用于涡轮叶片热障涂层系统破坏过程的有限元建模方法

摘要

本发明公开了属于高性能航空发动机隔热防护涂层系统技术领域的用于涡轮叶片热障涂层系统破坏过程的有限元建模方法。该方法选用CATIA软件和有限元ABAQUS软件。本方法在CATIA软件中把各层涂层与基底整体建模；在ABAQUS软件中进行几何模型的二次处理；在CATIA软件中进行模型的几何清理；在ABAQUS软件中进行模拟计算并分析结果。本方法能有效克服CATIA等CAD软件与有限元软件之间在几何模型处理上的不兼容性，既能考虑热障涂层材料的各种属性，又能考虑基底的几何形状，可以准确地模拟涡轮叶片热障涂层系统在实际工作环境中的相关关键物理量，思路清晰，方便技术人员掌握和使用。

主权项

1、用于涡轮叶片热障涂层系统破坏过程的有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)前期几何模型的建立模型中，热障涂层用TBC表示，厚度为hc；氧化层用TGO表示，厚度为ht；粘结层用BC表示，厚度为hb；涡轮叶片基底或者带底座的涡轮叶片基底用SUB表示，厚度为hs；带底座的涡轮叶片基底底座厚度为hd；①在CATIA软件中建立TBC-TGO-BC-SUB-Cuboid模型，记为模型A，模型A表示涂覆粘结层、氧化层和热障涂层的涡轮叶片模型，保存为TBC-TGO-BC-SUB-Cuboid-A.stp文件；②在CATIA软件中建立TGO-BC-SUB-Cuboid模型，记为模型B，模型B表示涂覆粘结层和氧化层的涡轮叶片模型，保存为TGO-BC-SUB-Cuboid-B.stp文件；③在CATIA软件中建立BC-SUB-Cuboid模型，记为模型C，模型C表示涂覆粘结层的涡轮叶片模型，保存为BC-SUB-Cuboid-C.stp文件；④在CATIA软件中建立SUB-Cuboid模型，记为模型D，模型D表示涡轮叶片基底模型，即没有涂覆任何涂层的涡轮叶片，保存为SUB-Cuboid-D.stp文件；⑤在CATIA软件中，对带底座的涡轮叶片，对叶片与底座连接部位及各层涂层连接处进行倒角操作，各倒角半径相同，大小均为r；(2)几何模型的二次处理将步骤(1)中建立的A、B、C、D四个模型的数据文件导入大型商用有限元软件ABAQUS软件的ASEEMBLY模块中：①将模型A与模型B相切，生成TBC层，将TBC层的模型文件保存为TBC.stp；②将模型B与模型C相切，生成TGO层，将TGO层的模型文件保存为TGO.stp；③将模型C与模型D相切，生成BC层，将BC层的模型文件保存为BC.stp；(3)各层模型的几何清理将步骤(2)中生成的TBC层、TGO层和BC层三层模型数据导入CATIA软件，进行模型的几何清理工作，删去多余的部分，得到用于有限元分析的模型，然后将清理好的模型分别导入ABAQUS软件；(4)涡轮叶片热障涂层系统模型的最终生成不考虑界面的破坏、滑移，设定界面完好结合，在ABAQUS软件中的ASEEMBLY模块中把前面建立的四层模型合并，即合并TBC.stp、TGO.stp、BC.stp以及SUB-Cuboid.stp四个文件所对应的模型，得到整体的热障涂层系统模型，记为TBCs；(5)分别对TBC层、TGO层、BC层、叶片基底或叶片基底及底座定义材料参数；(6)设置力学边界条件及热学边界条件；(7)划分网格；(8)保存模型数据，采用隐试算法，进行计算；(9)进行结果表征，找出危险点和危险区域。