1.一種渦輪葉片熱障涂層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,其特征在于,包括以下步驟:
步驟1:確定TBCs各層厚度;
TBCs包含陶瓷層、粘結(jié)層及熱生長(zhǎng)氧化層,為陶瓷層、粘結(jié)層及熱生長(zhǎng)氧化層賦予厚度值;
陶瓷層厚度為k×100μm,k為分析次數(shù)的編號(hào),即步驟1至步驟6的重復(fù)次數(shù),k=1,2,…,10;粘接層厚度為100μm~250μm;熱生長(zhǎng)氧化層厚度為1μm~10μm;
步驟2:建立含TBCs渦輪葉片的三維有限元模型;
三維有限元模型由葉片合金基底和均勻厚度的TBCs構(gòu)成,TBCs涂覆于渦輪葉片的葉身外表面和葉根平臺(tái)的上表面;所述均勻厚度TBCs是指涂層覆蓋區(qū)域內(nèi)的陶瓷層厚度均相同,TBCs各層厚度由步驟1給定;
步驟3:對(duì)三維有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分;
步驟4:對(duì)劃分網(wǎng)格后的三維模型進(jìn)行熱-力耦合分析,獲得含TBCs渦輪葉片的整體溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布;
步驟5:選取葉片涂層區(qū)域內(nèi)的代表節(jié)點(diǎn);
代表節(jié)點(diǎn)是指能夠反映各局部區(qū)域的溫度和應(yīng)力狀態(tài)特征的代表性節(jié)點(diǎn),代表節(jié)點(diǎn)位置在不同分析對(duì)應(yīng)的三維有限元模型中一致;
步驟6:提取并記錄所有代表節(jié)點(diǎn)所在位置的厚度方向,陶瓷層的最大應(yīng)力值和溫度差;
步驟7:判斷均勻厚度TBCs模型是否分析完成;
判斷k≤10是否成立,若成立則重復(fù)步驟1至步驟6;否則,按照步驟8進(jìn)行;
步驟8:對(duì)步驟5中選定的任意代表節(jié)點(diǎn)i,i=1,2,…,110,根據(jù)公式(1)分別計(jì)算第k次分析對(duì)應(yīng)的有限元模型中該代表節(jié)點(diǎn)位置的目標(biāo)函數(shù)值:
公式(1)中,是第k次分析中代表節(jié)點(diǎn)i位置處的目標(biāo)函數(shù),是第k次分析中代表節(jié)點(diǎn)i位置處陶瓷層內(nèi)最大應(yīng)力,是第k次分析中代表節(jié)點(diǎn)i位置處陶瓷層內(nèi)的溫度差,是第k次分析中代表節(jié)點(diǎn)i位置處陶瓷層的厚度,wβ是性能權(quán)重系數(shù),取wβ=0.6;wh是厚度權(quán)重系數(shù),取wh=0.4;
步驟9:獲得葉片陶瓷層厚度的理想分布,對(duì)于任意代表節(jié)點(diǎn),求得使其目標(biāo)函數(shù)值最小時(shí)的最佳陶瓷層厚度;
步驟10:根據(jù)步驟9中獲得的葉片陶瓷層厚度理想分布,劃分TBCs厚度分布子區(qū)域,子區(qū)域的陶瓷層厚度與其包含的代表節(jié)點(diǎn)中最佳陶瓷層厚度的最大值相同;
步驟11:計(jì)算葉片TBCs厚度分布的總目標(biāo)函數(shù);根據(jù)步驟10中給出的子區(qū)域陶瓷層厚度分布,并結(jié)合公式(1)計(jì)算得到的目標(biāo)函數(shù)值,按照公式(2)計(jì)算葉片TBCs厚度分布的總目標(biāo)函數(shù)值:
公式(2)中,Gobj是當(dāng)前TBCs厚度分布的總目標(biāo)函數(shù)值,gi是代表節(jié)點(diǎn)i位置處的目標(biāo)函數(shù);
步驟12:確定TBCs厚度分布方案;
重復(fù)步驟10和步驟11,不斷調(diào)整子區(qū)域大小,直至公式(2)計(jì)算獲得的Gobj最小,獲得渦輪葉片TBCs厚度分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片熱障涂層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,其特征在于,步驟4中,所述熱-力耦合分析是通過有限元軟件ABAQUS完成,該過程包括以下步驟:
a.對(duì)所述三維有限元模型中的合金基底和TBCs分別賦予材料屬性;
b.對(duì)所述三維有限元模型中的TBCs外表面施加高溫邊界條件,對(duì)葉片冷卻通道表面施加冷卻溫度邊界條件;
c.利用ABAQUS提供的熱-力耦合分析模塊,對(duì)有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算;
d.計(jì)算完成后,在ABAQUS后處理模塊輸出計(jì)算結(jié)果,獲得含TBCs渦輪葉片的整體溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪葉片熱障涂層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,其特征在于,步驟5中,代表節(jié)點(diǎn)針對(duì)所述三維有限元模型,在ABAQUS后處理模塊中,從葉身吸面選取均勻分布的50個(gè)代表節(jié)點(diǎn),從葉身壓面選取均勻分布的50個(gè)代表節(jié)點(diǎn),從葉根平臺(tái)選取均勻分布的10個(gè)代表節(jié)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片熱障涂層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,其特征在于,步驟6所述厚度方向指葉片表面的法線方向;所述溫度差是指陶瓷層外表面與陶瓷層/熱生長(zhǎng)氧化層界面之間的溫度差值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片熱障涂層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,其特征在于,步驟9中,所述最佳陶瓷層厚度指在此代表節(jié)點(diǎn)區(qū)域涂覆該厚度的陶瓷層時(shí),獲得隔熱性能、應(yīng)力水平和制備成本之間的最佳協(xié)調(diào);根據(jù)所有代表節(jié)點(diǎn)區(qū)域的最佳陶瓷層厚度結(jié)果,獲得葉片陶瓷層厚度的理想分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片熱障涂層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,其特征在于,步驟10中,劃分TBCs厚度分布子區(qū)域,是將葉身壓面分為3個(gè)子區(qū)域,葉身吸面分為3個(gè)子區(qū)域,葉根平臺(tái)分為1個(gè)子區(qū)域;所述葉身壓面和吸面的子區(qū)域沿葉片高度方向劃分,每個(gè)子區(qū)域內(nèi)包含多個(gè)代表節(jié)點(diǎn)。