一種渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網(wǎng)格劃分方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網(wǎng)格劃分方法，所述的網(wǎng)格劃分在有限元軟件ABAQUS中進(jìn)行，包括以下步驟：一、將建好的渦輪葉片熱障涂層的有限元模型切分為葉身和榫頭兩個(gè)部分，切分的位置為榫頭與葉身連接部分的倒角邊界線；二、對(duì)葉身部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分：（1）添加輔助線連接同一個(gè)倒角處所有分層倒角的邊界點(diǎn)，得到一條垂直于界面的直線；（2）布置種子，首先按尺寸整體布置種子，然后再將厚度方向的輔助線按照數(shù)目重新布置種子；（3）選擇六面體掃略網(wǎng)格，對(duì)這一部分進(jìn)行網(wǎng)格的劃分；三、對(duì)榫頭部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單可行，僅應(yīng)用有限元軟件ABAQUS即可完成，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)，極大地提升了網(wǎng)格劃分的速度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網(wǎng)格劃分方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片隔熱防護(hù)涂層系統(tǒng)有限元建模的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網(wǎng)格劃分方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱障涂層技術(shù)與冷卻技術(shù)和定向凝固單晶基底技術(shù)一起被列為世界各國(guó)航空推進(jìn)計(jì)劃的三大核心技術(shù)，是決定一個(gè)國(guó)家航空工業(yè)發(fā)展水平的關(guān)鍵技術(shù)。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(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。事實(shí)證明:應(yīng)用了 10(T400 ym的熱障涂層后能降低基體溫度約150-300° C，這相當(dāng)于過(guò)去幾十年發(fā)展高溫單晶基體的效率總和。更重要的是，隨著航空工業(yè)的高速發(fā)展，目前發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前進(jìn)口溫度已經(jīng)達(dá)到1650° C，而單晶高溫基底技術(shù)已基本發(fā)展到了其極限溫度(約1150° C)。因此，發(fā)展熱障涂層技術(shù)是現(xiàn)代航空工業(yè)發(fā)展的必然要求，具有巨大的應(yīng)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(xué)性能如熱膨脹系數(shù)、彈性模量等存在巨大的差異，會(huì)使得服役過(guò)程中在熱障涂層體系內(nèi)產(chǎn)生熱失配應(yīng)力。而且，在高溫下服役時(shí)，陶瓷層中的氧和過(guò)渡層中的金屬會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化物，這一層氧化物的形成進(jìn)一步加劇了熱障涂層體系內(nèi)參數(shù)的不匹配。在極端惡劣的環(huán)境下服役時(shí)，熱障涂層會(huì)發(fā)生開(kāi)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(fù)雜的幾何形狀，極其復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，加上復(fù)雜的服役環(huán)境，很難建立一種目前大家都認(rèn)可的理論方法對(duì)其失效進(jìn)行預(yù)測(cè)。
[0003]對(duì)于要考慮實(shí)際形狀的三維的渦輪葉片這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元模擬的方法來(lái)分析其溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，從而分析熱障涂層的隔熱效果與失效機(jī)理，即可以避免由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成的理論推 導(dǎo)的困難，又可以節(jié)約由于實(shí)驗(yàn)而消耗的大量的人力、物力和財(cái)力。因此，有限元方法是渦輪葉片熱障涂層破壞機(jī)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(gè)過(guò)程就是幾何模型的建立和網(wǎng)格的劃分。建立好渦輪葉片熱障涂層的分析模型后，網(wǎng)格的劃分是決定后續(xù)計(jì)算精度與計(jì)算規(guī)模的關(guān)鍵。為建立正確、合理的有限元模型，劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格，在兼顧計(jì)算效率的同時(shí)，最需要考慮的兩個(gè)因素就是網(wǎng)格數(shù)量的多少和網(wǎng)格的疏密，對(duì)于有限元的模擬計(jì)算，只有高質(zhì)量的網(wǎng)格，才能得到精確可信的結(jié)果。渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網(wǎng)格劃分方法直接影響溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析時(shí)計(jì)算的精確程度。
[0004]復(fù)雜幾何模型的網(wǎng)格劃分問(wèn)題一直是有限元建模者最頭疼的問(wèn)題之一，傳統(tǒng)的方法一般有兩個(gè):方法一，降低要求，使用較低的網(wǎng)格質(zhì)量(比如四面體網(wǎng)格或楔形網(wǎng)格等)劃分網(wǎng)格再進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，這樣不僅對(duì)于計(jì)算精度有較大的影響，后處理中數(shù)據(jù)的提取和分析也可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)；方法二，使用專(zhuān)業(yè)的網(wǎng)格劃分軟件(例如Hypermesh等),采用這樣的方法得到的網(wǎng)格質(zhì)量可以得到改善，但卻引來(lái)的新的問(wèn)題，就是軟件之間的兼容性問(wèn)題，尤其涉及到曲面以及微觀尺寸的時(shí)候，軟件之間的不兼容表現(xiàn)得更為明顯。除此之外，對(duì)于建模者而言，同時(shí)要掌握幾個(gè)復(fù)雜的軟件，學(xué)習(xí)和使用的難度很大。對(duì)于渦輪葉片熱障涂層的有限元模型來(lái)說(shuō)，因?yàn)橛虚绢^、冷卻通道等多種不規(guī)則幾何形狀的存在，網(wǎng)格的劃分尤為困難，急需一種簡(jiǎn)單可行的、高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分方法，而目前還沒(méi)有相關(guān)技術(shù)的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網(wǎng)格劃分方法，它僅在有限元軟件ABAQUS即可完成，無(wú)需借助其他專(zhuān)業(yè)軟件，簡(jiǎn)單易行，保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)提升了網(wǎng)格劃分的速度。本發(fā)明的技術(shù)方案具體為:一種渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格劃分在有限元軟件ABAQUS中進(jìn)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。
[0006]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(gè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格劃分也相應(yīng)較為復(fù)雜，首先將模型切分為兩個(gè)部分。
[0007]二、葉身部分的網(wǎng)格劃分
1)添加輔助線，連接同一個(gè)倒角處所有分層倒角的邊界點(diǎn)，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(huà)出；；由于TBCs為分層結(jié)構(gòu)，但是在厚度方向，沒(méi)有任何的邊界線，所以，對(duì)于TBCs每一層內(nèi)網(wǎng)格的分層就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)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(duì)稱性，切削只會(huì)增加劃分網(wǎng)格的難度，由此通過(guò)添加輔助線的方法得到厚度方向的邊界線；
2)布置種子，首先按尺寸整體布置種子，然后再將厚度方向的所有輔助線按照數(shù)目重新布置種子；整體布置種子，使得整體網(wǎng)格大小不會(huì)相差太大，考慮到厚度方向的尺寸相比高度方向的尺寸非常小，具體分層后就更小了，為了控制網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量，整體的種子尺寸不能太小，所以厚度方向的種子需要單獨(dú)布置。
[0008]3)選擇六面體掃略網(wǎng)格，對(duì)這一部分進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。
[0009]三、榫頭部分的網(wǎng)格劃分
由于榫頭部分的上端，仍然有熱障涂層的覆蓋，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，也是需要重點(diǎn)分析的區(qū)域，所以將此處的TBCs和基底的網(wǎng)格分開(kāi)劃分。
[0010](一)榫頭TBCs部分網(wǎng)格的劃分
I)首先按尺寸整體布置種子，然后沿厚度方向布置種子，此處整體布置和沿厚度方向布置的種子尺寸和數(shù)目與葉身部分相應(yīng)的種子尺寸相同；這是為了避免后面兩個(gè)部分重新組合到一起后的節(jié)點(diǎn)不完全重合。
[0011]2)選擇四面體網(wǎng)格，對(duì)這一部分進(jìn)行劃分網(wǎng)格；由于此處模型非常復(fù)雜，很難劃分為六面體網(wǎng)格，所以，此處劃分為四面體網(wǎng)格。
[0012](二)榫頭基底部分的網(wǎng)格劃分。
[0013]可選的，所述榫頭基底部分的網(wǎng)格劃分按如下步驟進(jìn)行:首先，按數(shù)目整體布置種子，保證每一條邊界線上都能布置的足夠數(shù)量的種子，然后，重新選定所有除倒角線以外的邊界線線，按其尺寸布置種子，重新修改榫頭部分與葉身部分切分面上的種子數(shù)目，使其與前面步驟中葉身部分的切分面上種子數(shù)目和位置完全相同；最后，選擇四面體網(wǎng)格，對(duì)這一部分劃分網(wǎng)格。
[0014]上述方法主要使用于榫頭部分形狀不規(guī)則較復(fù)雜情況。此處網(wǎng)格劃分的難度主要在內(nèi)部腔體的不規(guī)則性和內(nèi)部倒角多而小，此部分由于倒角邊界線的存在，模型中共有約150個(gè)面，其不規(guī)則性決定網(wǎng)格類(lèi)型只能是四面體，而倒角邊界線種子的布置更為復(fù)雜。
[0015]I)首先，按數(shù)目整體布置種子，保證每一條邊界線上都能布置的足夠數(shù)量的種子，然后，重新選定所有除倒角線以外的邊界線，按其尺寸布置種子，重新修改榫頭部分與葉身部分切分面上的種子數(shù)目，使其與前面步驟中葉身部分的切分面上種子數(shù)目和位置完全相同；，這也是為了避免兩部分重新組合到一起后的節(jié)點(diǎn)不完全重合。倒角線很短又多基本沒(méi)法單獨(dú)布種子，所以就先整體布種子，剩下的非倒角的邊界線都較長(zhǎng)，容易單獨(dú)布種子。倒角的線都是曲線，非常短，如果不按照數(shù)目布種子，而是按照尺寸布種子的話，可能只有端點(diǎn)有種子，在整體的網(wǎng)格化分中就無(wú)法體現(xiàn)這條邊的曲率(也就是說(shuō)，一定數(shù)量的種子至少是3個(gè)，才能體現(xiàn)出這條邊的特性)。
[0016]2)選擇四面體網(wǎng)格，對(duì)這一部分劃分網(wǎng)格。
[0017]可選的，榫頭基底部分的網(wǎng)格劃分按如下步驟進(jìn)行:整體按尺寸布置種子，選擇六面體掃略網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格。主要使用于榫頭部分簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體等比較規(guī)則的立體模型的情況。
[0018]將渦輪葉片熱障涂層的有限元模型應(yīng)用于溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分析時(shí)，可以遵循下列步驟:
一、定義材料屬性，分別對(duì)各個(gè)部分定義材料屬性。
[0019]二、設(shè)置位移邊界條件和熱邊界條件。
[0020]三、加載和計(jì)算:
第一，采用隱式算法，應(yīng)用Heat transfer模型進(jìn)行溫度場(chǎng)的計(jì)算，將熱循環(huán)過(guò)程中每一個(gè)單元的溫度變化都計(jì)算出來(lái)。
[0021 ] 第二，將第一步算出的溫度場(chǎng)作為溫度載荷，應(yīng)用Static，General模型進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的計(jì)算，最終得到渦輪葉片熱障涂層熱循環(huán)下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。
[0022]四、結(jié)果表征和分析
進(jìn)行結(jié)果表征，通過(guò)對(duì)結(jié)果中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分析，來(lái)判斷或預(yù)測(cè)渦輪葉片熱障涂層在高溫?zé)嵫h(huán)下容易失效的區(qū)域。
[0023]其中，步驟一和步驟二可以在網(wǎng)格劃分之前進(jìn)行，也可以在網(wǎng)格劃分之后進(jìn)行。
[0024]本發(fā)明中的網(wǎng)格劃分方法，也同樣適用于含有分層結(jié)構(gòu)的其他復(fù)雜模型。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明所述的網(wǎng)格劃分方法簡(jiǎn)單可行，僅應(yīng)用有限元軟件ABAQUS即可完成，不需要借助其他軟件，避免另外使用專(zhuān)業(yè)的網(wǎng)格劃分軟件可能出現(xiàn)軟件兼容性問(wèn)題，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)，極大地提升了網(wǎng)格劃分的速度，高質(zhì)量的網(wǎng)格也為后續(xù)的數(shù)據(jù)提取和分析帶來(lái)了極大的便利。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是實(shí)施例一整體邏輯流程不意圖；
圖2是實(shí)施例一模型M’ ’的示意圖；
圖3是實(shí)施例一加載的熱循環(huán)的溫度曲線圖，其中實(shí)線表示陶瓷層外表面溫度，虛線表示陶瓷層內(nèi)表面溫度；
圖4A是實(shí)施例一 17個(gè)循環(huán)過(guò)后TBC層壓力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖4B是實(shí)施例一 17個(gè)循環(huán)過(guò)后TBC層吸力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖5A是實(shí)施例一 17個(gè)循環(huán)過(guò)后TGO層壓力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖5B是實(shí)施例一 17個(gè)循環(huán)過(guò)后TGO層吸力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖6A是實(shí)施例一 17個(gè)循環(huán)過(guò)后BC層壓力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖6B是實(shí)施例一 17個(gè)循環(huán)過(guò)后BC層吸力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖7A是實(shí)施例一 17個(gè)循環(huán)過(guò)后SUB層壓力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖7B是實(shí)施例一 17個(gè)循環(huán)過(guò)后SUB層吸力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖8是實(shí)施例一網(wǎng)格劃分步驟中葉身、榫頭切分位置示意圖(圖中虛線為切分線)；
圖9是實(shí)施例二網(wǎng)格劃分步驟中葉身、榫頭切分位置示意圖(圖中虛線為切分線)；
圖10是實(shí)施例二榫頭TBCs部分和基底部分界線位置示意圖(圖中虛線為分界線)。
[0027]圖中標(biāo)記說(shuō)明:1 一葉身部分，11 一葉身部分的冷卻通道，2—榫頭部分，21—榫頭部分的冷卻通道，3—橢球。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]實(shí)施例一
選取已經(jīng)建立的單個(gè)渦輪葉片模型作為實(shí)施對(duì)象，應(yīng)用有限元軟件ABAQUS建立有限元模型，主要是進(jìn)行其在熱循環(huán)載荷下的有限元仿真。
[0030]為了方便、簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本發(fā)明作如下假設(shè):l)TBCs各層材料各向同性；2)TBCs各層厚度均勻；3)采用理想彈塑性模型；4)各層蠕變均為時(shí)間硬化模型。
[0031]先進(jìn)行渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的建立，按以下步驟進(jìn)行:
一、不含冷卻通道的渦輪葉片幾何模型的構(gòu)建
(一)葉身部分幾何模型的建立 (I)前期幾何模型的建立
幾何模型中，熱障涂層用TBCs表示，陶瓷層用TBC表示，其厚度為h。；氧化層用TGO表示，其厚度為ht ;過(guò)渡層用BC表示，其厚度為hb ;渦輪葉片的葉身部分的基底用SUB表示，最小厚度為 hs ;本實(shí)施例中，hc = 0.3 mm , ht = 0.01mm, hb = 0.lmm, hs = 2mm ；
1)在有限元軟件ABAQUS的part模塊中建立TBC-TGO-BC-SUB-Cuboid模型，記為模型A，模型A表示含有基底、過(guò)渡層、氧化層和陶瓷層的渦輪葉片葉身部分的幾何模型，此模型不含冷卻通道，其中Cuboid代表葉片與榫頭連接部位的長(zhǎng)方體模型；之所以要包含Cuboid部分，有兩個(gè)原因:第一，方便葉身部分和榫頭部分的連接；第二，為了保證TBCs中陶瓷層、氧化層和過(guò)渡層在葉片外表面的整體性，同時(shí)保證各層在兩個(gè)平面及其倒角處可以等厚)；
2)在有限元軟件ABAQUS的part模塊中建立TGO-BC-SUB-Cuboid模型，記為模型B，模型B表示含有基底、過(guò)渡層和氧化層的渦輪葉片葉身部分的幾何模型；
3)在有限元軟件ABAQUS的part模塊中建立BC-SUB-Cuboid模型，記為模型C，模型C表示含有基底和過(guò)渡層的渦輪葉片葉身部分的幾何模型；
4)在有限元軟件ABAQUS的part模塊中建立SUB-Cuboid模型，記為模型D，模型D表示渦輪葉片葉身部分的基底模型，即沒(méi)有任何涂層的渦輪葉片葉身的幾何模型；
5)分別對(duì)A、B、C、D模型的葉片與Cuboid連接部位處進(jìn)行倒角處理，模型A、B、C、D的倒角半徑依次記為Ra、Rb、Rc> Rd，其中RB=RA+h。，Rc=RB+ht, RD=Rc+hbo之所以倒角大小不同且有這樣的關(guān)系，是為了保證熱障涂層各層厚度在各個(gè)位置完全相等。
[0032](2) TBCs各層幾何模型的建立
將步驟(I)中建立的A、B、C、D四個(gè)模型在有限元軟件ABAQUS中的ASEEMBLY模塊中:
1)將模型A與模型B相切，生成TBC層；
2)將模型B與模型C相切，生成TGO層；
3)將模型C與模型D相切，生成BC層；
4)再將所切得的TBC層、TGO層、BC層與模型D裝配并保留邊界地合并到一起，得到含有完整分層結(jié)構(gòu)熱障涂層的渦輪葉片葉身部分的幾何模型，記為模型M1 ；
(二)榫頭部分幾何模型的建立
在ABAQUS軟件的part模塊中先畫(huà)出榫頭部分的截面草圖，通過(guò)拉伸做出渦輪葉片榫頭的幾何模型，其中，所建的榫頭模型的上表面與前面步驟模型中Cuboid的下表面的形狀和大小完全一致，此榫頭模型記為M2 ；
(三)完整的不含冷卻通道的渦輪葉片幾何模型的建立
在ABAQUS軟件的assembly模塊中將渦輪葉片葉身部分的幾何模型M1和榫頭部分的幾何模型M2合并到一起，此處合并不保留邊界，得到的就是一個(gè)完整的不含冷卻通道的渦輪葉片的幾何模型，記為模型M0 ；
二、含有多條冷卻通道的幾何模型的建立
(一)含有多條冷卻通道的渦輪葉片葉身部分幾何模型的建立
1)在ABAQUS軟件中的part模塊中建立幾何模型E，模型E的形狀與模型A、B、C、D完全相同，但其外邊界到模型D的外邊界正好相差SUB的厚度，此模型用來(lái)確定冷卻通道的位置和范圍大?。?br> 2)以模型E的上表面為草圖面，將此面沿著冷卻通道的排列方向等分成若干份，再以具體的通道數(shù)目和間隔的數(shù)目均勻分配，將冷卻通道的形狀、位置和具體數(shù)目確定好，畫(huà)出冷卻通道截面草圖，將此截面草圖拉伸得到冷卻通道模型，記為模型F ;
3)將模型M1與模型F相切，得到含有多條冷卻通道的渦輪葉片葉身部分的幾何模型，記為模型M1'；
(二)含有多條冷卻通道的渦輪葉片榫頭部分幾何模型的建立
1)以榫頭部分的幾何模型M2的上表面為草圖面，將此面沿著冷卻通道的排列方向等分成若干份，再以具體的通道數(shù)目和間隔的數(shù)目均勻分配，將冷卻通道的形狀、位置和具體數(shù)目確定好做出榫頭部分冷卻通道截面的草圖，將此截面草圖拉伸得到榫頭部分的冷卻通道模型，記為模型G ;
2)將模型M2(榫頭部分的幾何模型)與模型G相切，得到含有多條冷卻通道的渦輪葉片的榫頭部分的模型，記為模型M2’ ；
(三)含冷卻通道連接部分的榫頭部分和葉身部分的幾何模型的建立
由于模型中榫頭部分和葉身部分的冷卻通道的形狀完全不相同，所以如果現(xiàn)在就將兩部分裝配到一起的話，必然會(huì)造成模型部件之間的不匹配，同時(shí)考慮到實(shí)際的渦輪葉片冷卻通道的形狀，我們將連接部分的幾何模型假設(shè)為一個(gè)橢球體。但是橢球的位置很難確定，無(wú)法直接將橢球嵌入模型中冷卻通道腔體的位置，也就無(wú)法完成冷卻通道整體幾何模型的構(gòu)建。因此，本發(fā)明通過(guò)下面的方法確定橢球腔體的位置。
[0033]I)首先在ABAQUS的part模塊中建立橢球模型，并將橢球從中間切為上下兩個(gè)半橢球，然后在ABAQUS的assembly模塊中，將上半橢球的平面部分的中心與模型M/下表面的中心重合，上半橢球的平面完全包含在葉身部分的下表面內(nèi)，上半橢球包含在模型M/內(nèi)，再將模型M1'與上半橢球模型相切，得到含有多條冷卻通道及連接部分的渦輪葉片葉身部分的幾何模型，記為模型M1'’ ；
2)在ABAQUS的assembly模塊中，將下半橢球的平面部分的中心與模型M2’上表面的中心重合，半橢球的平面完全在渦輪葉片榫頭部分的上表面內(nèi)，下半橢球在模型M2,內(nèi)，將模型M2,與下半橢球相切，得到含有多條冷卻通道及連接部分的榫頭部分的模型，記為模型M2,，；
三、含冷卻通道連接部分的榫頭部分和葉身部分的幾何模型的合并和完整的冷卻通道的幾何模型的建立
將模型M/’與模型M2’’合并到一起得到完整的含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層的幾何模型，記為模型M’ ’，模型M’ ’就是我們的目標(biāo)模型。
[0034]然后對(duì)建好的模型M’ ’進(jìn)行網(wǎng)格劃分，步驟如下:
一、將模型M’’切分為規(guī)則的葉身部分和不規(guī)則的榫頭部分兩個(gè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格劃分也相應(yīng)較為復(fù)雜，先將模型切分為兩個(gè)部分。
[0035]二、規(guī)則的葉身部分的網(wǎng)格劃分
1)添加輔助線，連接同一個(gè)倒角處所有分層倒角的邊界點(diǎn)，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(huà)出；由于TBCs為分層結(jié)構(gòu)，但是在厚度方向，沒(méi)有任何的邊界線，所以，對(duì)于TBCs每一層內(nèi)網(wǎng)格的分層就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)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(duì)稱性，切削只會(huì)增加劃分網(wǎng)格的難度，由此我們通過(guò)添加輔助線的方法得到厚度方向的邊界線；
2)布置種子，首先按尺寸整體布置種子，然后再將厚度方向的所有輔助線按照數(shù)目重新布置種子；整體布置種子，使得整體網(wǎng)格大小不會(huì)相差太大，考慮到厚度方向的尺寸相比高度方向的尺寸非常小，具體分層后就更小了，為了控制網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量，整體的種子尺寸不能太小，所以厚度方向的種子需要單獨(dú)布置。
[0036]3)選擇六面體掃略網(wǎng)格，對(duì)這一部分進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。
[0037]三、不規(guī)則的榫頭部分的網(wǎng)格劃分
由于榫頭部分的上端，仍然有熱障涂層的覆蓋，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，也是需要重點(diǎn)分析的區(qū)域，所以將此處的TBCs和基底的網(wǎng)格分開(kāi)劃分。
[0038]1.榫頭TBCs部分網(wǎng)格的劃分
I)首先按尺寸整體布置種子，然后沿厚度方向布置種子，此處整體布置和沿厚度方向布置的種子尺寸和數(shù)目與葉身部分相應(yīng)的種子尺寸相同；這是為了避免后面兩個(gè)部分重新組合到一起后的節(jié)點(diǎn)不完全重合。
[0039]2)選擇四面體網(wǎng)格，對(duì)這一部分進(jìn)行劃分網(wǎng)格；由于此處模型非常復(fù)雜，很難劃分為六面體網(wǎng)格，所以，此處劃分為四面體網(wǎng)格。
[0040]2.榫頭基底部分的網(wǎng)格劃分
此處網(wǎng)格劃分的難度主要在內(nèi)部腔體的不規(guī)則性和內(nèi)部倒角多而小，此部分由于倒角邊界線的存在，模型中共有約150個(gè)面，其不規(guī)則性決定網(wǎng)格類(lèi)型只能是四面體，而倒角邊界線種子的布置更為復(fù)雜。
[0041]I)首先，按數(shù)目整體布置種子，保證每一條邊界線上都能布置的足夠數(shù)量的種子，然后，重新選定所有除倒角線以外的邊界線線，按其尺寸布置種子，重新修改榫頭部分與葉身部分切分面上的種子數(shù)目，使其與前面步驟中葉身部分的切分面上種子數(shù)目和位置完全相同；，這也是為了避免兩部分重新組合到一起后的節(jié)點(diǎn)不完全重合。倒角線很短又多基本沒(méi)法單獨(dú)布種子，所以就先整體布種子，剩下的非倒角的邊界線都較長(zhǎng)，容易單獨(dú)布種子。倒角的線都是曲線，非常短，如果不按照數(shù)目布種子，而是按照尺寸布種子的話，可能只有端點(diǎn)有種子，在整體的網(wǎng)格化分中就無(wú)法體現(xiàn)這條邊的曲率(也就是說(shuō)，一定數(shù)量的種子至少是3個(gè)，才能體現(xiàn)出這條邊的特性)。
[0042]2)選擇四面體網(wǎng)格，對(duì)這一部分劃分網(wǎng)格。
[0043]將網(wǎng)格劃分好的模型應(yīng)用于溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分析，按下列步驟進(jìn)行:
一、定義材料屬性
分別對(duì)陶瓷層、氧化層、過(guò)渡層和基底定義材料屬性，具體材料屬性如下表所示:
表1熱傳導(dǎo)系數(shù)
【權(quán)利要求】
1.一種渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網(wǎng)格劃分方法，其特征在于，所述的網(wǎng)格劃分在有限元軟件ABAQUS中進(jìn)行，包括以下步驟: 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和榫頭兩個(gè)部分，切分的位置為榫頭與葉身連接部分的倒角邊界線； 二、葉身部分的網(wǎng)格劃分 1)添加輔助線連接同一個(gè)倒角處所有分層倒角的邊界點(diǎn)，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(huà)出； 2)布置種子，首先按尺寸整體布置種子，然后再將厚度方向的所有輔助線按照數(shù)目重新布置種子； 3)選擇六面體掃略網(wǎng)格，對(duì)這一部分進(jìn)行網(wǎng)格的劃分； 三、榫頭部分的網(wǎng)格劃分 (一)榫頭TBCs部分網(wǎng)格的劃分 1)首先按尺寸整體布置種子，然后沿厚度方向布置種子，此處整體布置和沿厚度方向布置的種子尺寸和數(shù)目與葉身部分相應(yīng)的種子尺寸和數(shù)目相同； 2)選擇四面體網(wǎng)格，對(duì)這一部分進(jìn)行劃分網(wǎng)格； (二)榫頭基底部分的網(wǎng)格劃分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網(wǎng)格劃分方法，其特征在于， 所述榫頭基底部分的網(wǎng)格劃分按如下步驟進(jìn)行: 1)首先，按數(shù)目整體布置種子，保證每一條邊界線上都能布置的足夠數(shù)量的種子，然后，重新選定所有除倒角線以外的邊界線線，按其尺寸布置種子，重新修改榫頭部分與葉身部分切分面上的種子數(shù)目，使其與前面步驟中葉身部分的切分面上種子數(shù)目和位置完全相同； 2)選擇四面體網(wǎng)格，對(duì)這一部分劃分網(wǎng)格。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片熱障涂層的有限元模型的網(wǎng)格劃分方法，其特征在于，所述榫頭基底部分的網(wǎng)格劃分按如下步驟進(jìn)行:整體按尺寸布置種子，選擇六面體掃略網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103886163SQ201410147512
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】楊麗, 李曉軍, 周益春, 朱旺, 蔡燦英 申請(qǐng)人:湘潭大學(xué)