CN115544690B - 一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法 - Google Patents
一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115544690B CN115544690B CN202211264771.2A CN202211264771A CN115544690B CN 115544690 B CN115544690 B CN 115544690B CN 202211264771 A CN202211264771 A CN 202211264771A CN 115544690 B CN115544690 B CN 115544690B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- growth
- microcracks
- coordinate system
- directions
- coating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000012720 thermal barrier coating Substances 0.000 title claims abstract description 41
- 238000012546 transfer Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 title claims abstract description 6
- 230000012010 growth Effects 0.000 claims abstract description 46
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 44
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 36
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 34
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 15
- 230000003698 anagen phase Effects 0.000 claims description 13
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 12
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 claims description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 6
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 6
- 238000000342 Monte Carlo simulation Methods 0.000 claims description 5
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims description 4
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 claims description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 claims description 3
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 claims description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 3
- 238000011426 transformation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 206010034719 Personality change Diseases 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000036544 posture Effects 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/08—Probabilistic or stochastic CAD
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明公开了一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法，包括确定模拟区域和尺寸设置、生成不同形貌特征的随机微裂纹后将微裂纹置于模拟区域内判断微裂纹所占的空间是否达到预设微裂纹的孔隙率占比、基于四参数生长方法建立热障涂层一般孔隙模型、重构TBCs真实的介观形貌，判断是否达到预设的体积分数、基于热格子玻尔兹曼方法建立传热分析模型来计算温度分布、热导率等隔热性能参数。与现有技术相比，此模型能更真实有效地还原涂层的介观结构，从而降低大量扫描真实涂层样品带来的成本消耗，更加准确地预测TBCs的隔热效果。
Description
技术领域
本发明涉及多孔介质技术领域，具体涉及一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法。
背景技术
为了满足涡轮叶片长寿命和高可靠性的需求，需要在高性能的航空发动机涡轮叶片表面涂覆热障涂层。热障涂层技术在航空航天、兵器、船舶等领域具有广泛的应用前景。由陶瓷材料制成的TBCs具有耐高温、耐腐蚀、高强度和低导热等特性，其带来的隔热效果直接影响着发动机的使用寿命和运行可靠性。TBCs系统一般包括陶瓷层、粘结层和高温合金基底三层结构。其中，粘结层主要采用MCrAlY合金(M指Fe、Ni、Co等)，因其在服役过程中长期受到热循环氧化作用，当Al含量消耗到无法满足Al2O3生长时，就会在陶瓷层与过渡层界面上形成热生长氧化物，从而成为微裂纹萌生的中心。微裂纹的萌生和进一步扩展会产生应力集中，极大地改变涂层的温度分布情况，影响了涂层的隔热性能、使用效率和耐用性。
由于TBCs中微裂纹不具备明显规律性，一些学者主要通过简化涂层微观组织，建立理想模型来分析微裂纹对热障涂层温度分布特性和隔热性能的影响。但研究针对的是预置的单一组成的微裂纹，将微裂纹直接简化为同一长度、同一方向或同一大小的球形、椭球形或片状。而真实情况下TBCs中所含的是不同尺寸、倾角、数量、位置及形态的随机分布的微裂纹。这种过于简化的假设模型与实际情况存在较大偏差，其计算结果不具有普遍性和适用性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法，以解决关于含微裂纹的热障涂层孔隙结构简化模型与真实涂层结构的较大偏差的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1确定模拟区域和尺寸设置，包括物理模型和模拟计算网格的设置；基于蒙特卡洛模拟方法和四参数生长方法，生成不同形貌特征的随机微裂纹；
S2通过坐标变换方法将不同微裂纹按一定统计规律改变其倾斜方向后置于模拟区域内，并判断微裂纹所占的空间是否达到预设微裂纹的孔隙率占比；
S3基于四参数生长方法建立热障涂层一般孔隙模型，以热障涂层中的固体骨架为生长相，孔隙为非生长相，孔隙率的设定控制涂层的孔隙体积分数，固态骨架形核中心生成概率设定来控制孔隙数量；对于初始随机分布的生长核节点进行遍历，将每个生长核节点向三维空间进行随机生长，通过三维坐标下26个方向的生长核生长概率控制不同结构热障涂层的生成，层状结构涂层水平方向生长核生长概率远大于竖直方向，柱状结构涂层相反；
S4将一般孔隙结构叠加到含微裂纹的模拟区域中生成耦合微裂纹缺陷的涂层孔隙模型，重构TBCs真实的介观形貌，判断是否达到预设的体积分数；
S5基于热格子玻尔兹曼方法建立传热分析模型来计算温度分布、热导率等隔热性能参数。
需要说明的是，所述步骤S1中利用蒙特卡洛算法生成一定统计分布规律下的微裂纹形貌：
S1.1生成[0,1]区间上的均匀分布的随机数：
随机数生成的线性同余法的迭代公式为：
xn＝(axn-1+c)(modM)
式中：a为非负的乘子；c为非负的增量；M为模，(mod M)表示除以m后取其余数。
进而得到[0,1]区间上均匀分布的随机数R：
S1.2利用均匀随机数计算生成其他指定统计分布规律的随机数：
利用(1)中产生的[0,1]区间上的均匀随机数，可以产生服从其他分布类型的随机数；
如均匀分布的概率密度函数为：
随机变量的计算方法为：
xf＝(b-a)R+a
式中：xf为所求的随机数；R为区间[0,1]上均匀分布的随机数；
S1.3坐标平移和旋转变换实现微裂纹朝向的改变：
存在基坐标系0和动坐标系I，二者的姿态相同，原点不重合。空间中和坐标系I固联的任一质点P在坐标系0中的坐标表示为P0＝[p0x p0y p0z]T，在坐标系I中的坐标表示为P1＝[p1x p1y p1z]T，坐标系I的原点O1在坐标系0中坐标为
根据矢量运算规则有/>
如果考虑到坐标系I相对于坐标系0的姿态变化阵，则可以认为二者之间的相对关系是原点间的平移运动和绕原点的纯转动的合成，有：/>
同理有
其中Rot表示基本的旋转，在三维坐标中写成矩阵的形式为：
上式分别标识绕x、y、z轴旋转α、φ、θ角度；
S1.4微裂纹生成，利用QSGS方法控制长度/宽度方向的生长概率为100/1可以保证微裂纹是楔形状；控制单个微裂纹的厚度方向只有两层网格，从而保证微裂纹近似为层片状结构；再利用蒙特卡洛方法按照一定统计分布规律随机生成形核中心点(x0,y0,z0)、倾向φ、倾角θ、长度和数量等形貌参数。形核中心点(x0,y0,z0)作为QSGS微裂纹的生长核中心，微裂纹长度控制微裂纹不同方向的生长概率，倾向φ、倾角θ作为坐标旋转变换的依据，从而生成按照一定统计规律分布的形状、大小和方向等各不相同的微裂纹。
需要说明的是，所述步骤S4中是对初始生长核节点和生长之后的生长核节点循环遍历，不涉及到单独节点连续生长的情况；而且生长相会避开模拟区域内的微裂纹生长，不与微裂纹重合，微裂纹和一般孔隙的孔隙率相加等于预设的总孔隙率。三维坐标下共26个方向，包括6个主方向，12个面对角方向，8个体对角方向，以生长核节点为生长原点，骨架向6个主方向上的非孔隙邻点重新生成随机数，当生成的随机数小于生长核生长概率时，该点生长为生长相节点；重复该步骤，直到生长相满足预设的体积分数。
需要说明的是，所述步骤S5中的导热的控制方程可以描述为：
式中，下标f表示孔隙内空气，s表示固体骨架，T表示材料的温度，ρ、λ和cp分别表示密度，导热系数和定压比热容；
基于上式，采用D3Q19热格子Boltzmann模型，温度演化方程为：
式中，r是位置矢量，t表示时间，δt是时间步长，α＝0,1,…,18表示19个离散速度方向，其中eα为离散速度分布式：
geq(r,t)表示温度的平衡态分布函数，如下式所示：
无量纲松弛时间τ与热扩散系数λ之间的关系为：
网格界面和气-固边界条件均采用非平衡外推格式：
gα(r+eα,t+δt)＝gα (eq)(r+eα,t+δt)-gα (ne)(r+eα,t+δt)＝gα (eq)(r+eα,t+δt)+[gα(r,t)-gα eq(r,t)]
对应宏观的温度和热流密度可由下式确定：
确定温度场后，即可得到有效热导率λeff的计算公式为：
λeff＝qδ/ΔT
式中，q为通过厚度为δt涂层的稳态热流量，ΔT表示上下边界温差。
需要说明的是，在计算时选取相等的(ρcp)值，如在实际模拟中可以采用空气的(ρcp)值作为参考值；对于一般固体和孔隙内空气，为了反映出两者导热性能的差异，应保证(τgf-0.5)/(τgs-0.5)＝λf/λs，并且格子单位中为了保证模拟的收敛，一般使τ∈(0.5-2.0)。
本发明有益效果在于，本发明的模型可以更真实有效地还原涂层的介观结构，从而降低大量扫描真实涂层样品带来的成本消耗，更加准确地预测TBCs的隔热效果。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明单个微裂纹不同方向生长概率；
图3为本发明单个楔形层片状微裂纹不同角度的形貌示意图，其中，图3(a)为x-z轴截面，图3(b)为y-z轴截面，图3(c)为x-y轴截面，图3(d)为三维主视图；
图4为本发明多个微裂纹的模型示意图，其中，图4(a-d)表示不同统计分布规律下的微裂纹形貌；
图5为本发明热障涂层一般孔隙模型的结构示意图，其中，图5(a)层状结构涂层，图5(b)孔状结构涂层，图5(c)柱状结构涂层；
图6为本发明含微裂纹的层状结构涂层y-z轴截面示意图；
图7为本发明模拟的涂层温度场分布示意图，其中，在相同裂纹/孔隙占比下，图7(a)表示(a1)不含或(a2-5)含不同大小微裂纹的层状结构涂层温度场，图7(b)表示(b1)不含或(b2-5)含不同大小微裂纹的柱状结构涂层温度场。
图8为本发明涂层有效热导率随微裂纹参数变化的数值模拟与文献对比图。
具体实施方式
以下将对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
实施例
如图1所示，本发明为一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法，使用成本较低，能够真实有效地表征涂层内部结构形貌特征，具体包括以下步骤：
步骤S1：确定模拟区域和尺寸设置，主要包括物理模型和模拟计算网格的设置；基于蒙特卡洛模拟方法和四参数生长方法，生成不同形貌特征的随机微裂纹(其特征参数包括裂纹数量、长度、倾角和中心点位置坐标等)。
利用蒙特卡洛算法生成一定统计分布规律下的微裂纹形貌(包括裂纹数量、长度、倾角和中心点位置坐标等)：
(1)生成[0,1]区间上的均匀分布的随机数：
随机数生成的线性同余法的迭代公式为：
xn＝(axn-1+c)(modM)
式中：a为非负的乘子；c为非负的增量；M为模，(mod M)表示除以m后取其余数。
进而得到[0,1]区间上均匀分布的随机数R：
(2)利用均匀随机数计算生成其他指定统计分布规律的随机数：
利用(1)中产生的[0,1]区间上的均匀随机数，可以产生服从其他分布类型的随机数(例如：均匀分布、指数分布、正态分布、对数正态分布等)。
如均匀分布的概率密度函数为：
随机变量的计算方法为：
xf＝(b-a)R+a
式中：xf为所求的随机数；R为区间[0,1]上均匀分布的随机数。
(3)坐标平移和旋转变换实现微裂纹朝向的改变：
存在基坐标系0和动坐标系I，二者的姿态相同，原点不重合。空间中和坐标系I固联的任一质点P在坐标系0中的坐标表示为P0＝[p0x p0y p0z]T，在坐标系I中的坐标表示为P1＝[p1x p1y p1z]T，坐标系I的原点O1在坐标系0中坐标为
根据矢量运算规则有/>
如果考虑到坐标系I相对于坐标系0的姿态变化阵，则可以认为二者之间的相对关系是原点间的平移运动和绕原点的纯转动的合成，有：/>
同理有
其中Rot表示基本的旋转，在三维坐标中写成矩阵的形式为：
上式分别标识绕x、y、z轴旋转α、φ、θ角度。
(4)微裂纹生成
利用QSGS方法生成单个微裂纹并确定单个微裂纹的形态：
微裂纹的形态一般为楔形层片状，如图2所示利用QSGS方法控制长度/宽度方向的生长概率为100/1可以保证微裂纹是楔形状，楔形状微裂纹结构如图3(c)所示；控制单个微裂纹的厚度方向只有两层网格，即厚度均为2μm，从而保证微裂纹近似为层片状结构，如图3(a)和3(b)所示；图3(d)为生成的单个楔形层片状微裂纹的三维主视图。
再利用蒙特卡洛方法按照一定统计分布规律随机生成形核中心点(x0,y0,z0)、倾向φ、倾角θ、长度和数量等形貌参数。形核中心点(x0,y0,z0)作为QSGS微裂纹的生长核中心，微裂纹长度控制微裂纹不同方向的生长概率，倾向φ、倾角θ作为坐标旋转变换的依据，从而生成按照一定统计规律分布的形状、大小和方向等各不相同的微裂纹。
步骤S2：进而通过坐标变换方法将不同微裂纹按一定统计规律改变其倾斜方向后置于模拟区域内，图4为本发明多个微裂纹的模型示意图，图4(a-d)表示不同统计分布规律下的微裂纹形貌。判断微裂纹所占的空间是否达到预设微裂纹的孔隙率占比。
步骤S3：基于四参数生长方法建立热障涂层一般孔隙模型，以热障涂层中的固体骨架为生长相，孔隙为非生长相，孔隙率的设定控制涂层的孔隙体积分数，固态骨架形核中心生成概率设定来控制孔隙数量；对于初始随机分布的生长核节点进行遍历，将每个生长核节点向三维空间进行随机生长，通过三维坐标下26个方向的生长核生长概率控制不同结构热障涂层的生成(孔状、层状和柱状结构)，层状结构涂层水平方向生长核生长概率远大于竖直方向，柱状结构涂层相反，图5为本发明热障涂层一般孔隙模型的结构示意图。图5(a)为层状结构涂层，图5(b)为孔状结构涂层，图5(c)为柱状结构涂层。
步骤S4：将一般孔隙结构叠加到含微裂纹的模拟区域中生成耦合微裂纹缺陷的涂层孔隙模型，重构TBCs真实的介观形貌，并判断是否达到预设的体积分数。图6为本发明含微裂纹的层状结构涂层y-z轴截面示意图，可以看出涂层截面呈现明显的层状结构，层间存在大量未结合区域，同时层内还有大量的微裂纹以及球形微孔，这与热障涂层的真实形貌是高度类似的。本算法是对初始生长核节点和生长之后的生长核节点循环遍历，不涉及到单独节点连续生长的情况；而且生长相会避开模拟区域内的微裂纹生长，不与微裂纹重合，微裂纹和一般孔隙的孔隙率相加等于预设的总孔隙率。三维坐标下共26个方向，包括6个主方向，12个面对角方向，8个体对角方向，以生长核节点为生长原点，骨架向6个主方向上的非孔隙邻点重新生成随机数，当生成的随机数小于生长核生长概率时，该点生长为生长相节点。重复该步骤，直到生长相满足预设的体积分数。
步骤S5：基于热格子玻尔兹曼方法建立传热分析模型来计算温度分布、热导率等隔热性能参数。与现有技术相比，此模型能更真实有效地还原涂层的介观结构，从而降低大量扫描真实涂层样品带来的成本消耗，更加准确地预测TBCs的隔热效果。
导热的控制方程可以描述为：
式中，下标f表示孔隙内空气，s表示固体骨架，T表示材料的温度，ρ、λ和cp分别表示密度，导热系数和定压比热容。
基于上式，采用D3Q19热格子Boltzmann模型，温度演化方程为：
式中，r是位置矢量，t表示时间，δt是时间步长，α＝0,1,…,18表示19个离散速度方向，其中eα为离散速度分布式：
geq(r,t)表示温度的平衡态分布函数，如下式所示：
无量纲松弛时间τ与热扩散系数λ之间的关系为：
一般在计算时选取相等的(ρcp)值，如在实际模拟中可以采用空气的(ρcp)值作为参考值。对于一般固体和孔隙内空气，为了反映出两者导热性能的差异，应保证(τgf-0.5)/(τgs-0.5)＝λf/λs，并且格子单位中为了保证模拟的收敛，一般使τ∈(0.5ˉ2.0)。
网格界面和气-固边界条件均采用非平衡外推格式：
gα(r+eα,t+δt)＝gα (eq)(r+eα,t+δt)-gα (ne)(r+eα,t+δt)＝gα (eq)(r+eα,t+δt)+[gα(r,t)-gα eq(r,t)]
对应宏观的温度和热流密度可由下式确定：
确定温度场后，即可得到有效热导率λeff的计算公式为：
λeff＝qδ/ΔT
式中，q为通过厚度为δt涂层的稳态热流量，ΔT表示上下边界温差。
图7为本发明模拟的涂层温度场分布示意图。在相同裂纹/孔隙占比下，图7(a)表示(a1)不含或(a2-a5)含不同大小微裂纹的层状结构涂层温度场。图7(b)表示(b1)不含或(b2-b5)含不同大小微裂纹的柱状结构涂层温度场。
图8为本发明涂层有效热导率随微裂纹参数变化的数值模拟结果。从图中可以看出，随着裂纹占比的增加，热导率都逐渐减小。因此本发明搭建的热障涂层数值重构模型可对热障涂层的制备和使用起到一定的指导作用，反映热障涂层隔热性能演变规律。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1确定模拟区域和尺寸设置，包括物理模型和模拟计算网格的设置；基于蒙特卡洛模拟方法和四参数生长方法，生成不同形貌特征的随机微裂纹；
S2通过坐标变换方法将不同微裂纹按一定统计规律改变其倾斜方向后置于模拟区域内，并判断微裂纹所占的空间是否达到预设微裂纹的孔隙率占比；
S3基于四参数生长方法建立热障涂层一般孔隙模型，以热障涂层中的固体骨架为生长相，孔隙为非生长相，孔隙率的设定控制涂层的孔隙体积分数，固态骨架形核中心生成概率设定来控制孔隙数量；对于初始随机分布的生长核节点进行遍历，将每个生长核节点向三维空间进行随机生长，通过三维坐标下26个方向的生长核生长概率控制不同结构热障涂层的生成，层状结构涂层水平方向生长核生长概率远大于竖直方向，柱状结构涂层相反；
S4将一般孔隙结构叠加到含微裂纹的模拟区域中生成耦合微裂纹缺陷的涂层孔隙模型，重构TBCs真实的介观形貌，判断是否达到预设的体积分数；
S5基于热格子玻尔兹曼方法建立传热分析模型来计算温度分布、热导率隔热性能参数，所述步骤S1中利用蒙特卡洛算法生成一定统计分布规律下的微裂纹形貌：
S1.1生成[0,1]区间上的均匀分布的随机数：
随机数生成的线性同余法的迭代公式为：
xn＝(axn-1+c)(modM)
式中：a为非负的乘子；c为非负的增量；M为模，(modM)表示除以m后取其余数，
进而得到[0,1]区间上均匀分布的随机数R：
S1.2利用均匀随机数计算生成其他指定统计分布规律的随机数：
利用(1)中产生的[0,1]区间上的均匀随机数，可以产生服从其他分布类型的随机数；
均匀分布的概率密度函数为：
随机变量的计算方法为：
xf＝(b-a)R+a
式中：xf为所求的随机数；R为区间[0,1]上均匀分布的随机数；
S1.3坐标平移和旋转变换实现微裂纹朝向的改变：
存在基坐标系0和动坐标系I，二者的姿态相同，原点不重合，空间中和坐标系I固联的任一质点P在坐标系0中的坐标表示为P0＝[p0x p0y p0z]T，在坐标系I中的坐标表示为P1＝[p1x p1y p1z}T，坐标系I的原点O1在坐标系0中坐标为
根据矢量运算规则有/>
考虑到坐标系I相对于坐标系0的姿态变化阵，即认为二者之间的相对关系是原点间的平移运动和绕原点的纯转动的合成，有：/>
同理有/>
其中Rot表示基本的旋转，在三维坐标中写成矩阵的形式为：
上式分别标识绕x、y、z轴旋转α、φ、θ角度；
S1.4微裂纹生成，利用QSGS方法控制长度/宽度方向的生长概率为100/1可以保证微裂纹是楔形状；控制单个微裂纹的厚度方向只有两层网格，从而保证微裂纹近似为层片状结构；再利用蒙特卡洛方法按照一定统计分布规律随机生成形核中心点(x0,y0,z0)、倾向φ、倾角θ、长度和数量形貌参数，形核中心点(x0,y0,z0)作为QSGS微裂纹的生长核中心，微裂纹长度控制微裂纹不同方向的生长概率，倾向φ、倾角θ作为坐标旋转变换的依据，从而生成按照一定统计规律分布的形状、大小和方向各不相同的微裂纹，所述步骤S4中是对初始生长核节点和生长之后的生长核节点循环遍历，不涉及到单独节点连续生长的情况；而且生长相会避开模拟区域内的微裂纹生长，不与微裂纹重合，微裂纹和一般孔隙的孔隙率相加等于预设的总孔隙率；三维坐标下共26个方向，包括6个主方向，12个面对角方向，8个体对角方向，以生长核节点为生长原点，骨架向6个主方向上的非孔隙邻点重新生成随机数，当生成的随机数小于生长核生长概率时，非孔隙邻点生长为生长相节点；重复该步骤，直到生长相满足预设的体积分数。
2.根据权利要求1所述的含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法，其特征在于，所述步骤S5中的导热的控制方程可以描述为：
式中，下标f表示孔隙内空气，s表示固体骨架，T表示材料的温度，ρ、λ和cp分别表示密度，导热系数和定压比热容；
基于上式，采用D3Q19热格子Boltzmann模型，温度演化方程为：
式中，r是位置矢量，t表示时间，δt是时间步长，α＝0,1,…,18表示19个离散速度方向，其中eα为离散速度分布式：
geq(r,t)表示温度的平衡态分布函数，如下式所示：
无量纲松弛时间τ与热扩散系数λ之间的关系为：
网格界面和气-固边界条件均采用非平衡外推格式：
gα(r+eα,t+δt)＝gα (eq)(r+eα,t+δt)-gα (ne)(r+eα,t+δt)＝gα (eq)(r+eα,t+δt)+[gα(r,t)-gα eq(r,t)]
对应宏观的温度和热流密度可由下式确定：
确定温度场后，即可得到有效热导率λeff的计算公式为：
λeff＝qδ/ΔT
式中，q为通过厚度为δt涂层的稳态热流量，ΔT表示上下边界温差。
3.根据权利要求2所述的含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法，其特征在于，在计算时选取相等的(ρcp)值，在实际模拟中采用空气的(ρcp)值作为参考值；对于一般固体和孔隙内空气，为了反映出两者导热性能的差异，应保证(τgf-0.5)/(τgs-0.5)＝λf/λs，并且格子单位中为了保证模拟的收敛，τ∈(0.5-2.0)。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211264771.2A CN115544690B (zh) | 2022-10-17 | 2022-10-17 | 一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法 |
| US18/373,298 US20240135057A1 (en) | 2022-10-17 | 2023-09-27 | Method for numerical reconstruction and heat transfer characteristics evaluation of microstructure of thermal barrier coatings containing microcracks |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211264771.2A CN115544690B (zh) | 2022-10-17 | 2022-10-17 | 一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115544690A CN115544690A (zh) | 2022-12-30 |
| CN115544690B true CN115544690B (zh) | 2023-06-16 |
Family
ID=84736003
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211264771.2A Active CN115544690B (zh) | 2022-10-17 | 2022-10-17 | 一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20240135057A1 (zh) |
| CN (1) | CN115544690B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116818063B (zh) * | 2023-08-30 | 2023-11-14 | 江铃汽车股份有限公司 | 汽车芯片散热胶涂覆质量检测方法、装置及可读存储介质 |
| CN117077499B (zh) * | 2023-10-16 | 2024-01-12 | 西安交通大学 | 一种重型燃气轮机热障涂层孔隙结构的数值建模方法 |
| CN118378485B (zh) * | 2024-04-30 | 2024-09-24 | 西安电子科技大学 | 一种考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114492074A (zh) * | 2022-02-16 | 2022-05-13 | 上海索辰信息科技股份有限公司 | 一种概率损伤容限评估分析方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6699101B2 (en) * | 2001-11-29 | 2004-03-02 | General Electric Company | Method for removing a damaged substrate region beneath a coating |
| CN110222396B (zh) * | 2019-05-29 | 2023-04-07 | 北京工业大学 | 并联臂三维打印机塔柱倾斜定位误差的仿真评估方法 |
| CN111751403B (zh) * | 2020-06-02 | 2023-06-30 | 上海交通大学 | 一种热障涂层数值重构模型测试方法和装置 |
| CN113744270B (zh) * | 2021-11-05 | 2022-02-08 | 南京市特种设备安全监督检验研究院 | 起重机复杂钢结构表面缺陷的无人机视觉检测与识别方法 |
-
2022
- 2022-10-17 CN CN202211264771.2A patent/CN115544690B/zh active Active
-
2023
- 2023-09-27 US US18/373,298 patent/US20240135057A1/en active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114492074A (zh) * | 2022-02-16 | 2022-05-13 | 上海索辰信息科技股份有限公司 | 一种概率损伤容限评估分析方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115544690A (zh) | 2022-12-30 |
| US20240135057A1 (en) | 2024-04-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN115544690B (zh) | 一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法 | |
| Sun et al. | Numerical analysis of the influence of pore microstructure on thermal conductivity and Young's modulus of thermal barrier coating | |
| CN105556001B (zh) | 具有低热容量和低热导率的热阻挡材料和涂层 | |
| Zhang et al. | Multiscale pores in TBCs for lower thermal conductivity | |
| CN109266996B (zh) | 柱层双模结构热障涂层及其制备方法 | |
| CN109023201A (zh) | 一种双层梯度结构热障涂层及其制备工艺 | |
| CN109161889B (zh) | 一种抗烧结双模复合结构热障涂层及其制备工艺 | |
| CN110434330A (zh) | 一种铺粉式增材制造目标金属材料的工艺参数开发方法 | |
| CN108754387A (zh) | 一种耐高温低导热长寿命双层双模结构热障涂层及其制备工艺 | |
| Liu et al. | The influence of pore size distribution on thermal conductivity, permeability, and phase change behavior of hierarchical porous materials | |
| Cai et al. | Adhesion strength of thermal barrier coatings with thermal-sprayed bondcoat treated by compound method of high-current pulsed electron beam and grit blasting | |
| Liu et al. | Effect of CMAS attack behaviour on stress distribution in double-ceramic-layer thermal barrier coatings | |
| Cui et al. | Modeling of the temperature field in a porous thermal barrier coating | |
| CN117072253B (zh) | 重型燃气轮机高温叶片热障涂层及设计、制造与评价方法 | |
| CN116542116B (zh) | 考虑微孔气态发汗的高超声速飞行器全流场数值模拟方法 | |
| Long et al. | Research on the heat insulation performance of advanced thermal barrier coatings based on dense vertical cracked structure | |
| CN111036909A (zh) | 金属快速成型过程中晶粒组织数值预测方法 | |
| Gupta et al. | Bilayer suspension plasma-sprayed thermal barrier coatings with enhanced thermal cyclic lifetime: experiments and modeling | |
| CN116005079A (zh) | 一种高导电性能的抗高温氧化涂层及其制备方法 | |
| Yu et al. | Effect of feedstock powder size on the microstructure and thermal conductivity of quasi-eutectic LaYbZr2O7 TBCs | |
| Pasupuleti et al. | Performance and steady state heat transfer analysis of functionally graded thermal barrier coatings systems | |
| Li et al. | Finite element analysis of TGO thickness on stress distribution and evolution of 8YSZ thermal barrier coatings | |
| CN112507589B (zh) | 一种菌类物料热风干燥过程的仿真方法 | |
| CN117292778B (zh) | 一种固体氧化物燃料电池梯度孔阳极力学性能计算方法 | |
| Yang et al. | Effect of thermal barrier coating on thermal load of the rotor of the small aviation wankel engine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |