一种基于JC算法的热障涂层界面氧化失效可靠性评估方法技术

一种基于JC算法的热障涂层界面氧化失效可靠性评估方法，属于热障涂层材料的可靠性分析技术领域。建立热障涂层的失效准则确立其极限状态方程，分析状态方程中各参量的随机统计特性；设定各参量的初始验算点，将功能函数在验算点进行一阶泰勒展开，迭代计算出最优验算点，输出该失效模式的一阶失效概率；当功能函数非线性程度较高时，将功能函数在验算点处进行二阶泰勒展开，计算二阶失效概率；拟合失效概率和各参量的二次函数，计算各参量的敏感性因子。本发明专利技术借鉴工程可靠性分析的JC算法，能够简单、快速、定量地评估热障涂层的可靠性，还可根据敏感性因子来分析各参量对热障涂层失效的影响程度，对热障涂层的可靠性评估具有重大意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于JC算法的热障涂层界面氧化失效可靠性评估方法
本专利技术涉及一种基于JC算法的热障涂层界面氧化失效可靠性评估方法，属于热障涂层材料的可靠性分析

技术介绍
随着推重比的提高，航空发动机的燃气进口温度不断提高，到第四代战斗机时，燃气进口温度已经达到了1700℃。进口温度的大幅提升无疑对发动机热端部件高温合金材料提出了更高的要求。目前先进单晶镍基高温合金的使用极限温度为1150°C，显然单独使用高温合金材料已不能满足先进航空发动机的需求。基于此，1953年美国NASA提出了热障涂层(thermalbarriercoatings,TBCs)的概念，即将耐高温、高隔热的陶瓷材料涂覆在合金基体表面，以降低合金表面温度从而提高发动机的热效率。这一概念提出以后，立即引起了世界各国国防部门、高校和研究机构的高度关注，在美国、欧洲以及我国的航空发动机推进计划中，均把TBCs技术列为高性能航空发动机的关键技术之一。而且认为，采用TBCs技术是目前大幅度提高航空发动机工作温度最切实可行的方法。TBCs体系一般由隔热防护的陶瓷层(TBC)，承受机械载荷的基底层、增强陶瓷与基底粘结力的中间过渡层(BC)以及在制备和服役过程中形成的热生长氧化层(TGO)组成，各层之间的界面结构非常复杂，而且TBCs的几何形状、微观结构和服役环境都极其复杂，使得涂层在无法预知的情况下发生开裂、剥落而失效。为了保证TBCs在航空发动机上的安全应用，必须对涂层发生开裂、剥落失效的时间即服役寿命进行准确的预测。为此，人们对TBCs的寿命预测进行了一系列探索，Busso等人认为TBCs的疲劳损伤主要受系统内离面应力的影响，通过有限元计算可以获得界面波峰附近的最大残余应力后，借鉴Chaboche的连续损伤力学模型，在热循环初始阶段，定义损伤变量D=0，当TBCs失效后定义损伤变量D=1，获得基于连续损伤力学的寿命预测模型。许多研究人员从关注特定参量的变化入手展开展TBCs寿命预测工作，如监测声发射能量累计、裂纹扩展长度、损伤面积等。He等人提出了一个基于断裂理论的TBCs寿命预测模型，认为当能量释放率达到断裂韧性时，就会在涂层的拉伸区域产生裂纹。也有许多研究人员认为界面氧化是导致TBCs失效的重要因素并以此为基础评估TBCs的服役寿命，如Miller就以陶瓷层内的应变积累以及氧化层厚度为关键参数建立了TBCs服役寿命的预测模型。这些研究主要从界面氧化、连续损伤累计或者关注某一特定损伤参量的演化情况来对TBCs的服役寿命进行预测，各种模型中所考虑的损伤参量是单一的，不能全面反映出TBCs多样、复杂的失效模式，也没有考虑TBCs实际服役环境的复杂性与不确定性。因此，各种寿命预测模型的适用范围是非常有限的。更重要的是，由于构成TBCs体系的各个涂层、界面是各向异性的，其物理、力学性能参数如弹性模量、界面结合强度、涂层断裂强度，服役环境参数如热、力载荷，几何形状参数如孔隙率、曲率半径等等决定其服役寿命的参数值都不是确定的值。因此，TBCs的服役寿命也不是一个确定的值，试图用单一损伤参数的演化来预测出一个确定的服役寿命必然会与实际情况存在很大的误差。如果我们能找出决定TBCs服役寿命的主要失效模式，建立其失效准则，并分析出影响这一失效模式的各个参量的随机分布规律，借鉴工程上可靠性分析方法中的当量正态化法(被国际安全度联合委员会(JCSS)推荐采用，又称为JC法)，将TBCs服役寿命中各种非正态分布的随机参量当量化为正态分布的随机参量，找出对应于这一失效准则的功能函数，将功能函数在随机参量的设计验算点处用泰勒级数展开分析TBCs发生失效的概率，对其可靠性进行评估；同时还可以计算各个随机参量发生变化时TBCs失效概率变化的程度，分析各参量对TBCs服役寿命的敏感性大小，确定TBCs服役寿命的关键性能参数，不仅为TBCs的安全服役提供可信的参考，同时为TBCs的优化设计提供直接的依据。目前还没有这方面的研究进展报道。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种基于JC算法的热障涂层界面氧化失效可靠性评估方法，本专利技术可以实现定量评估热障涂层材料的可靠性和影响参数的敏感性因子。如图1所示，一种基于JC算法的热障涂层界面氧化失效可靠性评估方法，包括以下几个步骤：步骤一：分析热障涂层的主要失效模式，建立失效准则；热障涂层工作环境极其的恶劣，承受着极其复杂的热、力、化学及三者耦合的载荷以及燃烧室内小颗粒物体的冲击作用，导致TBCs发生一系列的失效形式，如疲劳、蠕变、相变、高温氧化、高温腐蚀、冲蚀、烧结等等。如图3所示为TBCs的两种主要制备方式(APS和EB-PVD)的失效机理示意图，失效位置主要发生在TGO层/TBC层或TGO层/BC层的界面和陶瓷层内部；失效准则有：应力-强度准则、能量准则和特定参量(如裂纹扩展长度、TGO厚度)达到某一临界值；所谓应力-强度准则是从力的观点来定义的失效准则，当外界施加的应力大于涂层的临界应力或者说极限强度时就会发生失效。而能量准则是从能量的观点来定义的失效准则，当外界施加的能量大于涂层的临界能量释放率时就会发生失效。当特定参量达到其临界值时涂层失效。步骤二：根据失效准则建立极限状态方程：Z＝gX(X1,X2,...,Xn)＝0(1)其中，Z＝gX(X1,X2,...,Xn)为功能函数，Xi(i＝1,2,...,n)为影响热障涂层失效的参量，Z>0为安全域，Z<0为失效域，Z=0为极限状态；步骤三：确定各参量Xi(i＝1,2,...n)的随机统计特性，包括其分布函数类型，平均值和标准差；其中，分布函数类型近似为正态分布、威布尔分布，是因为生产与科学实验中很多随机变量的概率分布都可以近似地用正态分布来描述，威布尔分布是根据最弱环节模型或串联模型得到的，能充分反映材料缺陷和应力集中源对材料疲劳寿命的影响，而且具有递增的失效率，将它作为材料的寿命分布模型或给定寿命下的疲劳强度模型是合适的；平均值和标准差可以由多个实验数据或经验数据获得；步骤四：假定各参量Xi(i＝1,2,...,n)的设计验算点p*的初始值为一般可取其平均值：其中，为各参量Xi(i＝1,2,…,n)的平均值；步骤五：对非正态分布参量Xi(i＝1,2,…,n)，需要进行当量正态化处理，并用当量正态化Xi'的平均值和标准差替换对应Xi的平均值和标准差：其中，为非正态分布参量Xi(i=1,2,…n)的分布函数，为其逆函数，为非正态分布参量Xi(i=1,2,…n)的概率密度函数，当量正态化条件：在设计验算点处，当量正态分布的随机参量xi'和xi的分布函数值和概率密度函数值分别相等，即...

【技术保护点】
一种基于JC算法的热障涂层界面氧化失效可靠性评估方法，其特征在于，该方法步骤如下：步骤一：根据热障涂层的主要失效模式，建立失效准则；步骤二：根据失效准则建立极限状态方程：Z＝gX(X1,X2,…,Xn)＝0????(1)其中，Z＝gX(X1,X2,…,Xn)为功能函数，Xi(i＝1,2,…,n)为影响热障涂层失效的参量；步骤三：确定各参量Xi(i＝1,2,...n)的随机统计特性，包括其分布函数类型，平均值和标准差；步骤四：假设各参量Xi(i＝1,2,…,n)的设计验算点p*的初始值为x*=x1*x2*...xn*T,一般可取其平均值：x*=μ1*μ2*...μn*T---(2)其中，为各参量Xi(i＝1,2,…,n)的平均值；步骤五：对非正态分布参量Xi(i＝1,2,…,n)，需要进行当量正态化处理，并用当量正态化Xi“的平均值和标准差替换对应Xi的平均值和标准差：μXi′=xi*-Φ-1[FXi(xi*)]σXi′---(3)其中，为非正态分布参量Xi(i=1,2,…n)的分布函数，为其逆函数，为非正态分布参量Xi(i=1,2,…n)的概率密度函数；步骤六：求出各参量Xi(i＝1,2,…,n)的灵敏度系数cosθxi：cosθXi=-∂gX(x*)∂Xiσxi′Σi=1n[∂gX(x*)∂Xiσxi′]2---(5)其中，为功能函数Z＝gX(X1,X2,…,Xn)在验算点x*处对Xi的一阶偏导数，为当量正态分布参量Xi“的标准差；步骤七：将功能函数Z＝gX(X1,X2,…,Xn)在验算点x*处进行一阶泰勒级数展开并取至一次项，求出可靠指标β：β=μzLσzL=gX(x1*,x2*,...,xn*)+Σi=1n∂gX(x*)∂Xi(μXi′-xi*)Σi=1n[∂gX(x*)∂Xiσxi′]2---(6)其中，可靠指标β表示在标准正态空间中，原点到极限状态曲线的最短距离，为功能函数在验算点x*处的一阶泰勒展开式的平均值，为其标准差；步骤八：由上述β和cosθxi可得到新的验算点x*，其坐标为：xi*=μXi+βσXicosθ.---(7)其中，为参量Xi的平均值，β为可靠指标，为参量Xi的标准差，为参量Xi的灵敏度系数；步骤九：以新的重复步骤四～步骤八，直至前后两次的||x*||＜ε，ε为设置的允许误差精度，则热障涂层的一阶失效概率：pf＝Φ(?β)????(8)其中，β为可靠指标，Φ(?β)为?β的标准正态分布函数；步骤十：当功能函数的非线性程度较高时，在上述步骤的基础上，计算单位向量αY：αY=αY1αY2...αYnT=-▿gY(y*)||▿gY(y*)||---(9)其中，▽gY(y*)为在标准正态空间变量Y空间下，功能函数Z＝gY(Y1,Y2,...Yn)在验算点y*处的一阶偏导数，变量X空间和标准正态变量Y空间的转化关系为αYi=-∂gY(y*)∂Yi/||▿gY(y*)||(i=1,2,...n),||▿gY(y*)||=Σi=1n(∂gY(y*)∂Yi)2;步骤十一：以αY作为第n列向量用正交规范化处理技术构造一个正交矩阵H；步骤十二：利用式(10)计算矩阵Q：Q=-▿2gY(y*)||▿gY(y*)||---(10)其中，▽2gY(y*)为在标准正态变量Y空间下，功能函数Z=gY(Y1,Y2,…,Yn)在验算点y*处的二阶偏导数，||▿gY(y*)||=Σi=1n(∂gY(y*)∂Yi)2;步骤十三：利用式(11)计算热障涂层的二阶失效概率pfQ：pfQ≈Φ(-β)det[I-β(HTQH)n-1]---(11)其中，Φ(?β)为?β的标准正态分布函数，det[Ι?β(HTQH)n?1]为矩阵[Ι?β(HTQH...

【技术特征摘要】
1.一种基于JC算法的热障涂层界面氧化失效可靠性评估方法，该方法步骤如下：步骤一：根据热障涂层的主要失效模式，建立失效准则；所述失效准则为应力-强度准则、能量准则或特定参量达到某一临界值任意之一；所谓应力-强度准则是从力的观点来定义的失效准则，当外界施加的应力大于涂层的临界应力或者说极限强度时就会发生失效；所述能量准则是从能量的观点来定义的失效准则，当外界施加的能量大于涂层的临界能量释放率时就会发生失效；其特定参量为裂纹扩展长度或TGO厚度；步骤二：根据失效准则建立极限状态方程：Z＝gX(X1,X2,…,Xn)＝0(1)其中，Z＝gX(X1,X2,…,Xn)为功能函数，Xi(i＝1,2,…,n)为影响热障涂层失效的参量；所述功能函数满足Z>0为安全域，Z<0为失效域，Z＝0为极限状态；步骤三：确定各参量Xi(i＝1,2,...n)的随机统计特性，包括其分布函数类型，平均值和标准差；步骤四：假设各参量Xi(i＝1,2,…,n)的设计验算点p*的初始值为一般可取其平均值：其中，为各参量Xi(i＝1,2,…,n)的平均值；其特征在于，还包括：步骤五：对非正态分布参量Xi(i＝1,2,…,n)，需要进行当量正态化处理，并用当量正态化Xi'的平均值和标准差替换对应Xi的平均值和标准差其中，为非正态分布参量Xi(i＝1,2,…n)的分布函数，为其逆函数，为非正态分布参量Xi(i＝1,2,…n)的概率密度函数；步骤六：求出各参量Xi(i＝1,2,…,n)的灵敏度系数cosθxi：其中，为功能函数Z＝gX(X1,X2,…,Xn)在验算点x*处对Xi的一阶偏导数，为当量正态分布参量Xi'的标准差；步骤七：将功能函数Z＝gX(X1,X2,…,Xn)在验算点x*处进行一阶泰勒级数展开并取至一次项，求出可靠指标β：其中，可靠指标β表示在标准正态空间中，原点到极限状态曲线的最...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽，郭进伟，朱旺，周益春，蔡灿英，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：