一种涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法技术

本发明专利技术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。

Thickness optimization design method of thermal barrier coating for turbine blade

The invention discloses a turbine blade thermal barrier coating thickness optimization design method, which belongs to the technical field of surface coating, by selecting the representative nodes uniformly distributed on the turbine blades, to represent the position of node temperature and stress results to reflect the local areas of the state, the equivalent thickness of TBCs analysis of complex leaf thickness optimization design on behalf of a limited number of nodes, reduce the amount of calculation analysis; mathematical formula to reflect the high insulation performance, low stress and low level of preparation and design of the target cost, each node position represents the best ceramic thickness by introducing multi-objective optimization algorithm, the total value of the objective function as the optimization design and evaluation of blade thickness of TBCs parameters, thus to quantitatively evaluate the TBCs thickness distribution schemes, to overcome the existing methods can only qualitative evaluation The method is helpful to ensure the service safety of coating and improve the efficiency of coating.

【技术实现步骤摘要】
一种涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法
本专利技术属于表面涂层防护
，具体涉及一种涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法。
技术介绍
热障涂层(TBCs)是一种先进的陶瓷金属多层材料系统，在现代涡轮发动机中应用十分广泛。通过在发动机燃烧室、涡轮叶片等高温热端部件表面涂覆具有低热导率的TBCs，一方面可降低金属部件表面温度或进一步提高发动机涡轮叶片燃气入口温度，另一方面可使金属部件免受高温燃气的腐蚀和氧化，从而实现延长热端部件服役寿命和提高发动机效率的目的。以燃气轮机涡轮叶片为例，TBCs和叶片内部冷却的联合作用可有效降低高温合金表面温度100～300℃，使得合金基底能够在高于其熔点温度的环境下长期稳定服役。TBCs主要由陶瓷层、金属粘接层、高温合金基底、以及在陶瓷层/粘接层界面形成的热生长氧化层构成。TBCs各层材料间存在较大的性能差异，使得制备或高温服役过程中在涂层内部产生显著的热失配应力。较高的热失配应力可能诱发涂层内部裂纹的萌生和扩展，进而导致涂层的剥离失效。因此，应力水平是影响涂层服役寿命的重要因素。TBCs的隔热作用主要依靠表面陶瓷层实现，在给定热流密度的情况下，陶瓷层的热导率和厚度是TBCs隔热性能的两个决定性因素。在选定陶瓷层材料后，TBCs的隔热性能随着陶瓷层厚度的增加而提高，然而涂层内部的应力水平也可能不断升高。对陶瓷层厚度进行设计时，在满足涂层隔热性能的情况下需控制其内部的应力水平，并有必要考虑涂层的制备成本。因此，TBCs结构设计是一个在满足涂层高隔热性能、低应力水平和低制备成本等约束条件下的多目标优化问题。对涡轮叶片表面涂覆的TBCs进行厚度优化设计，有助于保证涂层服役安全，并提高其性能及使用效率。然而，当前的现有技术只能定性给出涡轮叶片TBCs厚度的大致分布，无法实现准确的厚度分布优化设计，缺少针对TBCs厚度设计优劣的评价。因此，随着表面涂层技术的不断快速发展，在工程应用中迫切需要发展涡轮叶片TBCs的厚度优化设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法，该方法能够简单高效的进行优劣的定量评价，有助于保证涂层服役安全和提高涂层使用效率。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法，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；(为了分析不同陶瓷层厚度的结果，步骤1-6需要重复10次，而每次厚度的确定是通过k*100得到的，k就是重复次数)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；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，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，wβ是性能权重系数，取wβ＝0.6；wh是厚度权重系数，取wh＝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，Gobj是当前TBCs厚度分布的总目标函数值，gi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Gobj最小，获得涡轮叶片TBCs厚度分布的优化设计方案。步骤4中，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中，代表节点针对所述三维有限元模型，在ABAQUS后处理模块中，从叶身吸面选取均匀分布的50个代表节点，从叶身压面选取均匀分布的50个代表节点，从叶根平台选取均匀分布的10个代表节点。步骤6所述厚度方向指叶片表面的法线方向；所述温度差是指陶瓷层外表面与陶瓷层/热生长氧化层界面之间的温度差值。步骤9中，所述最佳陶瓷层厚度指在此代表节点区域涂覆该厚度的陶瓷层时，获得隔热性能、应力水平和制备成本之间的最佳协调；根据所有代表节点区域的最佳陶瓷层厚度结果，获得叶片陶瓷层厚度的理想分布。步骤10中，划分TBCs厚度分布子区域，是将叶身压面分为3个子区域，叶身吸面分为3个子区域，叶根平台分为1个子区域；所述叶身压面和吸面的子区域沿叶片高度方向划分，每个子区域内包含多个代表节点。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术公开的涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法，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，大大减少了分析计算量；将复杂的叶片TBCs厚度设计定义为明确的多目标优化问题，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。因此，本专利技术的涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法，可以简单高效的进行TBCs厚度优化设计，并能实现设计方案优劣的定量评价，有助于保证涂层服役安全和提高涂层使用效率。附图说明图1是燃气本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；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：...

【技术特征摘要】
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；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，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，wβ是性能权重系数，取wβ＝0.6；wh是厚度权重系数，取wh＝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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彪，王铁军，范学领，李定骏，江鹏，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61