[发明专利]一种涡轮叶片热障涂层的有限元模型的网格划分方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种高性能航空发动机涡轮叶片隔热防护涂层系统有限元建模的技术领域，尤其涉及一种涡轮叶片热障涂层的有限元模型的网格划分方法。

背景技术

热障涂层技术与冷却技术和定向凝固单晶基底技术一起被列为世界各国航空推进计划的三大核心技术，是决定一个国家航空工业发展水平的关键技术。热障涂层是指将将耐高温、高隔热的陶瓷材料涂覆在合金基体表面，以降低基体表面温度从而提高发动机的热效率。事实证明：应用了100~400 μm的热障涂层后能降低基体温度约150~300°C，这相当于过去几十年发展高温单晶基体的效率总和。更重要的是，随着航空工业的高速发展，目前发动机涡轮前进口温度已经达到1650°C，而单晶高温基底技术已基本发展到了其极限温度(约1150°C)。因此，发展热障涂层技术是现代航空工业发展的必然要求，具有巨大的应用前景。但是，由于组成热障涂层体系的各层材料在热、物理、力学性能如热膨胀系数、弹性模量等存在巨大的差异，会使得服役过程中在热障涂层体系内产生热失配应力。而且，在高温下服役时，陶瓷层中的氧和过渡层中的金属会发生氧化反应生成氧化物，这一层氧化物的形成进一步加剧了热障涂层体系内参数的不匹配。在极端恶劣的环境下服役时，热障涂层会发生开裂、剥落失效。更重要的是，由于热障涂层涡轮叶片具有非常复杂的几何形状，极其复杂的微观结构，加上复杂的服役环境，很难建立一种目前大家都认可的理论方法对其失效进行预测。

对于要考虑实际形状的三维的涡轮叶片这样复杂的结构，通过有限元模拟的方法来分析其温度场和应力场，从而分析热障涂层的隔热效果与失效机理，即可以避免由于结构复杂造成的理论推导的困难，又可以节约由于实验而消耗的大量的人力、物力和财力。因此，有限元方法是涡轮叶片热障涂层破坏机理研究的必要手段。涡轮叶片热障涂层有限元模型的建立最重要的两个过程就是几何模型的建立和网格的划分。建立好涡轮叶片热障涂层的分析模型后，网格的划分是决定后续计算精度与计算规模的关键。为建立正确、合理的有限元模型，划分出高质量的网格，在兼顾计算效率的同时，最需要考虑的两个因素就是网格数量的多少和网格的疏密，对于有限元的模拟计算，只有高质量的网格，才能得到精确可信的结果。涡轮叶片热障涂层的有限元模型的网格划分方法直接影响温度场和应力场分析时计算的精确程度。

复杂几何模型的网格划分问题一直是有限元建模者最头疼的问题之一，传统的方法一般有两个：方法一，降低要求，使用较低的网格质量（比如四面体网格或楔形网格等）划分网格再进行后续计算，这样不仅对于计算精度有较大的影响，后处理中数据的提取和分析也可能无法实现；方法二，使用专业的网格划分软件（例如Hypermesh等），采用这样的方法得到的网格质量可以得到改善，但却引来的新的问题，就是软件之间的兼容性问题，尤其涉及到曲面以及微观尺寸的时候，软件之间的不兼容表现得更为明显。除此之外，对于建模者而言，同时要掌握几个复杂的软件，学习和使用的难度很大。对于涡轮叶片热障涂层的有限元模型来说，因为有榫头、冷却通道等多种不规则几何形状的存在，网格的划分尤为困难，急需一种简单可行的、高质量的网格划分方法，而目前还没有相关技术的报道。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提出一种涡轮叶片热障涂层的有限元模型的网格划分方法，它仅在有限元软件ABAQUS即可完成，无需借助其他专业软件，简单易行，保证网格质量的同时提升了网格划分的速度。本发明的技术方案具体为：一种涡轮叶片热障涂层的有限元模型的网格划分方法，网格划分在有限元软件ABAQUS中进行，包含以下步骤： 

模型中，热障涂层用TBCs表示，陶瓷层用TBC表示，氧化层用TGO表示，涡轮叶片的叶身部分的基底用SUB表示，涡轮叶片分为叶身和榫头两大部分。

一、将建好的涡轮叶片热障涂层的有限元模型切分为叶身、榫头部分两个部分，切分的位置为榫头与叶身连接部分的倒角边界线；考虑到模型的结构复杂，网格划分也相应较为复杂，首先将模型切分为两个部分。

二、叶身部分的网格划分

1）添加辅助线，连接同一个倒角处所有分层倒角的边界点，得到一条垂直于界面的直线，以此方法，将所有倒角处的垂直于界面的直线一一画出；；由于TBCs为分层结构，但是在厚度方向，没有任何的边界线，所以，对于TBCs每一层内网格的分层就无法实现，传统的方法，可以将模型切削，从而得到边界线，但是由于模型的非对称性，切削只会增加划分网格的难度，由此通过添加辅助线的方法得到厚度方向的边界线；