[发明专利]一种涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法

摘要

本发明公开了一种涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法，属于表面涂层防护技术领域，通过在涡轮叶片上选取均匀分布的代表节点，以代表节点位置的温度和应力结果来反映各局部区域的状态，将复杂叶片的TBCs厚度分析等效为对有限数量的代表节点位置的厚度优化设计，减少了分析计算量；建立数学公式来反映高隔热性能、低应力水平和低制备成本的设计目标，通过引入多目标优化算法计算得到每个代表节点位置的最佳陶瓷层厚度，将总目标函数值作为叶片TBCs厚度的优化设计和评价参数，从而能够定量评价TBCs厚度分布方案的优劣，克服现有方法仅能定性评价的缺点，该方法有助于保证涂层服役安全和提高涂层使用效率。

主权项

1.一种涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定TBCs各层厚度；TBCs包含陶瓷层、粘结层及热生长氧化层，为陶瓷层、粘结层及热生长氧化层赋予厚度值；陶瓷层厚度为k×100μm，k为分析次数的编号，即步骤1至步骤6的重复次数，k＝1,2,…,10；粘接层厚度为100μm～250μm；热生长氧化层厚度为1μm～10μm；步骤2：建立含TBCs涡轮叶片的三维有限元模型；三维有限元模型由叶片合金基底和均匀厚度的TBCs构成，TBCs涂覆于涡轮叶片的叶身外表面和叶根平台的上表面；所述均匀厚度TBCs是指涂层覆盖区域内的陶瓷层厚度均相同，TBCs各层厚度由步骤1给定；步骤3：对三维有限元模型进行网格划分；步骤4：对划分网格后的三维模型进行热‑力耦合分析，获得含TBCs涡轮叶片的整体温度场和应力场分布；所述热‑力耦合分析是通过有限元软件ABAQUS完成，该过程包括以下步骤：a.对所述三维有限元模型中的合金基底和TBCs分别赋予材料属性；b.对所述三维有限元模型中的TBCs外表面施加高温边界条件，对叶片冷却通道表面施加冷却温度边界条件；c.利用ABAQUS提供的热‑力耦合分析模块，对有限元模型进行分析计算；d.计算完成后，在ABAQUS后处理模块输出计算结果，获得含TBCs涡轮叶片的整体温度场和应力场分布；步骤5：选取叶片涂层区域内的代表节点；代表节点是指能够反映各局部区域的温度和应力状态特征的代表性节点，代表节点位置在不同分析对应的三维有限元模型中一致；步骤6：提取并记录所有代表节点所在位置的厚度方向，陶瓷层的最大应力值和温度差；步骤7：判断均匀厚度TBCs模型是否分析完成；判断k≤10是否成立，若成立则重复步骤1至步骤6；否则，按照步骤8进行；步骤8：对步骤5中选定的任意代表节点i，i＝1,2,…,110，根据公式(1)分别计算第k次分析对应的有限元模型中该代表节点位置的目标函数值：公式(1)中，是第k次分析中代表节点i位置处的目标函数，是第k次分析中代表节点i位置处陶瓷层内最大应力，ΔT_i^k是第k次分析中代表节点i位置处陶瓷层内的温度差，是第k次分析中代表节点i位置处陶瓷层的厚度，w_β是性能权重系数，取w_β＝0.6；w_h是厚度权重系数，取w_h＝0.4；步骤9：获得叶片陶瓷层厚度的理想分布，对于任意代表节点，求得使其目标函数值最小时的最佳陶瓷层厚度；步骤10：根据步骤9中获得的叶片陶瓷层厚度理想分布，划分TBCs厚度分布子区域，子区域的陶瓷层厚度与其包含的代表节点中最佳陶瓷层厚度的最大值相同；步骤11：计算叶片TBCs厚度分布的总目标函数；根据步骤10中给出的子区域陶瓷层厚度分布，并结合公式(1)计算得到的目标函数值，按照公式(2)计算叶片TBCs厚度分布的总目标函数值：公式(2)中，G_obj是当前TBCs厚度分布的总目标函数值，g_i是代表节点i位置处的目标函数；步骤12：确定TBCs厚度分布方案；重复步骤10和步骤11，不断调整子区域大小，直至公式(2)计算获得的G_obj最小，获得涡轮叶片TBCs厚度分布的优化设计方案。