CN103886164A - 含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层有限元建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层热应力的有限元建模方法，首先进行不含冷却通道的涡轮叶片整体的构建，其具体构建过程又分为榫头、叶身两个部分；然后建立含有多条冷却通道的涡轮叶片的几何模型，其构建过程又分为含多条冷却通道的叶身部分、含多条冷却通道的榫头部分以及这两个部分的连接三个步骤。本发明所述的有限元建模方法完全在有限元软件ABAQUS中进行，避免因使用多个软件的不完全兼容容易造成部件与部件之间的不匹配的问题；此外本发明几何模型的构建考虑到榫头的真实形状，以及涡轮叶片有多条冷却通道的实际情况，建立的涡轮叶片热障涂层的有限元模型更接近现实状况，使得后续的温度场、应力场分析的计算结果更准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种高性能航空发动机涡轮叶片隔热防护涂层系统的技术领域，特别涉及的是含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层的有限元建模方法。
背景技术
涡轮叶片的材料是保证涡轮发动机安全使用的基础，是当代材料科学与工程极其重要的一个发展领域。为了满足燃气涡轮发动机的使用要求，一些国家先后研制出了许多种超高温合金材料。然而定向凝固合金和单晶合金也只能应用于1100oC左右，根本满足不了现在发动机工作温度的需要，燃气轮机涡轮叶片的极限工作温度已高达1650oC。基于这样的情况，人们提出了热障涂层的概念。热障涂层是一种主要用来起隔热作用的陶瓷涂层，通常有着比较低的导热系数，一般制备在高温金属或者合金的表面，可以大幅降低被保护基底的温度，使得合金基底能在更高的温度条件下工作，从而提高机器或器件的效率并延长其寿命。将热障涂层沉积在涡轮发动机的涡轮叶片上，可以大幅提升发动机的工作温度，从而可以提高发动机的热机效率。此外，冷却通道中冷却气体的降温作用对保护基底也十分重要。
自20世纪40年代末研究以来，热障涂层技术受到广泛的重视并得到了迅速发展。国内外研究人员对热障涂层的降温效果进行了大量研究，研究表明，涂层中的应力大小及分布是影响涂层失效的关键因素之一，因此热障涂层寿命预测的关键之一就是应力场的有效预测，而有限元模拟的方法则是最常用的方法之一。相对实验方法与解析模型，有限元方法有着节约成本、易于实现等优点，尤其适用于结构复杂的几何模型的研究，因此有限元模拟的方法被人们用来研究涡轮叶片热障涂层的温度场和应力场。刘奇星等人则首次建立了三维的涡轮叶片热障涂层破坏过程的有限元模型，得到了涡轮叶片热障涂层系统在热循环作用下的应力场演化规律。
在湘潭大学的专利号为CN200910085777.1的发明专利“用于涡轮叶片热障涂层系统破坏过程的有限元建模方法”中，提出了一种用于涡轮叶片热障涂层系统破坏的有限元建模方法。该方法虽然解决了一定的问题，但是随着科研水平的不断进步和提高，此方法显现出明显的不足和弊端：第一，其几何模型的构建需要在CATIA软件中进行，然后再将几何模型导入到有限元软件ABAQUS中进行相关的仿真计算，而对于涡轮叶片热障涂层这种复杂的模型而言，由于其TGO层相对厚度非常小，故会因为软件之间的精度要求不同造成几何模型尺寸上的缺失，从而造成模型的各个部件之间的装配不吻合，所以必须进行几何模型的二次处理，才能进行后续计算，并且模型的建立需要建模者熟练地掌握CATIA软件和ABAQUS软件的使用，大大增加了建模的难度；第二，其几何模型的构建没有考虑到榫头的真实形状，更没有考虑实际情况中涡轮叶片有多条冷却通道，该发明专利中模型的叶身部分仅有一条通道，且叶身部分的下面是个实心的长方体，不是实际形状的榫头，故仅有的这条通道实质上也是不通的。
针对目前对含有多条冷却通道的实际形貌的涡轮叶片热障涂层研究报道较少的状况，技术发展迫切地需要提出更先进的有限元模型的建模方法，便于涡轮叶片的材料研究中更准确地计算温度场和应力场。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层有限元建模方法。由于航空发动机涡轮叶片的构造比较复杂，我们将单个涡轮叶片几何模型的构建分为两个过程，首先是不含冷却通道的涡轮叶片整体的构建，其具体构建过程又分为榫头、叶身两个部分，其中叶身部分的建模方法与湘潭大学博士刘奇星的建模方法相近，但不相同，本模型的构建不需要借助ABAQUS软件以外的其他软件；在此基础上，同时建立含有多条冷却通道的涡轮叶片的几何模型，其构建过程又分为三个部分：分别为含多条冷却通道的叶身部分、含多条冷却通道的榫头部分以及这两部分的连接。
本发明的技术方案具体为：一种含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层有限元建模方法，包含以下步骤：
一、不含冷却通道的涡轮叶片几何模型的构建
（一）叶身部分几何模型的建立
（1）前期几何模型的建立
几何模型中，热障涂层用TBCs表示，陶瓷层用TBC表示，其厚度为hc；氧化层用TGO表示，其厚度为ht；过渡层用BC表示，其厚度为hb；涡轮叶片的叶身部分的基底用SUB表示，最小厚度为hs；本实施例中，hc=0.3mm，ht=0.01mm，hb=0.1mm，hs=2mm；
1）在有限元软件ABAQUS的part模块中建立TBC-TGO-BC-SUB-Cuboid模型，记为模型A，模型A表示含有基底、过渡层、氧化层和陶瓷层的涡轮叶片叶身部分的几何模型，此模型不含冷却通道，其中Cuboid代表叶片与榫头连接部位的长方体模型；之所以要包含Cuboid部分，有两个原因：第一，方便叶身部分和榫头部分的连接；第二，为了保证TBCs中陶瓷层、氧化层和过渡层在叶片外表面的整体性，同时保证各层在两个平面及其倒角处可以等厚）；
2）在有限元软件ABAQUS的part模块中建立TGO-BC-SUB-Cuboid模型，记为模型B，模型B表示含有基底、过渡层和氧化层的涡轮叶片叶身部分的几何模型；
3）在有限元软件ABAQUS的part模块中建立BC-SUB-Cuboid模型，记为模型C，模型C表示含有基底和过渡层的涡轮叶片叶身部分的几何模型；
4）在有限元软件ABAQUS的part模块中建立SUB-Cuboid模型，记为模型D，模型D表示涡轮叶片叶身部分的基底模型，即没有任何涂层的涡轮叶片叶身的几何模型；
5）分别对A、B、C、D模型的叶片与Cuboid连接部位处进行倒角处理，模型A、B、C、D的倒角半径依次记为RA、RB、RC、RD，其中RB=RA+hc，RC=RB+ht，RD=RC+hb。之所以倒角大小不同且有这样的关系，是为了保证热障涂层各层厚度在各个位置完全相等。
（2）TBCs各层几何模型的建立
将步骤（1）中建立的A、B、C、D四个模型在有限元软件ABAQUS中的ASEEMBLY模块中：
1）将模型A与模型B相切，生成TBC层；
2）将模型B与模型C相切，生成TGO层；
3）将模型C与模型D相切，生成BC层；
4）再将所切得的TBC层、TGO层、BC层与模型D装配并保留边界地合并到一起，得到含有完整分层结构热障涂层的涡轮叶片叶身部分的几何模型，记为模型M1；
（二）榫头部分几何模型的建立
在ABAQUS软件的part模块中先画出榫头部分的截面草图，通过拉伸做出涡轮叶片榫头的几何模型，其中，所建的榫头模型的上表面与前面步骤模型中Cuboid的下表面的形状和大小完全一致，此榫头模型记为M2；
（三）完整的不含冷却通道的涡轮叶片几何模型的建立
在ABAQUS软件的assembly模块中将涡轮叶片叶身部分的几何模型M1和榫头部分的几何模型M2合并到一起，此处合并不保留边界，得到的就是一个完整的不含冷却通道的涡轮叶片的几何模型，记为模型M0；
二、含有多条冷却通道的几何模型的建立
（一）含有多条冷却通道的涡轮叶片叶身部分几何模型的建立
1）在ABAQUS软件中的part模块中建立几何模型E，模型E的形状与模型A、B、C、D完全相同，但其外边界到模型D的外边界正好相差SUB的厚度，此模型用来确定冷却通道的位置和范围大小；
2）以模型E的上表面为草图面，将此面沿着冷却通道的排列方向等分成若干份，再以具体的通道数目和间隔的数目均匀分配，将冷却通道的形状、位置和具体数目确定好，画出冷却通道截面草图，将此截面草图拉伸得到冷却通道模型，记为模型F；
3）将模型M1与模型F相切，得到含有多条冷却通道的涡轮叶片叶身部分的几何模型，记为模型M1'；
（二）含有多条冷却通道的涡轮叶片榫头部分几何模型的建立
1）以榫头部分的几何模型M2的上表面为草图面，将此面沿着冷却通道的排列方向等分成若干份，再以具体的通道数目和间隔的数目均匀分配，将冷却通道的形状、位置和具体数目确定好做出榫头部分冷却通道截面的草图，将此截面草图拉伸得到榫头部分的冷却通道模型，记为模型G；
2）将模型M2（榫头部分的几何模型）与模型G相切，得到含有多条冷却通道的涡轮叶片的榫头部分的模型，记为模型M2'；
（三）含冷却通道连接部分的榫头部分和叶身部分的几何模型的建立
由于模型中榫头部分和叶身部分的冷却通道的形状完全不相同，所以如果现在就将两部分装配到一起的话，必然会造成模型部件之间的不匹配，同时考虑到实际的涡轮叶片冷却通道的形状，我们将连接部分的几何模型假设为一个椭球体。但是椭球的位置很难确定，无法直接将椭球嵌入模型中冷却通道腔体的位置，也就无法完成冷却通道整体几何模型的构建。因此，本发明通过下面的方法确定椭球腔体的位置：
1）首先在ABAQUS的part模块中建立椭球模型，并将椭球从中间切为上下两个半椭球，然后在ABAQUS的assembly模块中，将上半椭球的平面部分的中心与模型M1'下表面的中心重合，上半椭球的平面完全包含在叶身部分的下表面内，上半椭球包含在模型M1'内，再将模型M1'与上半椭球模型相切，得到含有多条冷却通道及连接部分的涡轮叶片叶身部分的几何模型，记为模型M1''；
2）在ABAQUS的assembly模块中，将下半椭球的平面部分的中心与模型M2'上表面的中心重合，半椭球的平面完全在涡轮叶片榫头部分的上表面内，下半椭球在模型M2'内，将模型M2'与下半椭球相切，得到含有多条冷却通道及连接部分的榫头部分的模型，记为模型M2''；
三、含冷却通道连接部分的榫头部分和叶身部分的几何模型的合并
将模型M1'' 与模型M2''合并到一起得到完整的含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层的几何模型，记为模型M''， 模型M''就是我们的目标模型。
优选的，所述的含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层的有限元建模方法，还包括以下步骤：将模型M''与M0相切，得到完整的冷却通道的几何模型，记为模型X。模型X可以方便流固耦合等其他有限元模型的计算。
优选的，所述的含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层的有限元建模方法，还包括对模型M''进行网格化分。
优选的，所述的含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层的有限元建模方法，其网格划分按照以下步骤进行：
一、将模型M''切分为规则的叶身部分和不规则的榫头部分两个部分，切分的位置为榫头与叶身连接部分的倒角边界线；考虑到模型的结构复杂，网格划分也相应较为复杂，先将模型切分为两个部分。
二、规则的叶身部分的网格划分
1）添加辅助线，连接同一个倒角处所有分层倒角的边界点，得到一条垂直于界面的直线；由于TBCs为分层结构，但是在厚度方向，没有任何的边界线，所以，对于TBCs每一层内网格的分层就无法实现，传统的方法，可以将模型切削，从而得到边界线，但是由于模型的非对称性，切削只会增加划分网格的难度，由此我们通过添加辅助线的方法得到厚度方向的边界线；
2）布置种子，首先按尺寸整体布置种子，然后再将厚度方向的辅助线按照数目重新布置种子；整体布置种子，使得整体网格大小不会相差太大，考虑到厚度方向的尺寸相比高度方向的尺寸非常小，具体分层后就更小了，为了控制网格的数量和质量，整体的种子尺寸不能太小，所以厚度方向的种子需要单独布置。
3）选择六面体扫略网格，对这一部分进行网格的划分。
三、不规则的榫头部分的网格划分
由于榫头部分的上端，仍然有热障涂层的覆盖，其结构较为复杂，也是需要重点分析的区域，所以将此处的TBCs和基底的网格分开划分。
（一）榫头TBCs部分网格的划分
1）首先按尺寸整体布置种子，然后沿厚度方向布置种子，此处整体布置和沿厚度方向布置的种子尺寸和数目与叶身部分相应的种子尺寸相同；这是为了避免后面两个部分重新组合到一起后的节点不完全重合。
2）选择四面体网格，对这一部分进行划分网格；由于此处模型非常复杂，很难划分为六面体网格，所以，此处划分为四面体网格。
（二）榫头基底部分的网格划分
此处网格划分的难度主要在内部腔体的不规则性和内部倒角多而小，此部分由于倒角边界线的存在，模型中共有约150个面，其不规则性决定网格类型只能是四面体，而倒角边界线种子的布置更为复杂。
1）首先，按数目整体布置种子，保证每一条边界线上都能布置的足够数量的种子，然后，重新选定所有除倒角线以外的边界线线，按其尺寸布置种子，重新修改榫头部分与叶身部分切分面上的种子数目，使其与前面步骤中叶身部分的切分面上种子数目和位置完全相同；，这也是为了避免两部分重新组合到一起后的节点不完全重合。倒角线很短又多基本没法单独布种子，所以就先整体布种子，剩下的非倒角的边界线都较长，容易单独布种子。倒角的线都是曲线，非常短，如果不按照数目布种子，而是按照尺寸布种子的话，可能只有端点有种子，在整体的网格化分中就无法体现这条边的曲率（也就是说，一定数量的种子至少是3个，才能体现出这条边的特性）。
2）选择四面体网格，对这一部分划分网格。
将本发明方法建立的模型应用于温度场和应力场的分析时，可以遵循下列步骤：
一、定义材料属性，分别对各个部分定义材料属性。
二、设置位移边界条件和热边界条件。
三、加载和计算
第一，采用隐式算法，应用Heat transfer模型进行温度场的计算，将热循环过程中每一个单元的温度变化都计算出来。
第二，将第一步算出的温度场作为温度载荷，应用Static, General模型进行应力应变场的计算，最终得到涡轮叶片热障涂层热循环下的温度场和应力场。
四、结果表征和分析
进行结果表征，通过对结果中温度场和应力场的分析，来判断或预测涡轮叶片热障涂层在高温热循环下容易失效的区域。
本发明建立的一种含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层的有限元模型，不仅可以应用于温度场、应力场的计算，也可以应用于流固耦合等有限元模型的计算，本发明内容中提到的网格划分方法，也同样适用于含有分层结构的其他复杂模型。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的有限元建模方法完全在有限元软件ABAQUS中进行。针对复杂的几何模型，传统的建模方法一般是使用专业的造型软件UG、CATIA等，然而对于有限元模型而言，几何模型的构建只是第一步，要建立有限元模型就必须使用有限元软件，也就必须将已经建立好的几何模型导入到有限元软件中，由于软件之间的不完全兼容会造成几何模型在导入有限元软件后发生变化，容易造成部件与部件之间的不匹配。本发明方法彻底避免了此类问题的出现。
(2)本发明几何模型的构建考虑到榫头的真实形状，以及涡轮叶片有多条冷却通道的实际情况，建立的涡轮叶片热障涂层的有限元模型更接近现实状况，使得后续的温度场、应力场分析的计算结果更准确。
(3) 本发明所述的网格划分方法对于复杂几何模型有很大的借鉴意义，极大的提高了网格划分的速度和质量。复杂几何模型的网格划分问题一直是有限元建模者最头疼的问题之一，传统的方法一般有两个：方法一，降低要求，使用较低的网格质量（比如四面体网格或楔形网格等）勉强划分网格再进行后续计算，这样不仅对于计算精度有较大的影响，后处理中数据的提取和分析也可能无法实现；方法二，使用专业的网格划分软件（例如Hypermesh等），这样的方法网格质量可能得到改善，但同样存在软件之间的兼容性问题，除此之外，对于建模者而言，同时要掌握几个复杂的软件，学习和使用的难度很大。本发明所述的网格划分方法简单可行，在保证网格质量的同时，不需要借助任何其他软件，同时，高质量的网格也为后续的数据提取和分析提供了极大的便利。
附图说明
图1是本发明整体逻辑流程示意图；
图2是含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层的模型M''的示意图；
图3是叶身部分冷却通道与上半椭球连接的示意图；
图4是榫头部分冷却通道与上半椭球连接的示意图；
图5是冷却通道几何模型X的示意图；
图6是加载的热循环的温度曲线图，其中实线表示陶瓷层外表面温度，虚线表示陶瓷层内表面温度；
图7A是17个循环过后TBC层压力面的应力分布的云图；
图7B是17个循环过后TBC层吸力面的应力分布的云图；
图8A是17个循环过后TGO层压力面的应力分布的云图；
图8B是17个循环过后TGO层吸力面的应力分布的云图；
图9A是17个循环过后BC层压力面的应力分布的云图；
图9B是17个循环过后BC层吸力面的应力分布的云图；
图10A是17个循环过后SUB层压力面的应力分布的云图；
图10B是17个循环过后SUB层吸力面的应力分布的云图。
图中标记说明：1—叶身部分，11—叶身部分的冷却通道，2—榫头部分，21—榫头部分的冷却通道，3—椭球，31—上半椭球，32—下半椭球。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
选取已经建立的单个涡轮叶片模型作为实施对象，应用有限元软件ABAQUS建立有限元模型，主要是进行其在热循环载荷下的有限元仿真。
为了方便、简化起见，本发明作如下假设：1）TBCs各层材料各向同性；2）TBCs各层厚度均匀；3）采用理想弹塑性模型；4）各层蠕变均为时间硬化模型。
含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层有限元建模方法，包含以下步骤：
一、不含冷却通道的涡轮叶片几何模型的构建
（一）叶身部分几何模型的建立
（1）前期几何模型的建立
几何模型中，热障涂层用TBCs表示，陶瓷层用TBC表示，其厚度为hc；氧化层用TGO表示，其厚度为ht；过渡层用BC表示，其厚度为hb；涡轮叶片的叶身部分的基底用SUB表示，最小厚度为hs；本实施例中，hc=0.3mm，ht=0.01mm，hb=0.1mm，hs=2mm；
1）在有限元软件ABAQUS的part模块中建立TBC-TGO-BC-SUB-Cuboid模型，记为模型A，模型A表示含有基底、过渡层、氧化层和陶瓷层的涡轮叶片叶身部分的几何模型，此模型不含冷却通道，其中Cuboid代表叶片与榫头连接部位的长方体模型；之所以要包含Cuboid部分，有两个原因：第一，方便叶身部分和榫头部分的连接；第二，为了保证TBCs中陶瓷层、氧化层和过渡层在叶片外表面的整体性，同时保证各层在两个平面及其倒角处可以等厚）；
2）在有限元软件ABAQUS的part模块中建立TGO-BC-SUB-Cuboid模型，记为模型B，模型B表示含有基底、过渡层和氧化层的涡轮叶片叶身部分的几何模型；
3）在有限元软件ABAQUS的part模块中建立BC-SUB-Cuboid模型，记为模型C，模型C表示含有基底和过渡层的涡轮叶片叶身部分的几何模型；
4）在有限元软件ABAQUS的part模块中建立SUB-Cuboid模型，记为模型D，模型D表示涡轮叶片叶身部分的基底模型，即没有任何涂层的涡轮叶片叶身的几何模型；
5）分别对A、B、C、D模型的叶片与Cuboid连接部位处进行倒角处理，模型A、B、C、D的倒角半径依次记为RA、RB、RC、RD，其中RB=RA+hc，RC=RB+ht，RD=RC+hb。之所以倒角大小不同且有这样的关系，是为了保证热障涂层各层厚度在各个位置完全相等。
（2）TBCs各层几何模型的建立
将步骤（1）中建立的A、B、C、D四个模型在有限元软件ABAQUS中的ASEEMBLY模块中：
1）将模型A与模型B相切，生成TBC层；
2）将模型B与模型C相切，生成TGO层；
3）将模型C与模型D相切，生成BC层；
4）再将所切得的TBC层、TGO层、BC层与模型D装配并保留边界地合并到一起，得到含有完整分层结构热障涂层的涡轮叶片叶身部分的几何模型，记为模型M1；
（二）榫头部分几何模型的建立
在ABAQUS软件的part模块中先画出榫头部分的截面草图，通过拉伸做出涡轮叶片榫头的几何模型，其中，所建的榫头模型的上表面与前面步骤模型中Cuboid的下表面的形状和大小完全一致，此榫头模型记为M2；
（三）完整的不含冷却通道的涡轮叶片几何模型的建立
在ABAQUS软件的assembly模块中将涡轮叶片叶身部分的几何模型M1和榫头部分的几何模型M2合并到一起，此处合并不保留边界，得到的就是一个完整的不含冷却通道的涡轮叶片的几何模型，记为模型M0；
二、含有多条冷却通道的几何模型的建立
（一）含有多条冷却通道的涡轮叶片叶身部分几何模型的建立
1）在ABAQUS软件中的part模块中建立几何模型E，模型E的形状与模型A、B、C、D完全相同，但其外边界到模型D的外边界正好相差SUB的厚度，此模型用来确定冷却通道的位置和范围大小；
2）以模型E的上表面为草图面，将此面沿着冷却通道的排列方向等分成若干份，再以具体的通道数目和间隔的数目均匀分配，将冷却通道的形状、位置和具体数目确定好，画出冷却通道截面草图，将此截面草图拉伸得到冷却通道模型，记为模型F；
3）将模型M1与模型F相切，得到含有多条冷却通道的涡轮叶片叶身部分的几何模型，记为模型M1'；
（二）含有多条冷却通道的涡轮叶片榫头部分几何模型的建立
1）以榫头部分的几何模型M2的上表面为草图面，将此面沿着冷却通道的排列方向等分成若干份，再以具体的通道数目和间隔的数目均匀分配，将冷却通道的形状、位置和具体数目确定好做出榫头部分冷却通道截面的草图，将此截面草图拉伸得到榫头部分的冷却通道模型，记为模型G；
2）将模型M2（榫头部分的几何模型）与模型G相切，得到含有多条冷却通道的涡轮叶片的榫头部分的模型，记为模型M2'；
（三）含冷却通道连接部分的榫头部分和叶身部分的几何模型的建立
由于模型中榫头部分和叶身部分的冷却通道的形状完全不相同，所以如果现在就将两部分装配到一起的话，必然会造成模型部件之间的不匹配，同时考虑到实际的涡轮叶片冷却通道的形状，我们将连接部分的几何模型假设为一个椭球体。但是椭球的位置很难确定，无法直接将椭球嵌入模型中冷却通道腔体的位置，也就无法完成冷却通道整体几何模型的构建。因此，本发明通过下面的方法确定椭球腔体的位置。
1）首先在ABAQUS的part模块中建立椭球模型，并将椭球从中间切为上下两个半椭球，然后在ABAQUS的assembly模块中，将上半椭球的平面部分的中心与模型M1'下表面的中心重合，上半椭球的平面完全包含在叶身部分的下表面内，上半椭球包含在模型M1'内，再将模型M1'与上半椭球模型相切，得到含有多条冷却通道及连接部分的涡轮叶片叶身部分的几何模型，记为模型M1''；
2）在ABAQUS的assembly模块中，将下半椭球的平面部分的中心与模型M2'上表面的中心重合，半椭球的平面完全在涡轮叶片榫头部分的上表面内，下半椭球在模型M2'内，将模型M2'与下半椭球相切，得到含有多条冷却通道及连接部分的榫头部分的模型，记为模型M2''；
三、含冷却通道连接部分的榫头部分和叶身部分的几何模型的合并和完整的冷却通道的几何模型的建立
将模型M1'' 与模型M2''合并到一起得到完整的含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层的几何模型，记为模型M''， 模型M''就是我们的目标模型。
为了方便流固耦合等其他模型的构建，我们同时也要将完整的冷却通道的几何模型构建出来。将没有考虑冷却通道的完整的涡轮叶片模型M0与考虑冷却通道的完整的涡轮叶片模型M''相切，得到完整的冷却通道的几何模型，记为模型X。
四、对模型M''进行网格划分
网格划分按照以下步骤进行：
（一）将模型M''切分为规则的叶身部分和不规则的榫头部分两个部分，切分的位置为榫头与叶身连接部分的倒角边界线；考虑到模型的结构复杂，网格划分也相应较为复杂，先将模型切分为两个部分。
（二）规则的叶身部分的网格划分
1）添加辅助线，连接同一个倒角处所有分层倒角的边界点，得到一条垂直于界面的直线；由于TBCs为分层结构，但是在厚度方向，没有任何的边界线，所以，对于TBCs每一层内网格的分层就无法实现，传统的方法，可以将模型切削，从而得到边界线，但是由于模型的非对称性，切削只会增加划分网格的难度，由此我们通过添加辅助线的方法得到厚度方向的边界线；
2）布置种子，首先按尺寸整体布置种子，然后再将厚度方向的辅助线按照数目重新布置种子；整体布置种子，使得整体网格大小不会相差太大，考虑到厚度方向的尺寸相比高度方向的尺寸非常小，具体分层后就更小了，为了控制网格的数量和质量，整体的种子尺寸不能太小，所以厚度方向的种子需要单独布置。
3）选择六面体扫略网格，对这一部分进行网格的划分。
（三）不规则的榫头部分的网格划分
由于榫头部分的上端，仍然有热障涂层的覆盖，其结构较为复杂，也是需要重点分析的区域，所以将此处的TBCs和基底的网格分开划分。
1.榫头TBCs部分网格的划分
1）首先按尺寸整体布置种子，然后沿厚度方向布置种子，此处整体布置和沿厚度方向布置的种子尺寸和数目与叶身部分相应的种子尺寸相同；这是为了避免后面两个部分重新组合到一起后的节点不完全重合。
2）选择四面体网格，对这一部分进行划分网格；由于此处模型非常复杂，很难划分为六面体网格，所以，此处划分为四面体网格。
2.榫头基底部分的网格划分
此处网格划分的难度主要在内部腔体的不规则性和内部倒角多而小，此部分由于倒角边界线的存在，模型中共有约150个面，其不规则性决定网格类型只能是四面体，而倒角边界线种子的布置更为复杂。
1）首先，按数目整体布置种子，保证每一条边界线上都能布置的足够数量的种子，然后，重新选定所有除倒角线以外的边界线线，按其尺寸布置种子，重新修改榫头部分与叶身部分切分面上的种子数目，使其与前面步骤中叶身部分的切分面上种子数目和位置完全相同；，这也是为了避免两部分重新组合到一起后的节点不完全重合。倒角线很短又多基本没法单独布种子，所以就先整体布种子，剩下的非倒角的边界线都较长，容易单独布种子。倒角的线都是曲线，非常短，如果不按照数目布种子，而是按照尺寸布种子的话，可能只有端点有种子，在整体的网格化分中就无法体现这条边的曲率（也就是说，一定数量的种子至少是3个，才能体现出这条边的特性）。
2）选择四面体网格，对这一部分划分网格。
将本发明方法建立的模型应用于温度场和应力场的分析，按下列步骤进行：
一、定义材料属性
分别对陶瓷层、氧化层、过渡层和基底定义材料属性，具体材料属性如下表所示：
表1 热传导系数
| 温度(℃) | 基底(W/m℃) | 过渡层(W/m℃) | 氧化层(W/m℃) | 陶瓷层(W/m℃) |
| 20 | 88.000 | 5.800 | 10.000 | 1.956 |
| 200 | 73.300 | 7.500 | 7.794 | 1.834 |
| 400 | 59.500 | 9.500 | 6.029 | 1.736 |
| 600 | 62.000 | 12.000 | 5.074 | 1.627 |
| 800 | 65.000 | 14.500 | 4.412 | 1.634 |
| 1000 | 68.100 | 16.200 | 4.412 | 1.681 |
| 1100 | 69.000 | 17.000 | 4.000 | 1.700 |
表2弹性模量
| 温度(℃) | 基底 (GPa) | 过渡层(GPa) | 氧化层(GPa) | 陶瓷层(GPa) |
| 20 | 220 | 200 | 400 | 48 |
| 200 | 210 | 190 | 390 | 47 |
| 400 | 190 | 175 | 380 | 44 |
| 600 | 170 | 160 | 370 | 40 |
| 800 | 155 | 145 | 355 | 34 |
| 1000 | 130 | 120 | 325 | 26 |
| 1100 | 120 | 110 | 320 | 22 |
表3泊松比
| 温度 (℃) | 基底 | 过渡层 | 氧化层 | 陶瓷层 |
| 20 | 0.31 | 0.30 | 0.23 | 0.10 |
| 200 | 0.32 | 0.30 | 0.23 | 0.10 |
| 400 | 0.33 | 0.31 | 0.24 | 0.10 |
| 600 | 0.33 | 0.31 | 0.24 | 0.11 |
| 800 | 0.34 | 0.32 | 0.25 | 0.11 |
| 1000 | 0.35 | 0.33 | 0.25 | 0.12 |
| 1100 | 0.35 | 0.33 | 0.25 | 0.12 |
表4比热
| 基底(J/Kg.K) | 过渡层(J/Kg.K) | 氧化层(J/Kg.K) | 陶瓷层(J/Kg.K) |
| 440 | 450 | 755 | 505 |
表5密度
| 基底(Kg/m3) | 过渡层(Kg/m3) | 氧化层(Kg/m3) | 陶瓷层(Kg/m3) |
| 8500 | 7380 | 3984 | 3610 |
表6热膨胀系数
表7屈服强度
表8蠕变参数
| 参数 | 基底 | 过渡层 | 氧化层 | 陶瓷层 |
| A | - | 1.39*10-7 | 7.3*10-9 | 1.8*10-9 |
| n | - | 1 | 1 | 1 |
| m | - | 0 | 0 | 0 |
二、设置位移边界条件和热边界条件
位移边界条件是固定底座下表面一点，热边界条件是根据热循环过程中陶瓷层外温度和基底内冷却通道温度来定义的：
（一）TBCs制备工序完成后，整个叶片从850℃冷却至室温20℃；
（二）热循环：300s的时间升温，其中陶瓷层外表面温度从20℃升温至1150℃（线性），基底内表面温度从20℃升温至850℃（线性）；然后保温3000s；300s的时间降温，其中陶瓷层外表面从1150℃降温至20℃（线性），基底内表面温度从850℃降温至20℃（线性）。
三、加载和计算
第一，采用隐式算法，应用Heat transfer模型进行温度场的计算，将热循环过程中每一个单元的温度变化都计算出来。
第二，将第一步算出的温度场作为温度载荷，应用Static, General模型进行应力应变场的计算，最终得到涡轮叶片热障涂层热循环下的温度场和应力场。
四、进行结果表征和分析
在制备完成后，可以通过温度分布的云图看出不同位置的热障涂层对于基底的保护作用的强弱，其中明显可以看出，压力面和吸力面的涂层部分承担了较大的温度梯度，而前缘处和后缘处的涂层承担的温度梯度相对较小，而从应力场也可以看出，压力面的应力最大，其次是吸力面，前缘处和后缘处的应力较小，也说明了压力面是最危险的区域，有可能会是失效最先发生的地方。
在17个循环过后，我们可以看出应力最大的区域及点在压力面叶片和榫头的连接处，其次是吸力面上叶片与榫头的连接处。同样可以说明这些区域是危险区域，除此之外的区域，应力水平都比较低，不容易发生破坏。
Claims (4)
1.含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层的有限元建模方法，其特征在于包括以下几个步骤：
一、不含冷却通道的涡轮叶片几何模型的构建
（一）叶身部分几何模型的建立
（1）前期几何模型的建立
几何模型中，热障涂层用TBCs表示，陶瓷层用TBC表示，其厚度为hc；氧化层用TGO表示，其厚度为ht；过渡层用BC表示，其厚度为hb；涡轮叶片的叶身部分的基底用SUB表示，最小厚度为hs；
1）在有限元软件ABAQUS的part模块中建立TBC-TGO-BC-SUB-Cuboid模型，记为模型A，模型A表示含有基底、过渡层、氧化层和陶瓷层的涡轮叶片叶身部分的几何模型，此模型不含冷却通道，其中Cuboid代表叶片与榫头连接部位的长方体模型；
2）在有限元软件ABAQUS的part模块中建立TGO-BC-SUB-Cuboid模型，记为模型B，模型B表示含有基底、过渡层和氧化层的涡轮叶片叶身部分的几何模型；
3）在有限元软件ABAQUS的part模块中建立BC-SUB-Cuboid模型，记为模型C，模型C表示含有基底和过渡层的涡轮叶片叶身部分的几何模型；
4）在有限元软件ABAQUS的part模块中建立SUB-Cuboid模型，记为模型D，模型D表示涡轮叶片叶身部分的基底模型，即没有任何涂层的涡轮叶片叶身的几何模型；
5）分别对A、B、C、D模型的叶片与Cuboid连接部位处进行倒角处理，模型A、B、C、D的倒角半径依次记为RA、RB、RC、RD，其中RB=RA+hc，RC=RB+ht，RD=RC+hb；
TBCs各层几何模型的建立
将步骤（1）中建立的A、B、C、D四个模型在有限元软件ABAQUS中的ASEEMBLY模块中：
1）将模型A与模型B相切，生成TBC层；
2）将模型B与模型C相切，生成TGO层；
3）将模型C与模型D相切，生成BC层；
4）再将所切得的TBC层、TGO层、BC层与模型D装配并保留边界地合并到一起，得到含有完整分层结构热障涂层的涡轮叶片叶身部分的几何模型，记为模型M1；
（二）榫头部分几何模型的建立
在ABAQUS软件的part模块中先画出榫头部分的截面草图，通过拉伸做出涡轮叶片榫头的几何模型，其中，所建的榫头模型的上表面与前面步骤模型中Cuboid的下表面的形状和大小完全一致，此榫头模型记为M2；
（三）完整的不含冷却通道的涡轮叶片几何模型的建立
在ABAQUS软件的assembly模块中将涡轮叶片叶身部分的几何模型M1和榫头部分的几何模型M2合并到一起，此处合并不保留边界，得到的就是一个完整的不含冷却通道的涡轮叶片的几何模型，记为模型M0；
二、含有多条冷却通道的几何模型的建立
（一）含有多条冷却通道的涡轮叶片叶身部分几何模型的建立
1）在ABAQUS软件中的part模块中建立几何模型E，模型E的形状与模型A、B、C、D完全相同，但其外边界到模型D的外边界正好相差SUB的厚度，此模型用来确定冷却通道的位置和范围大小；
2）以模型E的上表面为草图面，将此面沿着冷却通道的排列方向等分成若干份，再以具体的通道数目和间隔的数目均匀分配，将冷却通道的形状、位置和具体数目确定好，画出冷却通道截面草图，将此截面草图拉伸得到冷却通道模型，记为模型F；
3）将模型M1与模型F相切，得到含有多条冷却通道的涡轮叶片叶身部分的几何模型，记为模型M1'；
（二）含有多条冷却通道的涡轮叶片榫头部分几何模型的建立
1）以榫头部分的几何模型M2的上表面为草图面，将此面沿着冷却通道的排列方向等分成若干份，再以具体的通道数目和间隔的数目均匀分配，将冷却通道的形状、位置和具体数目确定好做出榫头部分冷却通道截面的草图，将此截面草图拉伸得到榫头部分的冷却通道模型，记为模型G；
2）将模型M2（榫头部分的几何模型）与模型G相切，得到含有多条冷却通道的涡轮叶片的榫头部分的模型，记为模型M2'；
（三）含冷却通道连接部分的榫头部分和叶身部分的几何模型建立
1）首先在ABAQUS的part模块中建立椭球模型，并将椭球从中间切为上下两个半椭球，然后在ABAQUS的assembly模块中，将上半椭球的平面部分的中心与模型M1'下表面的中心重合，上半椭球的平面完全包含在叶身部分的下表面内，上半椭球包含在模型M1'内，再将模型M1'与上半椭球模型相切，得到含有多条冷却通道及连接部分的涡轮叶片叶身部分的几何模型，记为模型M1''；
2）在ABAQUS的assembly模块中，将下半椭球的平面部分的中心与模型M2'上表面的中心重合，半椭球的平面完全在涡轮叶片榫头部分的上表面内，下半椭球在模型M2'内，将模型M2'与下半椭球相切，得到含有多条冷却通道及连接部分的榫头部分的模型，记为模型M2''；
三、含冷却通道连接部分的榫头部分和叶身部分的几何模型的合并
将模型M1''与模型M2''合并到一起得到完整的含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层的几何模型，记为模型M''。
2.根据权利要求1所述的含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层的有限元建模方法，其特征在于包括以下步骤：将模型M''与M0相切，得到完整的冷却通道的几何模型，记为模型X。
3. 根据权利要求1所述的含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层的有限元建模方法，其特征在于还包括对模型M''进行网格划分这个步骤。
4. 根据权利要求3所述的含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层的有限元建模方法，其特征在于，所述的网格划分按照以下步骤进行：
一、将模型M''切分为规则的叶身部分和不规则的榫头部分两个部分，切分的位置为榫头与叶身连接部分的倒角边界线；
二、规则的叶身部分的网格划分
1）添加辅助线：连接同一个倒角处所有分层倒角的边界点，得到一条垂直于界面的直线，以此方法，将所有倒角处的垂直于界面的直线一一画出；
2）布置种子，首先按尺寸整体布置种子，然后再将厚度方向的所有辅助线按照数目重新布置种子；
3）选择六面体扫略网格，对这一部分进行网格的划分；
三、不规则的榫头部分的网格划分
（一）榫头TBCs部分网格的划分
1）首先按尺寸整体布置种子，然后沿厚度方向布置种子，此处整体布置和沿厚度方向布置的种子尺寸和数目与叶身部分相应的种子尺寸和数目相同；
2）选择四面体网格，对这一部分进行划分网格；
（二）榫头基底部分的网格划分
1）首先，按数目整体布置种子，保证每一条边界线上都能布置的足够数量的种子，然后，重新选定所有除倒角线以外的边界线线，按其尺寸布置种子，重新修改榫头部分与叶身部分切分面上的种子数目，使其与前面步骤中叶身部分的切分面上种子数目和位置完全相同；
2）选择四面体网格，对这一部分划分网格。
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|---|---|---|---|---|
| CN103886163A (zh) * | 2014-04-14 | 2014-06-25 | 湘潭大学 | 一种涡轮叶片热障涂层的有限元模型的网格划分方法 |
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| CN113806854A (zh) * | 2020-06-12 | 2021-12-17 | 中国航发商用航空发动机有限责任公司 | 涡轮叶片气膜孔孔内换热计算方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101567025A (zh) * | 2009-05-31 | 2009-10-28 | 湘潭大学 | 用于涡轮叶片热障涂层系统破坏过程的有限元建模方法 |
| CN101799336A (zh) * | 2010-03-12 | 2010-08-11 | 湘潭大学 | 涡轮叶片热障涂层应力的预测方法 |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101567025A (zh) * | 2009-05-31 | 2009-10-28 | 湘潭大学 | 用于涡轮叶片热障涂层系统破坏过程的有限元建模方法 |
| CN101799336A (zh) * | 2010-03-12 | 2010-08-11 | 湘潭大学 | 涡轮叶片热障涂层应力的预测方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| SADOWSKI T等: "The influence of quantity and distribution of cooling channels of turbine elements on level of stresses in the protective layer TBC and the efficiency of cooling", 《COMPUTATIONAL MATERIALS》 * |
| 杨丽等: "热障涂层的冲蚀破坏机理研究进展", 《力学进展》 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103886163A (zh) * | 2014-04-14 | 2014-06-25 | 湘潭大学 | 一种涡轮叶片热障涂层的有限元模型的网格划分方法 |
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| CN109446592A (zh) * | 2018-10-09 | 2019-03-08 | 湘潭大学 | 一种涡轮叶片热障涂层应用效果的评价方法 |
| CN109614739A (zh) * | 2018-12-24 | 2019-04-12 | 成都安世亚太科技有限公司 | 一种新型的针对带冠叶片的非线性接触处理方法 |
| CN113806854A (zh) * | 2020-06-12 | 2021-12-17 | 中国航发商用航空发动机有限责任公司 | 涡轮叶片气膜孔孔内换热计算方法 |
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