本发明专利技术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。本发明专利技术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；此外本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
含有多条冷却通道的涡轮叶片热障涂层有限元建模方法
本专利技术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
，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。
技术介绍
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的专利技术专利“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，该专利技术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。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术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。本专利技术的技术方案具体为：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，再以具体的通本文档来自技高网...
【技术保护点】
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...
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽，李晓军，周益春，朱旺，蔡灿英，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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