含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層有限元建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層熱應(yīng)力的有限元建模方法，首先進行不含冷卻通道的渦輪葉片整體的構(gòu)建，其具體構(gòu)建過程又分為榫頭、葉身兩個部分；然后建立含有多條冷卻通道的渦輪葉片的幾何模型，其構(gòu)建過程又分為含多條冷卻通道的葉身部分、含多條冷卻通道的榫頭部分以及這兩個部分的連接三個步驟。本發(fā)明所述的有限元建模方法完全在有限元軟件ABAQUS中進行，避免因使用多個軟件的不完全兼容容易造成部件與部件之間的不匹配的問題；此外本發(fā)明幾何模型的構(gòu)建考慮到榫頭的真實形狀，以及渦輪葉片有多條冷卻通道的實際情況，建立的渦輪葉片熱障涂層的有限元模型更接近現(xiàn)實狀況，使得后續(xù)的溫度場、應(yīng)力場分析的計算結(jié)果更準確。
【專利說明】含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層有限元建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高性能航空發(fā)動機渦輪葉片隔熱防護涂層系統(tǒng)的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及的是含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層的有限元建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]渦輪葉片的材料是保證渦輪發(fā)動機安全使用的基礎(chǔ)，是當代材料科學與工程極其重要的一個發(fā)展領(lǐng)域。為了滿足燃氣渦輪發(fā)動機的使用要求，一些國家先后研制出了許多種超高溫合金材料。然而定向凝固合金和單晶合金也只能應(yīng)用于1100°c左右，根本滿足不了現(xiàn)在發(fā)動機工作溫度的需要，燃氣輪機渦輪葉片的極限工作溫度已高達1650°c?；谶@樣的情況，人們提出了熱障涂層的概念。熱障涂層是一種主要用來起隔熱作用的陶瓷涂層，通常有著比較低的導熱系數(shù)，一般制備在高溫金屬或者合金的表面，可以大幅降低被保護基底的溫度，使得合金基底能在更高的溫度條件下工作，從而提高機器或器件的效率并延長其壽命。將熱障涂層沉積在渦輪發(fā)動機的渦輪葉片上，可以大幅提升發(fā)動機的工作溫度，從而可以提高發(fā)動機的熱機效率。此外，冷卻通道中冷卻氣體的降溫作用對保護基底也十分重要。
[0003]自20世紀40年代末研究以來，熱障涂層技術(shù)受到廣泛的重視并得到了迅速發(fā)展。國內(nèi)外研究人員對熱障涂層的降溫效果進行了大量研究，研究表明，涂層中的應(yīng)力大小及分布是影響涂層失效的關(guān)鍵因素之一，因此熱障涂層壽命預測的關(guān)鍵之一就是應(yīng)力場的有效預測，而有限元模擬的方法則是最常用的方法之一。相對實驗方法與解析模型，有限元方法有著節(jié)約成本、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，尤其適用于結(jié)構(gòu)復雜的幾何模型的研究，因此有限元模擬的方法被人們用來研究渦輪葉片熱障涂層的溫度場和應(yīng)力場。劉奇星等人則首次建立了三維的渦輪葉片熱障涂層破壞過程的有限元模型，得到了渦輪葉片熱障涂層系統(tǒng)在熱循環(huán)作用下的應(yīng)力場演化規(guī)律。
[0004]在湘潭大學的專利號為CN200910085777.1的發(fā)明專利“用于渦輪葉片熱障涂層系統(tǒng)破壞過程的有限元建模方法”中，提出了一種用于渦輪葉片熱障涂層系統(tǒng)破壞的有限元建模方法。該方法雖然解決了一定的問題，但是隨著科研水平的不斷進步和提高，此方法顯現(xiàn)出明顯的不足和弊端:第一，其幾何模型的構(gòu)建需要在CATIA軟件中進行，然后再將幾何模型導入到有限元軟件ABAQUS中進行相關(guān)的仿真計算，而對于渦輪葉片熱障涂層這種復雜的模型而言，由于其TGO層相對厚度非常小，故會因為軟件之間的精度要求不同造成幾何模型尺寸上的缺失，從而造成模型的各個部件之間的裝配不吻合，所以必須進行幾何模型的二次處理，才能進行后續(xù)計算，并且模型的建立需要建模者熟練地掌握CATIA軟件和ABAQUS軟件的使用，大大增加了建模的難度；第二，其幾何模型的構(gòu)建沒有考慮到榫頭的真實形狀，更沒有考慮實際情況中渦輪葉片有多條冷卻通道，該發(fā)明專利中模型的葉身部分僅有一條通道，且葉身部分的下面是個實心的長方體，不是實際形狀的榫頭，故僅有的這條通道實質(zhì)上也是不通的。
[0005]針對目前對含有多條冷卻通道的實際形貌的渦輪葉片熱障涂層研究報道較少的狀況，技術(shù)發(fā)展迫切地需要提出更先進的有限元模型的建模方法，便于渦輪葉片的材料研究中更準確地計算溫度場和應(yīng)力場。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供一種含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層有限元建模方法。由于航空發(fā)動機渦輪葉片的構(gòu)造比較復雜，我們將單個渦輪葉片幾何模型的構(gòu)建分為兩個過程，首先是不含冷卻通道的渦輪葉片整體的構(gòu)建，其具體構(gòu)建過程又分為榫頭、葉身兩個部分，其中葉身部分的建模方法與湘潭大學博士劉奇星的建模方法相近，但不相同，本模型的構(gòu)建不需要借助ABAQUS軟件以外的其他軟件；在此基礎(chǔ)上，同時建立含有多條冷卻通道的渦輪葉片的幾何模型，其構(gòu)建過程又分為三個部分:分別為含多條冷卻通道的葉身部分、含多條冷卻通道的榫頭部分以及這兩部分的連接。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案具體為:一種含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層有限元建模方法，包含以下步驟:
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 ;本實施例中，hc=0.3mm, 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方體模型；之所以要包含Cuboid部分，有兩個原因: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、氧化層和過渡層在葉片外表面的整體性，同時保證各層在兩個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，即沒有任何涂層的渦輪葉片葉身的幾何模型；
5)分別對A、B、C、D模型的葉片與Cuboid連接部位處進行倒角處理，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位置完全相等。
[0008](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模塊中先畫出榫頭部分的截面草圖，通過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，此模型用來確定冷卻通道的位置和范圍大小；
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，必然會造成模型部件之間的不匹配，同時考慮到實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)為一個橢球體。但是橢球的位置很難確定，無法直接將橢球嵌入模型中冷卻通道腔體的位置，也就無法完成冷卻通道整體幾何模型的構(gòu)建。因此，本發(fā)明通過下面的方法確定橢球腔體的位置:
1)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M1'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M1'內(nèi)，再將模型M/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’ ’就是我們的目標模型。
[0009]優(yōu)選的，所述的含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層的有限元建模方法，還包括以下步驟:將模型M’’與Mtl相切，得到完整的冷卻通道的幾何模型，記為模型X。模型X可以方便流固耦合等其他有限元模型的計算。
[0010]優(yōu)選的，所述的含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層的有限元建模方法，還包括對模型M’’進行網(wǎng)格化分。
[0011]優(yōu)選的，所述的含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層的有限元建模方法，其網(wǎng)格劃分按照以下步驟進行:
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)復雜，網(wǎng)格劃分也相應(yīng)較為復雜，先將模型切分為兩個部分。
[0012]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；由于TBCs為分層結(jié)構(gòu)，但是在厚度方向，沒有任何的邊界線，所以，對于TBCs每一層內(nèi)網(wǎng)格的分層就無法實現(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稱性，切削只會增加劃分網(wǎng)格的難度，由此我們通過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布置。
[0013]3)選擇六面體掃略網(wǎng)格，對這一部分進行網(wǎng)格的劃分。
[0014]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)較為復雜，也是需要重點分析的區(qū)域，所以將此處的TBCs和基底的網(wǎng)格分開劃分。
[0015](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部分重新組合到一起后的節(jié)點不完全重合。
[0016]2)選擇四面體網(wǎng)格，對這一部分進行劃分網(wǎng)格；由于此處模型非常復雜，很難劃分為六面體網(wǎng)格，所以，此處劃分為四面體網(wǎng)格。
[0017](二)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個面，其不規(guī)則性決定網(wǎng)格類型只能是四面體，而倒角邊界線種子的布置更為復雜。[0018]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)點不完全重合。倒角線很短又多基本沒法單獨布種子，所以就先整體布種子，剩下的非倒角的邊界線都較長，容易單獨布種子。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，可能只有端點有種子，在整體的網(wǎng)格化分中就無法體現(xiàn)這條邊的曲率(也就是說，一定數(shù)量的種子至少是3個，才能體現(xiàn)出這條邊的特性)。
[0019]2)選擇四面體網(wǎng)格，對這一部分劃分網(wǎng)格。
[0020]將本發(fā)明方法建立的模型應(yīng)用于溫度場和應(yīng)力場的分析時，可以遵循下列步驟: 一、定義材料屬性，分別對各個部分定義材料屬性。
[0021 ] 二、設(shè)置位移邊界條件和熱邊界條件。
[0022]三、加載和計算
第一，采用隱式算法，應(yīng)用Heat transfer模型進行溫度場的計算，將熱循環(huán)過程中每一個單元的溫度變化都計算出來。
[0023]第二，將第一步算出的溫度場作為溫度載荷，應(yīng)用Static，General模型進行應(yīng)力應(yīng)變場的計算，最終得到渦輪葉片熱障涂層熱循環(huán)下的溫度場和應(yīng)力場。
[0024]四、結(jié)果表征和分析
進行結(jié)果表征，通過對結(jié)果中溫度場和應(yīng)力場的分析，來判斷或預測渦輪葉片熱障涂層在高溫熱循環(huán)下容易失效的區(qū)域。
[0025]本發(fā)明建立的一種含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層的有限元模型，不僅可以應(yīng)用于溫度場、應(yīng)力場的計算，也可以應(yīng)用于流固耦合等有限元模型的計算，本
【發(fā)明內(nèi)容】
中提到的網(wǎng)格劃分方法，也同樣適用于含有分層結(jié)構(gòu)的其他復雜模型。
[0026]本發(fā)明的有益效果是:
(I)本發(fā)明所述的有限元建模方法完全在有限元軟件ABAQUS中進行。針對復雜的幾何模型，傳統(tǒng)的建模方法一般是使用專業(yè)的造型軟件UG、CATIA等，然而對于有限元模型而言，幾何模型的構(gòu)建只是第一步，要建立有限元模型就必須使用有限元軟件，也就必須將已經(jīng)建立好的幾何模型導入到有限元軟件中，由于軟件之間的不完全兼容會造成幾何模型在導入有限元軟件后發(fā)生變化，容易造成部件與部件之間的不匹配。本發(fā)明方法徹底避免了此類問題的出現(xiàn)。
[0027](2)本發(fā)明幾何模型的構(gòu)建考慮到榫頭的真實形狀，以及渦輪葉片有多條冷卻通道的實際情況，建立的渦輪葉片熱障涂層的有限元模型更接近現(xiàn)實狀況，使得后續(xù)的溫度場、應(yīng)力場分析的計算結(jié)果更準確。
[0028](3)本發(fā)明所述的網(wǎng)格劃分方法對于復雜幾何模型有很大的借鑒意義，極大的提高了網(wǎng)格劃分的速度和質(zhì)量。復雜幾何模型的網(wǎng)格劃分問題一直是有限元建模者最頭疼的問題之一，傳統(tǒng)的方法一般有兩個: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)勉強劃分網(wǎng)格再進行后續(xù)計算，這樣不僅對于計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法實現(xiàn)；方法二，使用專業(yè)的網(wǎng)格劃分軟件(例如Hypermesh等),這樣的方法網(wǎng)格質(zhì)量可能得到改善,但同樣存在軟件之間的兼容性問題，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。本發(fā)明所述的網(wǎng)格劃分方法簡單可行，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時，不需要借助任何其他軟件，同時，高質(zhì)量的網(wǎng)格也為后續(xù)的數(shù)據(jù)提取和分析提供了極大的便利。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明整體邏輯流程示意圖；
圖2是含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層的模型M’ ’的示意圖；
圖3是葉身部分冷卻通道與上半橢球連接的示意圖；
圖4是榫頭部分冷卻通道與上半橢球連接的示意圖；
圖5是冷卻通道幾何模型X的示意圖；
圖6是加載的熱循環(huán)的溫度曲線圖，其中實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7A是17個循環(huán)過后TBC層壓力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖7B是17個循環(huán)過后TBC層吸力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖8A是17個循環(huán)過后TGO層壓力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖8B是17個循環(huán)過后TGO層吸力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖9A是17個循環(huán)過后BC層壓力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖9B是17個循環(huán)過后BC層吸力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖1OA是17個循環(huán)過后SUB層壓力面的應(yīng)力分布的云圖；
圖1OB是17個循環(huán)過后SUB層吸力面的應(yīng)力分布的云圖。
[0030]圖中標記說明: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，31—上半橢球，32—下半橢球。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合說明書附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0032]實施例1
選取已經(jīng)建立的單個渦輪葉片模型作為實施對象，應(yīng)用有限元軟件ABAQUS建立有限元模型，主要是進行其在熱循環(huán)載荷下的有限元仿真。
[0033]為了方便、簡化起見，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)各層蠕變均為時間硬化模型。
[0034]含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層有限元建模方法，包含以下步驟:
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 ;本實施例中，hc=0.3mm, ht=0.01mm, hb=0.lmm, hs=2mm ；
I)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方體模型；之所以要包含Cuboid部分，有兩個原因: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、氧化層和過渡層在葉片外表面的整體性，同時保證各層在兩個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，即沒有任何涂層的渦輪葉片葉身的幾何模型；
5)分別對A、B、C、D模型的葉片與Cuboid連接部位處進行倒角處理，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位置完全相等。
[0035](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模塊中先畫出榫頭部分的截面草圖，通過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
I)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，必然會造成模型部件之間的不匹配，同時考慮到實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)為一個橢球體。但是橢球的位置很難確定，無法直接將橢球嵌入模型中冷卻通道腔體的位置，也就無法完成冷卻通道整體幾何模型的構(gòu)建。因此，本發(fā)明通過下面的方法確定橢球腔體的位置。
[0036]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’ ’就是我們的目標模型。
[0037]為了方便流固耦合等其他模型的構(gòu)建，我們同時也要將完整的冷卻通道的幾何模型構(gòu)建出來。將沒有考慮冷卻通道的完整的渦輪葉片模型Mtl與考慮冷卻通道的完整的渦輪葉片模型M’ ’相切，得到完整的冷卻通道的幾何模型，記為模型X。
[0038]四、對模型M’ ’進行網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分按照以下步驟進行:
(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)復雜，網(wǎng)格劃分也相應(yīng)較為復雜，先將模型切分為兩個部分。
[0039](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；由于TBCs為分層結(jié)構(gòu)，但是在厚度方向，沒有任何的邊界線，所以，對于TBCs每一層內(nèi)網(wǎng)格的分層就無法實現(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稱性，切削只會增加劃分網(wǎng)格的難度，由此我們通過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布置。
[0040]3)選擇六面體掃略網(wǎng)格，對這一部分進行網(wǎng)格的劃分。
[0041](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)較為復雜，也是需要重點分析的區(qū)域，所以將此處的TBCs和基底的網(wǎng)格分開劃分。
[0042]1.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)的種子尺寸相同；這是為了避免后面兩個部分重新組合到一起后的節(jié)點不完全重合。
[0043]2)選擇四面體網(wǎng)格，對這一部分進行劃分網(wǎng)格；由于此處模型非常復雜，很難劃分為六面體網(wǎng)格，所以，此處劃分為四面體網(wǎng)格。
[0044]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個面，其不規(guī)則性決定網(wǎng)格類型只能是四面體，而倒角邊界線種子的布置更為復雜。
[0045]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；，這也是為了避免兩部分重新組合到一起后的節(jié)點不完全重合。倒角線很短又多基本沒法單獨布種子，所以就先整體布種子，剩下的非倒角的邊界線都較長，容易單獨布種子。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，可能只有端點有種子，在整體的網(wǎng)格化分中就無法體現(xiàn)這條邊的曲率(也就是說，一定數(shù)量的種子至少是3個，才能體現(xiàn)出這條邊的特性)。
[0046]2)選擇四面體網(wǎng)格，對這一部分劃分網(wǎng)格。
[0047]將本發(fā)明方法建立的模型應(yīng)用于溫度場和應(yīng)力場的分析，按下列步驟進行:
一、定義材料屬性
分別對陶瓷層、氧化層、過渡層和基底定義材料屬性，具體材料屬性如下表所示:
表1熱傳導系數(shù)
【權(quán)利要求】
1.含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層的有限元建模方法，其特征在于包括以下幾個步驟: 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 ； 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方體模型； 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，即沒有任何涂層的渦輪葉片葉身的幾何模型； 5)分別對A、B、C、D模型的葉片與Cuboid連接部位處進行倒角處理，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+hb ； TBCs各層幾何模型的建立 將步驟(1)中建立的A、B、C、D四個模型在有限元軟件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模塊中先畫出榫頭部分的截面草圖，通過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 I)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，此模型用來確定冷卻通道的位置和范圍大小；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建立 1)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M1'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M1'內(nèi)，再將模型M/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 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’’。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層的有限元建模方法，其特征在于包括以下步驟:將模型M’ ’與Mtl相切，得到完整的冷卻通道的幾何模型，記為模型X。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層的有限元建模方法，其特征在于還包括對模型M’ ’進行網(wǎng)格劃分這個步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含有多條冷卻通道的渦輪葉片熱障涂層的有限元建模方法，其特征在于，所述的網(wǎng)格劃分按照以下步驟進行: 一、將模型M’’切分為規(guī)則的葉身部分和不規(guī)則的榫頭部分兩個部分，切分的位置為榫頭與葉身連接部分的倒角邊界線； 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； 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，對這一部分進行網(wǎng)格的劃分； 三、不規(guī)則的榫頭部分的網(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，對這一部分進行劃分網(wǎng)格； (二)榫頭基底部分的網(wǎng)格劃分 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，對這一部分 劃分網(wǎng)格。
【文檔編號】G06F17/50GK103886164SQ201410147552
【公開日】2014年6月25日 申請日期: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 申請人:湘潭大學