[發明專利]各向同性多層涂層體系二維溫度場的求解方法

有效

• 申請號: 201910271397.0
• 申請日: 2019-04-04
• 公開（公告）號: CN110032787B
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發明（設計）人: 王廷劍;張傳偉;趙陽;尹龍承;張永釗;王燕霜;古樂;王黎欽
• 申請（專利權）人: 天津職業技術師范大學（中國職業培訓指導教師進修中心）
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/12;G06F17/14;G06F17/16;G06F119/08
• 代理公司: 天津賽凌知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 12270
• 代理人: 李蕊

本發明公開了一種各向同性多層涂層體系半平面在表面線分布移動摩擦熱源作用下二維溫度場的求解方法，包括以下步驟：1)通過引入一維傅里葉積分變換在頻域推導各向同性多層涂層體系在表面線分布移動熱源作用下二維溫度場的頻域解析解；2)采用基于一維快速傅里葉積分變換的轉換算法由步驟1)的頻域解析解轉換獲得多層涂層體系在表面線分布移動熱源作用下二維溫度場分布。該方法避免了求解線性方程組造成的大量耗時，并應用了快速傅里葉逆變換算法，求解速度快、精度高；該方法適用于具有任意涂層層數的涂層體系半平面在表面線分布移動摩擦熱源作用下的溫度場的求解，適用范圍廣。

技術領域

本發明涉及表面移動摩擦熱源作用下溫度場模擬仿真領域，尤其涉及一種各向同性多層涂層體系半平面在表面線分布移動摩擦熱源作用下其熱源作用微區二維溫度場的模擬計算方法。

背景技術

隨著航空發動機等機械動力傳動系統轉速和傳動功率的不斷提升，滾動軸承與齒輪等關鍵基礎零部件摩擦副接觸微區在表面移動摩擦熱源作用下溫度急劇升高，接觸微區材料在高溫狀態下服役將出現熱軟化、材料微觀組織惡化以及機械力學性能退化等一系列問題。此外在摩擦熱源作用下，如果接觸微區溫度升高超過材料的耐溫極限，摩擦副將發生熱膠合，導致機械傳動系統喪失工作能力。因此，求解摩擦副接觸微區在表面移動摩擦熱源作用下的微區溫度場是評估摩擦副的服役狀態的重要依據和避免出現熱膠合惡性失效的關鍵。

但在表面熱源作用下二維穩態溫度場的現有求解方法主要是針對無涂層、單層涂層或雙層涂層的涂層體系。隨著材料科學和表面工程技術的發展，涂層技術已由單層涂層發展為多層復合涂層、納米超晶格多層涂層體系，并被應用于提高航空發動機的機械傳動系統摩擦副的抗磨損、抗疲勞和熱膠合性能，但對于各向同性多層涂層體系半平面在表面線分布移動摩擦熱源作用下的二維溫度場的求解尚無現成的求解方法。

發明內容

為解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種各向同性多層涂層體系半平面在表面線分布移動摩擦熱源作用下二維溫度場的求解方法。

為此，本發明的技術方案如下：

一種各向同性多層涂層體系半平面在表面線分布移動摩擦熱源作用下二維溫度場的求解方法，包括以下步驟：

1)通過引入一維傅里葉積分變換在頻域推導各向同性多層涂層體系在表面線分布移動熱源作用下二維溫度場的頻域解析解；

2)選擇一個區域作為計算域，采用基于一維快速傅里葉積分逆變換的轉換算法，由步驟1)的頻域解析解轉換獲得多層涂層體系在表面線分布移動熱源作用下二維溫度場分布。

上述方法中，步驟1)中的頻域解析解的推導步驟如下：

步驟一、對第k層各向同性層狀材料二維溫度場的微分控制方程：

實施一維傅里葉積分變換獲得二維溫度場微分控制方程的頻域形式：

其中：

x為平行于移動熱源方向的坐標，單位為m；

z_k為第k層橫觀各向同性層狀材料垂直于同性平面的坐標，m；

ω_x為一維傅里葉積分變換與變量x對應的頻域變量；

T^(k)為溫度，K；

κ_k為第k層材料的熱傳導系數，W/(m·K)；

c_k為第k層材料體積比熱容，J/(m³·K)；

V為熱源移動速度，m/s；

i為虛數單位符號，