CN105046023A - 涂有热障涂层的器件的工况模拟方法 - Google Patents
涂有热障涂层的器件的工况模拟方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种涂有热障涂层的器件的工况模拟方法，其包括如下步骤：S1.建立含有涂层分界面且涂有热障涂层的器件的几何模型；S2.建立所述几何模型相对应的固体域计算模型；S3.建立与步骤S1中所述几何模型相对应的外流场模型；S4.对所述外流场模型进行流体前分析处理，生成流体域计算模型；S5.得到涂有热障涂层的器件的温度场数据和应力场数据；S6.生成涂有热障涂层的器件的外表面温度场和应力场分布图。本发明的模拟方法既能够准确模拟外流场流体的运动，以保证温度场的准确性，又能在充分考虑器件的几何复杂程度的情况下，准确模拟结构热应力的变化，大大降低了研究热障涂层在高温服役环境下的破坏机理的成本，具有良好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及高性能航空发动机中，隔热防护涂层系统的技术领域，具体涉及一种涂有热障涂层的器件的工况模拟方法。
背景技术
热障涂层(thermalbarriercoatings,简称TBCs)是一层陶瓷涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面。热障涂层对于基底材料起到隔热作用，其可降低基底温度，使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片)能在高温下运行，具有熔点高、热传导率低、耐腐蚀性、抗热震的特点。高温服役过程中，热障涂层可保护高温基底、提高热机温度和热效率，从而被广泛应用于航空、化工、冶金和能源领域。
然而，在实际应用的过程中，由于材料参数不匹配及热残余应力、陶瓷材料的高温烧结效应、高温蠕变、高温疲劳、高温界面氧化等的影响，涂层内容易出现裂纹的萌生和扩展，导致热障涂层的剥离。而一旦涂层剥离，基底金属部件就会暴露在高温环境下，其后果是非常严重的。
因此，研究热障涂层在高温服役环境下的破坏机理是非常重要的，但是，由于热障涂层涡轮叶片的服役环境极为复杂，用实验的办法探讨其破坏机理，所需巨大。
因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种涂有热障涂层的器件的工况模拟方法，以克服现有技术中存在的不足。
为实现上述目的，本发明提供一种涂有热障涂层的器件的工况模拟方法，其包括以下步骤：
S1.在有限元建模软件中，建立含有涂层分界面且涂有热障涂层的器件的几何模型；
S2.在有限元建模软件中，建立所述几何模型相对应的固体域计算模型；
S3.在有限元建模软件中，建立与步骤S1中所述几何模型相对应的外流场模型；
S4.在流体分析前处理软件中，对所述外流场模型进行流体前分析处理，生成流体域计算模型；
S5.在物理场耦合软件中，设置所述固体域计算模型和所述流体域计算模型的耦合参数，并根据预设程序进行计算，得到涂有热障涂层的器件的温度场数据和应力场数据；
S6.在有限元分析软件中，根据所述温度场数据和应力场数据，生成涂有热障涂层的器件的外表面温度场和应力场分布图。
作为本发明的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法的改进，所述步骤S1具体包括：
S11.建立包含热障涂层和器件基底的几何模型，记为Part1；
S12.单独建立器件基底的几何模型，记为Part2；
S13.对所述Part1和所述Part2进行布尔相减操作，得到热障涂层的几何模型，记为COA；
S14.对所述COA和所述Part2进行布尔合并操作，得到含有涂层分界面且涂有热障涂层的器件的几何模型。
作为本发明的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法的改进，所述步骤S12之后还包括对Part1和Part2进行倒角操作的步骤。
作为本发明的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法的改进，所述步骤S2具体包括：
S21.定义所述几何模型的固体耦合边界面；
S22.设置热力学分析步、材料参数和边界条件，根据该设置，对固体耦合边界面进行网格划分，并生成所述几何模型相对应的固体域计算模型。
作为本发明的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法的改进，所述步骤S3具体包括：
S31.根据步骤S1中所述几何模型和涂有热障涂层的器件真实的外流场环境，建立包含所述涂有热障涂层的器件的外流场模型，记为Part3；
S32.将Part3与步骤S1中所述几何模型进行布尔相减操作，得到与步骤S1中所述几何模型相对应的外流场模型。
作为本发明的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法的改进，所述步骤S4具体包括：
S41.将外流场模型导入流体分析前处理软件中，定义气体耦合边界面和周期性边界面，采用O型分网技术划分六面体网格，生成MSH网格文件；
S42.将MSH文件导入软件FLUENT，设置外流场模型边界条件和气体物性参数，生成流体域计算模型。
作为本发明的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法的改进，所述步骤S41具体包括：
将外流场模型导入软件ICEMCFD，定义气体入口面和出口面，同时定义周期性边界面；
定义流体耦合边界面，采用O型分网技术划分外流场网格，生成MSH网格文件，保存MSH网格文件。
作为本发明的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法的改进，所述步骤S5具体包括：
S51.在MPCCI软件中，同时导入所述固体域计算模型和所述流体域计算模型，检查耦合模型的正确性；
S52.将固体耦合边界面和流体耦合边界面设置为一对耦合面，并选择膜温度、对流换热系数和壁面温度为耦合变量；
S53.根据所述耦合变量，计算得到涂有热障涂层的器件的温度场和应力场的ODB数据文件。
涂有热障涂层的器件的工况模拟方法
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法既能够准确模拟外流场流体的运动，以保证温度场的准确性，又能在充分考虑器件的几何复杂程度的情况下，准确模拟结构热应力的变化，大大降低了研究热障涂层在高温服役环境下的破坏机理的成本，具有良好的经济效益。
附图说明
图1是本发明的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法的方法流程示意图；
图2为建立的表面热障涂层涡轮叶片的几何模型；
图3为建立与上述几何模型相对应的外流场模型；
图4为器件为涡轮叶片时，叶身中截面与叶身外表面相交路径的温度分布；
图5为器件为涡轮叶片时，叶片上表面由外到内的温度分布。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示，本发明的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法包括如下步骤：
S1.在有限元建模软件中，建立含有涂层分界面且涂有热障涂层的器件的几何模型。
如图2所示，所述器件是可以为航空发动机的涡轮叶片，所述涡轮叶片包括叶身1、倒角2以及底座3。同时，该涡轮叶片表面覆盖有热障涂层。所述热障涂层用COA表示，厚度为HC，基底用SUB表示，厚度为HS，各层包含有倒角、底座等几何特征，倒角半径为R，叶片内部有冷却通道。本实施方式中，优选地，HC＝0.2mm、HS＝3.18mm、R＝0.2mm。
所述步骤S1具体包括：
S11.建立包含热障涂层和器件基底的几何模型，记为Part1。
其中，建立相应几何模型时，可在ABAQUS软件中进行，该ABAQUS软件为有限元建模软件的一种。
S12.单独建立器件基底的几何模型，记为Part2。
其中，单独建立器件基底的几何模型时，继续在ABAQUS软件中操作。此外，所述步骤S12之后还包括对Part1和Part2进行倒角操作的步骤。
S13.对所述Part1和所述Part2进行布尔相减操作，得到热障涂层的几何模型，记为COA。
S14.对所述COA和所述Part2进行布尔合并操作，得到含有涂层分界面且涂有热障涂层的器件的几何模型。
其中，得到含有涂层分界面且涂有热障涂层的器件的几何模型后，继续将该几何模型保存为TBCs.STP文件。
S2.在有限元建模软件中，建立所述几何模型相对应的固体域计算模型。
所述步骤S2具体包括：
S21.定义所述几何模型的固体耦合边界面；
其中，所述边界面由叶身外表面、倒角和底座上表面三部分构成，将其命名为SSURF。
S22.设置热力学分析步、材料参数和边界条件，根据该设置，对固体耦合边界面进行网格划分，并生成所述几何模型相对应的固体域计算模型。
其中，所述固体域计算模型为INP文件。所述材料参数包括热障涂层和器件本身的材料参数，如上所述，所述器件可以为航空发动机的涡轮叶片。具体地，材料参数具体包括：密度、弹性模量、泊松比、热传导系数、热膨胀系数和比热。材料参数的具体数值如下表1、2所示，其中，表1涡轮叶片本身的材料参数；表2为热障涂层的材料参数。
表1.
表2.
所述热力学分析步为COUPLEDTEMP—DISPLACEMENT分析步；器件内部和冷却气流之间进行对流换热时，冷却气流温度为600k，对流换热系数为5000w/m2k；固定底座下底面，约束其位移和转动自由度。
S3.在有限元建模软件中，建立与步骤S1中所述几何模型相对应的外流场模型。
其中，具体地，在ABAQUS软件中，建立与步骤S1中所述几何模型相对应的外流场模型。建立的与该几何模型相对应的外流场模型如图3所示。
所述步骤S3具体包括：
S31.根据步骤S1中所述几何模型和涂有热障涂层的器件真实的外流场环境，建立包含所述涂有热障涂层的器件的外流场模型，记为Part3。
其中，具体地，所述外流场模型前后两个面为曲面，二者的几何特征相同，其他四个面为平面。
S32.将Part3与步骤S1中所述几何模型进行布尔相减操作，得到与步骤S1中所述几何模型相对应的外流场模型。
S4.在流体分析前处理软件中，对所述外流场模型进行流体前分析处理，生成流体域计算模型。其中，所述流体域计算模型为CAS文件。
所述步骤S4具体包括：
S41.将外流场模型导入流体分析前处理软件中，定义气体耦合边界面和周期性边界面，采用O型分网技术划分六面体网格，生成MSH网格文件。
其中，所述前处理软件可以为ICEMCFD。所述步骤S41具体包括：
将外流场模型导入软件ICEMCFD，定义气体入口面和出口面，同时定义周期性边界面；定义流体耦合边界面，采用O型分网技术划分外流场网格，生成MSH网格文件，保存MSH网格文件。
进一步地，采用O型分网技术划分六面体网格时，正确设置第一层网格的厚度，厚度值可由公式yp＝v/ut计算得到。其中，v表示流体平均流动速度、ut表示表面摩擦系数，第一层网格厚度为0.001mm，生成网格后保存网格数据文件FLUID.MSH。
S42.将MSH文件导入软件FLUENT，设置外流场模型边界条件和气体物性参数，生成流体域计算模型。
步骤S42中，按照如下方式设置外流场模型边界条件和气体物性参数：首先，将外流场高温燃气简化为理想气体，设置热传导系数、比热容、动力粘度等气体材料参数；选择k-e湍流模型和非平衡壁面函数；设置初始入口气体温度1350k、入口气体压力0.1013atm、出口气体压力0.2atm、工作压力1atm。具体地，气体物性参数如下表3所示：
表3.
S5.在物理场耦合软件中，设置所述固体域计算模型和所述流体域计算模型的耦合参数，并根据预设程序进行计算，得到涂有热障涂层的器件的温度场数据和应力场数据。
其中，所述物理场耦合软件可以为MPCCI软件，设置耦合参数时，需同时导入所述INP文件和CAS文件，从而，完成流固耦合仿真，计算得到含有器件温度场和应力场的数据文件。所述数据文件为ODB文件。
所述步骤S5具体包括：
S51.在MPCCI软件中，同时导入所述固体域计算模型和所述流体域计算模型，检查耦合模型的正确性。
S52.将固体耦合边界面和流体耦合边界面设置为一对耦合面，并选择膜温度、对流换热系数和壁面温度为耦合变量。
其中，膜温度和对流换热系数由FLUENT传递到ABAQUS，而壁面温度由ABAQUS传递到FLUENT。
S53.根据所述耦合变量，计算得到涂有热障涂层的器件的温度场和应力场的ODB数据文件。
S6.在有限元分析软件中，根据所述温度场数据和应力场数据，生成涂有热障涂层的器件的外表面温度场和应力场分布图。
其中，所述有限元分析软件为ABAQUS软件，所述温度场数据和应力场数据为ODB数据文件。
如图4、5所示，图4为器件为涡轮叶片时，叶身中截面与叶身外表面相交路径的温度分布；图5为器件为涡轮叶片时，叶片上表面由外到内的温度分布。由图4、5可知，叶片前端和后端温度较高，压力面温度高于吸力面温度，热障涂层的隔热效果和冷却系统效率相关。
综上所述，本发明的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法既能够准确模拟外流场流体的运动，以保证温度场的准确性，又能在充分考虑器件的几何复杂程度的情况下，准确模拟结构热应力的变化，大大降低了研究热障涂层在高温服役环境下的破坏机理的成本，具有良好的经济效益。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (8)
1.一种涂有热障涂层的器件的工况模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在有限元建模软件中，建立含有涂层分界面且涂有热障涂层的器件的几何模型；
S2.在有限元建模软件中，建立所述几何模型相对应的固体域计算模型；
S3.在有限元建模软件中，建立与步骤S1中所述几何模型相对应的外流场模型；
S4.在流体分析前处理软件中，对所述外流场模型进行流体前分析处理，生成流体域计算模型；
S5.在物理场耦合软件中，设置所述固体域计算模型和所述流体域计算模型的耦合参数，并根据预设程序进行计算，得到涂有热障涂层的器件的温度场数据和应力场数据；
S6.在有限元分析软件中，根据所述温度场数据和应力场数据，生成涂有热障涂层的器件的外表面温度场和应力场分布图。
2.根据权利要求1所述的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S11.建立包含热障涂层和器件基底的几何模型，记为Part1；
S12.单独建立器件基底的几何模型，记为Part2；
S13.对所述Part1和所述Part2进行布尔相减操作，得到热障涂层的几何模型，记为COA；
S14.对所述COA和所述Part2进行布尔合并操作，得到含有涂层分界面且涂有热障涂层的器件的几何模型。
3.根据权利要求2所述的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法，其特征在于，所述步骤S12之后还包括对Part1和Part2进行倒角操作的步骤。
4.根据权利要求1所述的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21.定义所述几何模型的固体耦合边界面；
S22.设置热力学分析步、材料参数和边界条件，根据该设置，对固体耦合边界面进行网格划分，并生成所述几何模型相对应的固体域计算模型。
5.根据权利要求1所述的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31.根据步骤S1中所述几何模型和涂有热障涂层的器件真实的外流场环境，建立包含所述涂有热障涂层的器件的外流场模型，记为Part3；
S32.将Part3与步骤S1中所述几何模型进行布尔相减操作，得到与步骤S1中所述几何模型相对应的外流场模型。
6.根据权利要求1所述的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
S41.将外流场模型导入流体分析前处理软件中，定义气体耦合边界面和周期性边界面，采用O型分网技术划分六面体网格，生成MSH网格文件；
S42.将MSH文件导入软件FLUENT，设置外流场模型边界条件和气体物性参数，生成流体域计算模型。
7.根据权利要求6所述的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法，其特征在于，所述步骤S41具体包括：
将外流场模型导入软件ICEMCFD，定义气体入口面和出口面，同时定义周期性边界面；
定义流体耦合边界面，采用O型分网技术划分外流场网格，生成MSH网格文件，保存MSH网格文件。
8.根据权利要求1所述的涂有热障涂层的器件的工况模拟方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
S51.在物理场耦合软件MPCCI中，同时导入所述固体域计算模型和所述流体域计算模型，检查耦合模型的正确性；
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S53.根据所述耦合变量，计算得到涂有热障涂层的器件的温度场和应力场的ODB数据文件。
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