shí)，可在A(yíng)BAQUS軟件中進(jìn)行，該ABAQUS軟件為有限元建 模軟件的一種。
[0050] S12.單獨(dú)建立器件基底的幾何模型，記為Part2。
[0051] 其中，單獨(dú)建立器件基底的幾何模型時(shí)，繼續(xù)在A(yíng)BAQUS軟件中操作。此外，所述步 驟S12之后還包括對(duì)Partl和Part2進(jìn)行倒角操作的步驟。
[0052] S13.對(duì)所述Partl和所述Part2進(jìn)行布爾相減操作，得到熱障涂層的幾何模型，記 為 C0A。
[0053] S14.對(duì)所述COA和所述Part2進(jìn)行布爾合并操作，得到含有涂層分界面且涂有熱 障涂層的器件的幾何模型。
[0054] 其中，得到含有涂層分界面且涂有熱障涂層的器件的幾何模型后，繼續(xù)將該幾何 模型保存為T(mén)BCs. STP文件。
[0055] S2.在有限元建模軟件中，建立所述幾何模型相對(duì)應(yīng)的固體域計(jì)算模型。
[0056] 所述步驟S2具體包括：
[0057] S21.定義所述幾何模型的固體親合邊界面；
[0058] 其中，所述邊界面由葉身外表面、倒角和底座上表面三部分構(gòu)成，將其命名為 SSURF。
[0059] S22.設(shè)置熱力學(xué)分析步、材料參數(shù)和邊界條件，根據(jù)該設(shè)置，對(duì)固體耦合邊界面進(jìn) 行網(wǎng)格劃分，并生成所述幾何模型相對(duì)應(yīng)的固體域計(jì)算模型。
[0060] 其中，所述固體域計(jì)算模型為INP文件。所述材料參數(shù)包括熱障涂層和器件本身 的材料參數(shù)，如上所述，所述器件可以為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片。具體地，材料參數(shù)具體包 括：密度、彈性模量、泊松比、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和比熱。材料參數(shù)的具體數(shù)值如下表 1、2所示，其中，表1渦輪葉片本身的材料參數(shù)；表2為熱障涂層的材料參數(shù)。
[0064] 表 2.
[0065] 所述熱力學(xué)分析步為COUPLED TEMP - DISPLACEMENT分析步；器件內(nèi)部和冷卻氣 流之間進(jìn)