CN114218841A - 一种热-离心载荷作用下多层薄膜耦合应力仿真计算方法 - Google Patents
一种热-离心载荷作用下多层薄膜耦合应力仿真计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种热‑离心载荷作用下多层薄膜耦合应力仿真计算方法，具体步骤如下：步骤一：建立涡轮叶片基底模型：步骤二：仿真得到热载荷下涡轮叶片表面温度分布：步骤三：仿真得到离心载荷下涡轮叶片表面应变分布：步骤四：理论计算各层薄膜内应力：步骤五：构建叶片基底‑多层薄膜结构模型仿真模型：步骤六：仿真计算多层薄膜结构内应力大小。当涡轮叶片结构较为复杂，叶片‑薄膜传感器模型建模困难时，或薄膜网格尺寸较小，仿真计算效率低时，可根据叶片表面温度场与离心应变场，理论计算出各层薄膜耦合应力值，具有方法简单、准确性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于涡轮叶片的多层薄膜热偶传感器的耦合应力的仿真计算方法，具体适用于多层薄膜结构在涡轮叶片工况下热载荷与离心载荷作用下的耦合应力仿真计算。
背景技术
发动机涡轮叶片表面温度将对发动机的性能和寿命产生重要影响，准确测量其工作状态下的表面的温度至关重要。薄膜热电偶直接沉积在涡轮叶片表面并进行实时温度测量，其厚度在微纳米量级。典型的薄膜热偶传感器由多层膜构成，按功能从内到外划分为过渡层、绝缘层、功能层和保护层四部分。在涡轮叶片上适用的薄膜的制备方法为多源离子束共溅，可在大尺寸、大角度曲面合金基底工件制备连续、均匀、致密、粘附力强的薄膜。
涡轮发动机运行时的工作温度可达到1300℃，由于薄膜传感器各层材料热膨胀系数失配，外界温度载荷将在多层薄膜结构中引入较高的热应力。除了热失配产生的热应力外，基底变形还将引入薄膜内的弹性应力。发动机叶片工作时，离心载荷的作用将对叶片产生径向的拉应力作用，进而产生径向拉应变。薄膜本身质量极小，其内部产生的离心应力可忽略不计，但薄膜传感器直接镀于叶片上，叶片表面的应变将直接传到薄膜之上，在薄膜内部产生应力作用。由于各层薄膜材料弹性模量不同，基底表面应变也将在膜层结构中产生应力失配作用。
薄膜内应力引起结构发生翘曲、剥离、龟裂等失效模式，开裂后敏感材料有可能发生氧化、断裂，进而使薄膜传感器失效。
发明内容
本发明的目的是提出了一种适用于涡轮叶片多层薄膜热偶传感器在热载荷与离心载荷作用下，由于各层材料的热膨胀系数与弹性模量失配而产生的内应力的理论计算与仿真计算方法。具体涉及到通过仿真获得的涡轮叶片表面温度场与离心应变场，理论计算镀于叶片表面的多层薄膜传感器各层薄膜的耦合应力大小。并提出了叶片基底-薄膜传感器模型的耦合应力仿真方法。
本发明由以下步骤实现：
步骤一：建立涡轮叶片基底模型：
S11、获得涡轮叶片材料参数：通过文献调研查询材料性能参数表或者采用脉冲激振法、声频共振法、静态法等方法进行测量得到涡轮叶片的弹性模量Ef，泊松比vf，热膨胀系数αf，密度Gf；
S12、利用ANSYS软件创建涡轮叶片结构模型，建立的模型如图1a和图1b所示。完成几何建模并定义材料参数，具体需定义的参数类型为S11中获取的弹性模量Ef，泊松比vf，热膨胀系数αf，密度Gf，对模型进行网格划分，采用“Element Size”划分类型，Element Size参数设定为5e-3，划分后的结果如图2。
S13、施加位移约束条件，将榫头施加轴向与周向位移约束；轮盘圆柱面内侧施加圆柱约束，如图3。
步骤二：仿真得到热载荷下涡轮叶片表面温度分布：
选取测量点，测量得到涡轮叶片工况下不同位置的表面温度值；对叶片模型对应的测量点位置施加温度值，通过ANSYS中的求解器求解获得模型表面温度场T，如图4a和图4b所示。
步骤三：仿真得到离心载荷下涡轮叶片表面应变分布：
通过查询涡轮叶片发动机工况，得到涡轮叶片工作时的转速(6000rad/s)；对轮盘圆柱面施加转速，利用ANSYS workbench的求解器仿真求解涡轮叶片表面离心应变场ε，如图5a和图5b所示。
步骤四：理论计算各层薄膜内应力：
S41、获得基底及薄膜各层材料参数：通过S11中的方式测量或查表，获得各层薄膜材料的弹性模量，泊松比，热膨胀系数，密度，具体如下表；
S42、根据步骤二获得的表面温度场T与步骤三获得的表面离心应变场ε，代入下式获得各层薄膜内应力σx,i。
式中，Ei为第i层材料的弹性模量，αs为基底的热膨胀系数，αi为第i层材料的热膨胀系数，vi为第i层材料的泊松比。Tx为位置x处叶片表面温度，T0为叶片即传感器初始温度，一般取室温，εx为位置x处叶片表面应变。
步骤五：构建叶片基底-多层薄膜结构模型仿真模型：
S51、利用ANSYS软件创建叶片基底-多层薄膜结构模型，涡轮叶片主要结构由叶身、缘板与榫头组成，内部包含冷却孔与冷却腔结构。薄膜传感器镀于叶身之上，由叶根延伸到叶尖。对涡轮叶片模型进行简化建模，将缘板与榫头简化为底部为圆柱面的块体，记为叶片底部；将叶身简化为长方体板。
薄膜传感器为基底-过渡层-绝缘层-功能层-保护层的结构，底部过渡层为1um的NiCrAlY和2um的Al2O3薄膜，绝缘层为2um的Ta2O5和2um的SiO2薄膜，功能层采用0.5um的NiCr/NiSi薄膜，保护层采用4um的SiO2薄膜。
在简化叶片模型中，涡轮叶片叶身简化为尺寸为10cm*2cm的长方体结构，厚度为1cm，薄膜传感器尺寸为8cm*1cm；自基底从下往上各层薄膜的厚度和参数具体见S41中表，完成几何建模并定义表中材料参数。对模型进行网格划分，并对薄膜部分网格进行细化，对6层薄膜部分采用“Element Size”划分类型，Element Size参数设定为5e-4，建模及网格划分结果如图6所示；设置基底与薄膜之间、基底与薄膜之间为绑定接触。
薄膜传感器结构示意图如图7。
S52、施加位移约束条件，对简化叶片底面施加全约束(即完全固定)；对叶片底部侧面施加轴向与周向位移约束；对底部圆柱面内侧施加圆柱约束。
步骤六：仿真计算多层薄膜结构内应力大小：
S61、根据叶片表面温度场，对薄膜-基底模型关键点施加温度值，通过ANSYSworkbench的求解器求解获得模型温度场，如图8。
S62、对底部圆柱面施加转速为6000rad/s，利用ANSYS workbench的求解器仿真得到温度载荷与离心载荷耦合作用下的各层薄膜内应力σx,i，如图9。
本发明所述的应用于涡轮叶片的多层薄膜热偶传感器的热-离心耦合应力的理论计算方法，首先采用ANSYS软件，建立涡轮叶片结构的有限元模型，通过仿真分析得到其表面的温度场与离心应变场；基于叶片表面温度场与离心应变场，利用理论公式计算得到各层薄膜的热-离心耦合应力值。当涡轮叶片结构较为复杂，叶片-薄膜传感器模型建模困难时，或薄膜网格尺寸较小，仿真计算效率低时，可根据叶片表面温度场与离心应变场，理论计算出各层薄膜耦合应力值，具有方法简单、准确性高的优点。
本发明还给出了多层薄膜热偶传感器的热-离心耦合应力的仿真计算方法，利用ANSYS软件，建立叶片基底-多层薄膜结构的有限元模型，通过仿真分析得到其耦合应力值，可与理论结果相互验证。
附图说明
图1a为涡轮叶片有限元模型的吸力面。
图1b为涡轮叶片有限元模型的压力面。
图2为涡轮叶片模型网格划分结果。
图3为涡轮叶片约束条件及榫头和轮盘圆柱面的示意图。
图4a为涡轮叶片压力面温度场分布云图。
图4b为涡轮叶片吸力面温度场分布云图。
图5a为涡轮叶片压力面离心载荷应变分布云图。
图5b为涡轮叶片吸力面离心载荷应变分布云图。
图6为简化的叶片-基底仿真模型及网格划分结果。
图7为薄膜传感器结构示意图。
图8为简化模型的温度场分布。
图9a为基底-薄膜模型耦合应力分布(宏观)。
图9b为基底-薄膜模型耦合应力分布(纵向截面)。
图10为本发明方法流程图。
图11a为是NiCr层耦合应力分布。
图11b为是SiO2层耦合应力分布。
具体实施方式
本发明所述方法流程图见图10所示。本发明是一种结合理论计算与ANSYS仿真计算法的薄膜内应力计算方法，其步骤如下：
步骤一：建立涡轮叶片基底模型：
S11、获得涡轮叶片材料参数：通过测量或查表，获得涡轮叶片弹性模量Ef，泊松比vf，热膨胀系数αf，密度Gf；
S12、利用ANSYS软件创建涡轮叶片结构模型，如图1a和图1b所示，完成几何建模并定义材料参数，对模型进行网格划分，如图2所示。
S13、施加位移约束条件，将榫头施加轴向与周向位移约束；轮盘圆柱面内侧施加圆柱约束，如图3。
步骤二：仿真得到热载荷下涡轮叶片表面温度分布：
选取测量点，测量得到涡轮叶片工况下不同位置的表面温度值；对叶片模型对应的测量点位置施加温度值，求解获得模型表面温度场T。如图4a和图4b所示。
步骤三：仿真得到离心载荷下涡轮叶片表面应变分布：
得到涡轮叶片工作时的转速ω、旋转半径R与旋转方向；对轮盘圆柱面施加转速，仿真求解涡轮叶片表面离心应变场ε，如图5a和图5b所示。
步骤四：理论计算各层薄膜内应力：
S41、获得基底及薄膜各层材料参数：通过测量或查表，获得各层薄膜材料的弹性模量Ei，泊松比vi，热膨胀系数αi，密度Gi；
S42、根据步骤二获得的表面温度场T与步骤三获得的表面离心应变场ε，代入下式获得各层薄膜内应力σx,i。
式中，Ei为第i层材料的弹性模量，αi为第i层材料的热膨胀系数，vi为第i层材料的泊松比。Tx为位置x处叶片表面温度，T0为叶片即传感器初始温度，一般取室温，εx为位置x处叶片表面应变。
步骤五：构建叶片基底-多层薄膜结构模型仿真模型：
S51、利用ANSYS软件创建叶片基底-多层薄膜结构模型，完成几何建模并定义材料参数；对模型进行网格划分，并对薄膜部分网格进行细化，如图6所示；设置基底与薄膜之间、薄膜与薄膜之间为绑定接触。
S52、施加位移约束条件，将基底底面施加全约束；将基底底部侧面施加轴向与周向位移约束；底部圆柱面内侧施加圆柱约束。
步骤六：仿真计算多层薄膜结构内应力大小：
S61、根据叶片表面温度场，对薄膜-基底模型关键点施加温度值，求解获得模型温度场，如图7所示。
S62、对底部圆柱面施加转速，仿真得到温度载荷与离心载荷耦合作用下的各层薄膜内应力σx,i。如图8所示。
实施案例
本发明以某应用于燃气轮机涡轮叶片的多层薄膜热偶传感器案例，验证所述的热-离心载荷作用下多层薄膜内应力仿真计算方法。
步骤一：建立涡轮叶片基底模型：
S11、获得涡轮叶片材料参数：叶片材质为MAR247合金，通过查表，获得涡轮叶片在工作温度下的弹性模量Ef，泊松比vf，热膨胀系数αf，密度Gf；
| 杨氏模量/GPa | 144 |
| 泊松比 | 0.27 |
| 热膨胀系数 | 1.49*10<sup>-5</sup> |
| 密度/kg/m3 | 8540 |
S12、利用ANSYS软件创建涡轮叶片结构模型，完成几何建模并定义材料参数，对模型进行网格划分。
S13、施加位移约束条件，将榫头施加轴向与周向位移约束；轮盘圆柱面内侧施加圆柱约束。
步骤二：仿真得到热载荷下涡轮叶片表面温度分布：
S21、选取测量点，测量得到涡轮叶片工况下不同位置的表面温度值；
S22、对测量点位置施加温度值，求解获得叶身表面温度场。如图4a和图4b所示。
步骤三：仿真得到离心载荷下涡轮叶片表面应变分布：
对轮盘圆柱面施加转速1400rad/s，仿真求解叶身表面离心应变场ε。如图5a和图5b所示。
步骤四：理论计算各层薄膜内应力：
S41、获得基底及薄膜各层材料参数：通过测量或查表，获得各层薄膜材料的弹性模量，泊松比，热膨胀系数，密度；
S42、根据步骤二获得的表面温度场T与步骤三获得的表面离心应变场ε，代入下式获得各层薄膜内应力σx,i。
步骤五：构建多层薄膜传感器仿真模型：
S52、利用ANSYS软件创建薄膜-基底结构模型，完成几何建模并定义材料参数，对模型进行网格划分。在进行基底与薄膜以及各层膜之间的约束关系设置时，应设置基底与薄膜之间、薄膜与薄膜之间为绑定接触。
ANSYS软件提供了6种面接触类型：绑定接触、无分离接触、无摩擦接触、粗糙接触、有摩擦接触、切向阻力滑动接触。其中绑定接触(bonded)完全限制了模型接触部位的法向与切向的相对位移。
本专利针对的薄膜传感器，是通过磁控技术将高速离子溅射在基片上生成，其膜层间的附着方式应是简单附着与扩散附着相结合的形式，考虑薄膜界面缺陷(微孔、裂纹)，则还可能包括少量宏观效应附着效应。在发生失效之前，薄膜与基底、薄膜与薄膜间将不发生相对位移或转动；而薄膜边界侧面，则无约束作用。
因此，在对薄膜进行三维应力分析时，不考虑其接触界面的缺陷与脱层失效问题，对每个相互接触的薄膜表面设置为绑定接触。基底与薄膜结构的模型及网格划分如图6所示。
S53、施加位移约束条件，将基底底面施加全约束；将基底底部侧面施加轴向与周向位移约束；底部圆柱面内侧施加圆柱约束。
步骤六：仿真计算多层薄膜结构内应力大小：
S61、根据叶片表面温度场，对薄膜-基底模型关键点施加温度值，求解获得模型温度场分布。如图8所示。
S62、对底部圆柱面施加转速，仿真得到温度载荷与离心载荷耦合作用下的多层薄膜内应力分布。如图9a和图9b所示。
最后将所述的理论计算得到的内应力与有限元仿真得到的内应力值进行比较，验证所述方法。如图11a和图11b所示。
经验证，本方法通过仿真计算出的结果与理论模型结果非常吻合，可以用于多层薄膜耦合应力仿真计算中。
Claims (9)
1.一种热-离心载荷作用下多层薄膜耦合应力仿真计算方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：建立涡轮叶片基底模型：
S11、获得涡轮叶片材料参数：
S12、利用ANSYS软件创建涡轮叶片结构模型，
S13、施加位移约束条件，将榫头施加轴向与周向位移约束；轮盘圆柱面内侧施加圆柱约束；
步骤二：仿真得到热载荷下涡轮叶片表面温度分布：
选取测量点，测量得到涡轮叶片工况下不同位置的表面温度值；对叶片模型对应的测量点位置施加温度值，通过ANSYS中的求解器求解获得模型表面温度场T；
步骤三：仿真得到离心载荷下涡轮叶片表面应变分布：
通过查询涡轮叶片发动机工况，得到涡轮叶片工作时的转速；对轮盘圆柱面施加转速，利用ANSYS workbench的求解器仿真求解涡轮叶片表面离心应变场ε；
步骤四：理论计算各层薄膜内应力：
S41、获得基底及薄膜各层材料参数：
S42、根据步骤二获得的表面温度场T与步骤三获得的表面离心应变场ε，代入下式获得各层薄膜内应力σx,i；
式中，Ei为第i层材料的弹性模量，αs为基底的热膨胀系数，αi为第i层材料的热膨胀系数，vi为第i层材料的泊松比；Tx为位置x处叶片表面温度，T0为叶片即传感器初始温度，一般取室温，εx为位置x处叶片表面应变；
步骤五：构建叶片基底-多层薄膜结构模型仿真模型：
S51、利用ANSYS软件创建叶片基底-多层薄膜结构模型；
S52、施加位移约束条件，对简化叶片底面施加全约束；对叶片底部侧面施加轴向与周向位移约束；对底部圆柱面内侧施加圆柱约束；
步骤六：仿真计算多层薄膜结构内应力大小：
S61、根据叶片表面温度场，对薄膜-基底模型关键点施加温度值，通过ANSYSworkbench的求解器求解获得模型温度场；
S62、对底部圆柱面施加转速，利用ANSYS workbench的求解器仿真得到温度载荷与离心载荷耦合作用下的各层薄膜内应力σx,i。
2.根据权利要求1所述的一种热-离心载荷作用下多层薄膜耦合应力仿真计算方法，其特征在于：在步骤S11中，通过文献调研查询材料性能参数表或者采用脉冲激振法、声频共振法、静态法进行测量得到涡轮叶片的弹性模量Ef，泊松比vf，热膨胀系数αf，密度Gf。
3.根据权利要求1或2所述的一种热-离心载荷作用下多层薄膜耦合应力仿真计算方法，其特征在于：在步骤S12中，建立模型并定义材料参数，参数类型为S11中获取的弹性模量Ef，泊松比vf，热膨胀系数αf，密度Gf，对模型进行网格划分，采用“Element Size”划分类型，Element Size参数设定为5e-3。
4.根据权利要求1所述的一种热-离心载荷作用下多层薄膜耦合应力仿真计算方法，其特征在于：在步骤三中，叶片工作时的转速6000rad/s。
5.根据权利要求1所述的一种热-离心载荷作用下多层薄膜耦合应力仿真计算方法，其特征在于：在步骤S41中，通过S11中的方式测量或查表，获得各层薄膜材料的弹性模量，泊松比，热膨胀系数，密度，具体如下表；
6.根据权利要求1所述的一种热-离心载荷作用下多层薄膜耦合应力仿真计算方法，其特征在于：在步骤S51中，涡轮叶片结构由叶身、缘板与榫头组成，内部包含冷却孔与冷却腔结构；薄膜传感器镀于叶身之上，由叶根延伸到叶尖；对涡轮叶片模型进行简化建模，将缘板与榫头简化为底部为圆柱面的块体，记为叶片底部；将叶身简化为长方体板。
7.根据权利要求1或6所述的一种热-离心载荷作用下多层薄膜耦合应力仿真计算方法，其特征在于：在步骤S51中，薄膜传感器为基底-过渡层-绝缘层-功能层-保护层的结构，底部过渡层为1um的NiCrAlY和2um的Al2O3薄膜，绝缘层为2um的Ta2O5和2um的SiO2薄膜，功能层采用0.5um的NiCr/NiSi薄膜，保护层采用4um的SiO2薄膜。
8.根据权利要求7所述的一种热-离心载荷作用下多层薄膜耦合应力仿真计算方法，其特征在于：在步骤S51中，在简化叶片模型中，涡轮叶片叶身简化为尺寸为10cm*2cm的长方体结构，厚度为1cm，薄膜传感器尺寸为8cm*1cm；自基底从下往上各层薄膜的厚度和参数具体见S41中表，完成几何建模并定义表中材料参数；对模型进行网格划分，并对薄膜部分网格进行细化，对6层薄膜部分采用“Element Size”划分类型，Element Size参数设定为5e-4；设置基底与薄膜之间、基底与薄膜之间为绑定接触。
9.根据权利要求1所述的一种热-离心载荷作用下多层薄膜耦合应力仿真计算方法，其特征在于：在步骤S62中，对底部圆柱面施加转速为6000rad/s。
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