[發明專利]一種渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網格劃分方法

有效

• 申請號: 201410147512.0
• 申請日: 2014-04-14
• 公開（公告）號: CN103886163B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 楊麗;李曉軍;周益春;朱旺;蔡燦英
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06F19/00
• 代理公司: 上海欣創專利商標事務所31217
• 代理人: 唐明

技術領域

?本發明涉及一種高性能航空發動機渦輪葉片隔熱防護涂層系統有限元建模的技術領域，尤其涉及一種渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網格劃分方法。

背景技術

熱障涂層技術與冷卻技術和定向凝固單晶基底技術一起被列為世界各國航空推進計劃的三大核心技術，是決定一個國家航空工業發展水平的關鍵技術。熱障涂層是指將將耐高溫、高隔熱的陶瓷材料涂覆在合金基體表面，以降低基體表面溫度從而提高發動機的熱效率。事實證明：應用了100~400?μm的熱障涂層后能降低基體溫度約150~300°C，這相當于過去幾十年發展高溫單晶基體的效率總和。更重要的是，隨著航空工業的高速發展，目前發動機渦輪前進口溫度已經達到1650°C，而單晶高溫基底技術已基本發展到了其極限溫度(約1150°C)。因此，發展熱障涂層技術是現代航空工業發展的必然要求，具有巨大的應用前景。但是，由于組成熱障涂層體系的各層材料在熱、物理、力學性能如熱膨脹系數、彈性模量等存在巨大的差異，會使得服役過程中在熱障涂層體系內產生熱失配應力。而且，在高溫下服役時，陶瓷層中的氧和過渡層中的金屬會發生氧化反應生成氧化物，這一層氧化物的形成進一步加劇了熱障涂層體系內參數的不匹配。在極端惡劣的環境下服役時，熱障涂層會發生開裂、剝落失效。更重要的是，由于熱障涂層渦輪葉片具有非常復雜的幾何形狀，極其復雜的微觀結構，加上復雜的服役環境，很難建立一種目前大家都認可的理論方法對其失效進行預測。

對于要考慮實際形狀的三維的渦輪葉片這樣復雜的結構，通過有限元模擬的方法來分析其溫度場和應力場，從而分析熱障涂層的隔熱效果與失效機理，即可以避免由于結構復雜造成的理論推導的困難，又可以節約由于實驗而消耗的大量的人力、物力和財力。因此，有限元方法是渦輪葉片熱障涂層破壞機理研究的必要手段。渦輪葉片熱障涂層有限元模型的建立最重要的兩個過程就是幾何模型的建立和網格的劃分。建立好渦輪葉片熱障涂層的分析模型后，網格的劃分是決定后續計算精度與計算規模的關鍵。為建立正確、合理的有限元模型，劃分出高質量的網格，在兼顧計算效率的同時，最需要考慮的兩個因素就是網格數量的多少和網格的疏密，對于有限元的模擬計算，只有高質量的網格，才能得到精確可信的結果。渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網格劃分方法直接影響溫度場和應力場分析時計算的精確程度。

復雜幾何模型的網格劃分問題一直是有限元建模者最頭疼的問題之一，傳統的方法一般有兩個：方法一，降低要求，使用較低的網格質量（比如四面體網格或楔形網格等）劃分網格再進行后續計算，這樣不僅對于計算精度有較大的影響，后處理中數據的提取和分析也可能無法實現；方法二，使用專業的網格劃分軟件（例如Hypermesh等），采用這樣的方法得到的網格質量可以得到改善，但卻引來的新的問題，就是軟件之間的兼容性問題，尤其涉及到曲面以及微觀尺寸的時候，軟件之間的不兼容表現得更為明顯。除此之外，對于建模者而言，同時要掌握幾個復雜的軟件，學習和使用的難度很大。對于渦輪葉片熱障涂層的有限元模型來說，因為有榫頭、冷卻通道等多種不規則幾何形狀的存在，網格的劃分尤為困難，急需一種簡單可行的、高質量的網格劃分方法，而目前還沒有相關技術的報道。

發明內容

為了解決現有技術存在的上述問題，本發明提出一種渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網格劃分方法，它僅在有限元軟件ABAQUS即可完成，無需借助其他專業軟件，簡單易行，保證網格質量的同時提升了網格劃分的速度。本發明的技術方案具體為：一種渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網格劃分方法，網格劃分在有限元軟件ABAQUS中進行，包含以下步驟：?

模型中，熱障涂層用TBCs表示，陶瓷層用TBC表示，氧化層用TGO表示，渦輪葉片的葉身部分的基底用SUB表示，渦輪葉片分為葉身和榫頭兩大部分。

一、將建好的渦輪葉片熱障涂層的有限元模型切分為葉身、榫頭部分兩個部分，切分的位置為榫頭與葉身連接部分的倒角邊界線；考慮到模型的結構復雜，網格劃分也相應較為復雜，首先將模型切分為兩個部分。

二、葉身部分的網格劃分

1）添加輔助線，連接同一個倒角處所有分層倒角的邊界點，得到一條垂直于界面的直線，以此方法，將所有倒角處的垂直于界面的直線一一畫出；；由于TBCs為分層結構，但是在厚度方向，沒有任何的邊界線，所以，對于TBCs每一層內網格的分層就無法實現，傳統的方法，可以將模型切削，從而得到邊界線，但是由于模型的非對稱性，切削只會增加劃分網格的難度，由此通過添加輔助線的方法得到厚度方向的邊界線；