高温合金的氧化过程模拟方法及装置制造方法及图纸

本公开提供了一种高温合金的氧化过程模拟方法，属于材料数值模拟技术领域。该高温合金的氧化过程模拟方法可以包括如下步骤：基于热力学、经典氧化动力学以及静力学，建立高温合金的氧化力学

【技术实现步骤摘要】
高温合金的氧化过程模拟方法及装置


[0001]本公开涉及材料数值模拟
，尤其涉及一种高温合金的氧化过程模拟方法及装置。

技术介绍

[0002]高温合金是航空发动机的关键材料，常用于制造涡轮叶片。模拟高温合金的氧化过程，对于航空发动机的涡轮叶片材料的优化设计具有重要意义。
[0003]目前，主要通过氧化试验获得高温合金的氧化行为数据，进而分析高温合金的氧化过程。但是对于氧化试验而言，由于在高温环境下高温合金的氧化数据获取极为困难，而高温合金的氧化过程中材料变换包括微观组织演化、氧化层厚度等数据则更加难以获取，进而无法准确和完整地模拟高温合金的氧化过程。
[0004]所述
技术介绍
部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0005]本公开的目的在于提供一种高温合金的氧化过程模拟方法及装置，无需模拟试验，即可完整和准确的模拟高温合金的氧化过程。
[0006]为实现上述专利技术目的，本公开采用如下技术方案：
[0007]根据本公开的第一个方面，提供一种高温合金的氧化过程模拟方法，所述氧化过程模拟方法包括：
[0008]基于热力学、经典氧化动力学以及静力学，建立高温合金的氧化力学
‑
化学的耦合模型；
[0009]根据所述耦合模型，确定高温合金的氧化力学
‑
化学的有限元模型；
[0010]根据所述有限元模型模拟所述高温合金的氧化过程。
[0011]在本公开的一种示例性实施例中，基于热力学、经典氧化动力学以及静力学，建立高温合金的氧化力学
‑
化学的耦合模型包括：
[0012]基于热力学、经典氧化动力学以及静力学，建立第一方程组，所述第一方程组包括位移场的本构方程和浓度场的本构方程；
[0013]所述位移场的本构方程为：
[0014][0015]所述浓度场的本构方程为：
[0016][0017]其中，σ
ij
为应力，D
ijk1
为刚度系数，ε
k1
为应变张量，下标i、j、k、1分别表示自由指
标，下标s为金属离子和氧离子，下标p为氧化物，Δ为梯度算子，η
s
为金属离子和氧离子的化学膨胀系数，c
s
为金属离子和氧离子的浓度，η
p
为氧化物的化学膨胀系数，c
p
为氧化物的浓度，δ
k1
为克罗内克符号，J
s
为金属离子和氧离子的扩散通道，D
s
为金属离子和氧离子的扩散系数，F
s
为常数，tr(ε)为应变的迹，为偏导数，ε为应变，X为位移梯度因子，J为离子扩散通道。
[0018]在本公开的一种示例性实施例中，所述η
s
通过第一预设公式确定，所述第一预设公式为：
[0019][0020]所述F
s
通过第二预设公式确定，所述第二预设公式为：
[0021][0022]其中，v
m
为摩尔体积，为金属离子和氧离子的摩尔体积，E为弹性模量，ν为泊松比，R为玻尔兹曼常数，T为温度。
[0023]在本公开的一种示例性实施例中，根据所述耦合模型，确定高温合金的氧化力学
‑
化学的有限元模型还包括：
[0024]根据所述位移场的本构方程、位移场的控制方程、力的边界条件建立第一基本方程的弱形式；
[0025]根据所述浓度场的本构方程、浓度场的控制方程，浓度场的边界条件建立第二基本方程的弱形式；
[0026]根据所述第一基本方程的弱形式和所述第二基本方程的弱形式确定所述有限元模型。
[0027]在本公开的一种示例性实施例中，所述位移场的控制方程为：
[0028]σ
ij,j
+f
i
＝0；
[0029]所述力的边界条件为：
[0030]σ
ij
n
j
－t
i
＝0；
[0031]所述第一基本方程的弱形式为：
[0032][0033]其中，v为求解的单元体区域，f
i
为体力，s为单元体表面，t
i
为面力，n
j
为单元体表面的外法线，δ为变分符号，d为微分，u为单元节点位移，t为时间。
[0034]在本公开的一种示例性实施例中，所述浓度场的控制方程为：
[0035][0036][0037]所述浓度场的边界条件为：
[0038]q＝
‑
n
·
J；
[0039]所述第二基本方程的弱形式为：
[0040][0041]其中，q为通过表面上的物质通量，R
P
为氧化反应速率，n为表面的外法线。
[0042]在本公开的一种示例性实施例中，根据所述第一基本方程的弱形式和所述第二基本方程的弱形式确定所述有限元模型包括：
[0043]根据所述第一基本方程的弱形式和所述第二基本方程的弱形式，建立第二方程组，所述第二方程组为：
[0044][0045][0046]其中，I
u
为位移变化引起的不平衡力，为金属离子和氧离子的浓度变化引起的不平衡力，N
u
为位移场形函数矩阵，N
c
为浓度场形函数矩阵，B
u
为位移场应变矩阵，B
c
为浓度场应变矩阵，C为浓度，上标T表示对矩阵的转置。
[0047]在本公开的一种示例性实施例中，根据所述第一基本方程的弱形式和所述第二基本方程的弱形式确定所述有限元模型还包括：
[0048]根据所述第二方程组建立有限元模型，所述有限元模型为：
[0049][0050][0051]其中，为金属离子浓度变化所引起的不平衡力，为氧离子浓度变化所引起的不平衡力，为氧化物浓度的变化所引起的不平衡力，Δu为位移增量，Δc
A
为金属离子浓度增量，Δc
O
为氧离子浓度增量，Δc
P
为氧化物浓度增量，Δt为时间增量，C
A
为金属离子浓度，C
O
为氧离子浓度，C
P
为氧化物浓度，K
uu
、、分别为单元刚度矩阵的子矩阵。
[0052]在本公开的一种示例性实施例中，根据所述有限元模型模拟所述高温合金的氧化
过程还包括：
[0053]根据所述有限元模型建立用户自定义单元子程序；
[0054]根据所述用户自定义单元子程序获取分析数据；
[0055]根据所述分析数据以模拟所述高温合金的氧化过程。
[0056]根据本公开的第二个方面，提供一种高温合金的氧化过程模拟装置，应用于上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温合金的氧化过程模拟方法，其特征在于，所述氧化过程模拟方法包括：基于热力学、经典氧化动力学以及静力学，建立高温合金的氧化力学
‑
化学的耦合模型；根据所述耦合模型，确定高温合金的氧化力学
‑
化学的有限元模型；根据所述有限元模型模拟所述高温合金的氧化过程。2.根据权利要求1所述的氧化过程模拟方法，其特征在于，基于热力学、经典氧化动力学以及静力学，建立高温合金的氧化力学
‑
化学的耦合模型包括：基于热力学、经典氧化动力学以及静力学，建立第一方程组，所述第一方程组包括位移场的本构方程和浓度场的本构方程；所述位移场的本构方程为：所述浓度场的本构方程为：其中，σ
ij
为应力，D
ijk1
为刚度系数，ε
k1
为应变张量，下标i、j、k、1分别表示自由指标，下标s为金属离子和氧离子，下标p为氧化物，Δ为梯度算子，η
s
为金属离子和氧离子的化学膨胀系数，c
s
为金属离子和氧离子的浓度，η
p
为氧化物的化学膨胀系数，c
p
为氧化物的浓度，δ
k1
为克罗内克符号，J
s
为金属离子和氧离子的扩散通道，D
s
为金属离子和氧离子的扩散系数，F
s
为常数，tr(ε)为应变的迹，为偏导数，ε为应变，X为位移梯度因子，J为离子扩散通道。3.根据权利要求2所述的氧化过程模拟方法，其特征在于，所述η
s
通过第一预设公式确定，所述第一预设公式为：所述F
s
通过第二预设公式确定，所述第二预设公式为：其中，v
m
为摩尔体积，为金属离子和氧离子的摩尔体积，E为弹性模量，ν为泊松比，R为玻尔兹曼常数，T为温度。4.根据权利要求2所述的氧化过程模拟方法，其特征在于，根据所述耦合模型，确定高温合金的氧化力学
‑
化学的有限元模型还包括：根据所述位移场的本构方程、位移场的控制方程、力的边界条件建立第一基本方程的弱形式；根据所述浓度场的本构方程、浓度场的控制方程，浓度场的边界条件建立第二基本方程的弱形式；
根据所述第一基本方程的弱形式和所述第二基本方程的弱形式确定所述有限元模型。5.根据权利要求4所述的氧化过程模拟方法，其特征在于，所述位移场的控制方程为：σ
ij,j
+f
i
＝0；所述力的边界条件为：σ
ij
n
j
－t
i
＝0；所述第一基本方程的弱形式为：其中，v为求解的单元体区域，f
i

【专利技术属性】
技术研发人员：王心美，李磊，岳珠峰，金鹏，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：