本发明属于航空发动机涡轮叶片热障涂层可靠性分析，具体涉及一种考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法。
背景技术：
1、航空发动机是飞机的心脏，其先进性、安全性、可靠性是体现国家核心竞争力与科技水平的重要标志。高压涡轮叶片是发动机中承温和承载最为苛刻的核心部件，也是制约发动机发展的短板。而热障涂层隔热技术是国际上公认能大幅度提升涡轮叶片服役温度最切实可行的办法。
2、热障涂层(thermal barrier coatings，简称tbcs)是由隔热的陶瓷层、抗氧化且增强结合力的粘结层以及镍基高温合金基体组成。由于各层成分和界面微观结构的复杂性、热力学性能的差异性，再加上涡轮叶片等热端部件形状的复杂、服役环境的恶劣，造成涂层在没有先兆的情况下发生开裂、剥落，最终导致失效。在航空发动机迫切需要应用热障涂层但剥落瓶颈还十分突出的情况下，急需了解服役环境下涂层什么时候、在什么位置、以什么形式剥落，并从机理上找出关键的影响因素与安全的服役条件，指导工艺优化与安全应用。
3、因此，热障涂层服役寿命预测是这一研究领域的迫切需求。
4、国际上对热障涂层服役寿命的研究进展十分缓慢，预测结果与工程实际相差甚远，如busso等定义的损伤变量寿命模型、renusch等基于裂纹声发射信号的寿命模型等，均无法得到工程应用。
5、究其原因有两点：一是这些模型没有考虑微结构、性能、服役环境以及失效形式的分散性，如热膨胀系数、弹性模量、涂层厚度、温度等。二是没有考虑造成涂层剥落的服役环境与损伤演化的热力化耦合本质。热障涂层需承受高温燃气、气膜冷却等热载荷；需承受燃气冲击、离心力等力载荷；还需承受cmas腐蚀、高温氧化等化学反应，这三者是共同的、耦合的。因此，可靠性评价方法是解决航空发动机涡轮叶片热障涂层难以预测其安全性的可行方案。
6、现阶段涡轮叶片可靠性的研究主要集中在静止的导向叶片，并未考虑高速旋转作用。而高速旋转和燃气冲击形成的交互作用是造成工作叶片热障涂层剥落的重要因素。同时，由于多尺度、热力化耦合、多参数、计算量大等难点，传统的可靠性评价方法很难准确预测，导致难以应用到实际涡轮叶片热障涂层上。因此，能综合考虑热力化耦合与分散性本质的高速旋转工作叶片的可靠性评价具有重要的工程意义。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法，该方法能综合考虑热力化耦合与分散性的本质以及高速旋转作用，来提高工作叶片热障涂层可靠性评价的准确性，同时提高计算效率，降低计算成本。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
3、一种考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法，包括以下步骤：
4、步骤一：采用solidworks构建宏观高速旋转涡轮叶片热障涂层几何模型，导入ansys icem划分网格，在ansys workbench模拟得到高速旋转涡轮叶片热障涂层的温度场和应变场，将温度场、应变场随节点数、三个方向的坐标导出为excel文件，然后将温度和应变提取为n×2维数组mi，i代表第i个坐标点；
5、步骤二：通过autocad构建热障涂层微观结构几何模型，导入comsol并划分计算网格；将建立的热障涂层热力化耦合本构方程输入comsol中作为求解控制方程；将热障涂层的材料参数输入comsol中作为求解材料参数；将步骤一第i个坐标点的温度和应变输入comsol中作为求解边界条件；
6、步骤三：根据高速旋转涡轮叶片热障涂层的失效模式建立相应的失效准则；测量高速旋转涡轮叶片热障涂层的服役环境参数、微结构参数、性能参数，利用随机参数统计学分布函数统计出每个参数的均值和标准差，得到每个随机参数的分布类型；
7、步骤四：将步骤三建立的失效准则输入到comsol中定义为变量z_cri，然后在comsol不确定性量化模块中将变量z_cri设置为关注量，阈值设为小于0；将步骤三获得的各随机参数的平均值、标准差和分布类型作为输入量设置到comsol不确定性量化模块中；同时在comsol不确定性量化模块的研究类型中选择可靠性分析；并定义捕捉mises应力的探针，用于捕捉热障涂层微观结构几何模型中的mises应力；
8、步骤五：comsol不确定性量化模块根据步骤四中各输入量的分布类型进行蒙特卡罗拉丁超立方抽样或重要性抽样，将抽到的每组随机参数输入到步骤二的热障涂层微观模型中进行评估(即求解)，并采用自适应高斯过程或自适应稀疏多项式混沌展开对其进行训练得到代理模型；
9、步骤六：使用步骤五的代理模型代替步骤二的原始热障涂层微观模型进行蒙特卡罗模拟，根据各输入量的分布类型进行拉丁超立方抽样或重要性抽样，将抽到的每组随机参数输入到代理模型中计算得到mises应力；步骤四中定义的探针将捕捉到的mises应力反馈到失效准则中判断关注量z_cri是否小于零，若z_cri<0，则失效次数nf自动加1；当抽样的样本总数为n时，则可以得到第i个坐标点的失效概率pf＝nf/n；
10、步骤七：运用python循环语句将步骤一数组mi中每个坐标点的温度和应变作为平均值进行步骤二至步骤六的计算，即可得到所有坐标点的失效概率，然后将失效概率进行可视化获得不同循环次数下高速旋转涡轮叶片热障涂层的失效概率云图，即实现了高速旋转涡轮叶片热障涂层的可靠性评价；
11、步骤八：在comsol不确定性量化模块的研究类型中分别选择moat方法的筛选和sobal指数的灵敏度分析，筛选能够定性得出影响高速旋转涡轮叶片热障涂层的关键影响因素，灵敏度分析还可定量分析出各随机变量对热障涂层可靠性的影响。
12、进一步地，所述步骤一的宏观高速旋转涡轮叶片热障涂层几何模型包括流体域和固体域，流体域包括进口域、导向叶片域、高速旋转工作叶片域和出口域；固体域包括涡轮盘、导向叶片、工作叶片以及工作叶片上的热障涂层；
13、流体域用于模拟流体的运动；固体域置于流体域中，用于模拟流场对固体的作用；
14、在ansys workbench模拟时设置材料参数和边界条件，材料参数包括热障涂层和基体的密度、杨氏模量、泊松比和热膨胀系数；边界条件是真实发动机服役环境下的燃气和冷气的进口温度和压力、出口静压，并设置工作叶片的高速旋转；
15、所述步骤一模拟得到的宏观涡轮叶片热障涂层应变场是热应变、离心力和燃气冲击力造成的总应变。
16、进一步地，所述步骤二的微观结构几何模型包括粘结层、氧化层和陶瓷层以及界面粗糙度；所述热力化耦合本构方程根据失效机制的不同而不同，失效机制包括热失配、氧化物生长、蠕变、腐蚀中的一种或多种；
17、热力化耦合考虑热失配、氧化物生长、蠕变三种失效机制，其热力化耦合本构方程如下：
18、
19、
20、ε＝εe+εox+εth+εcr (3)
21、σ＝λtr(ε-εcr)i+2g(ε-εcr)-3kαδti-3kβni (4)
22、
23、
24、
25、式中σ是对称的cauchy应力张量，f是每单位体积的体力，ε是总应变，u是位移，εe是弹性应变，εox是生长应变，εth是热应变，εcr是蠕变应变，λ表示lame常数，g表示材料剪切模量，k表示材料体积模量，α是热膨胀系数，t表示温度，β是tgo生长应变系数，n表示氧化物的体积分数，为蠕变应变速率，a为蠕变率系数，σ为应力，b为蠕变指数，c表示氧气的浓度，t表示时间，d是氧扩散系数，m是氧的摩尔浓度，ζ是指定反应速率的比例常数，在热力化耦合本构方程中，式(6)和(7)考虑了界面氧化，式(5)考虑了蠕变，式(4)将热失配、氧化物生长、蠕变耦合起来；
26、在comsol模拟时设置的材料参数包括粘结层、氧化层和陶瓷层的密度、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、比热容和热导率；
27、微观结构几何模型、热力化耦合本构方程均需要输入到comsol软件中实现；
28、将所述步骤一中的宏观局部总应变应用到所述步骤二的热障涂层微观模型的边界条件中，以此保证宏观与微观变形的一致性，其作用是将涡轮叶片三维复杂几何结构、热应变、离心力和燃气冲击力对局部热障涂层的内部应力考虑上。
29、进一步地，所述步骤三的失效模式在燃气热冲击服役环境下是热力化耦合、氧化物的生长，并辅以热循环疲劳；在热冲蚀服役环境下冲蚀失效、热力化耦合占主导；
30、在燃气热冲击下高速旋转涡轮叶片热障涂层的失效由热力化耦合、氧化物的生长、并辅以热循环疲劳造成，则tbcs的损伤表达式为：
31、
32、式中dtbc是tbcs的损伤因子，是与时间相关的疲劳强度系数，δσtbc是单个循环tbcs中热力化耦合的mises应力，δ是每个循环的氧化物生长厚度，δ*是tgo的临界厚度，b和c是拟合材料参数；
33、假设疲劳强度系数随时间退化，并随曲率半径减小，则：
34、
35、式中和a1是经验常数，h是tbcs的厚度，ρ是叶片表面的曲率半径，t0是参考时间，t是服役时间，n是时间指数；
36、假设tgo的氧化遵循抛物线规律，则每个循环氧化物生长的厚度δ：
37、
38、式中k0是拟合系数，qox是与氧扩散相关的活化能，r是气体常数，t是温度，m是氧化指数；
39、根据式(9)和式(10)，tbcs损伤因子dtbc可以表示为：
40、
41、根据miner线性规律可以计算出叶片上tbcs每点的累积损伤，如下方程所示：
42、
43、式中d是tbcs的累积损伤，dtbc,n是第n个周期的tbcs损伤，nf是失效循环次数；
44、当累积损伤d达到1时，热障涂层将发生失效，因此燃气热冲击下高速旋转tbcs力热化耦合的失效准则z可以写为：
45、
46、当z>0表示热障涂层处于安全状态，而z<0表示热障涂层处于失效状态，当z＝0时，热障涂层处于失效临界状态。
47、所述步骤三的服役环境参数有：温度、曲率半径；
48、微结构参数有：界面粗糙度，各层的厚度；
49、性能参数有：杨氏模量、热膨胀系数、泊松比；
50、分布类型包括：威布尔分布、正态分布、贝塔分布。
51、进一步地，所述步骤四的comsol不确定性量化模块集成了可靠性分析与计算、筛选、灵敏度分析、不确定性传播。
52、进一步地，所述步骤五的蒙特卡罗抽样方法包括拉丁超立方抽样、重要性抽样；所述代理模型包括自适应高斯过程、自适应稀疏多项式混沌展开，通过运用代理模型，提高了计算效率，减少了计算成本。
53、进一步地，所述步骤六的捕捉mises应力的探针是微观结构界面域探针的平均值。
54、进一步地，所述步骤七通过可视化软件将所有计算得到的失效概率映射到涡轮叶片热障涂层的计算网格上，即可得到不同循环次数下的可靠性云图。
55、进一步地，所述步骤八中moat(morris one-at-a-time)方法的筛选首先计算每个输入参数的moat平均值和标准差，其次对moat平均值和标准差进行排序，最后将它们显示在moat散点图中，较高的平均值表示该参数对关注量有显著影响，而较高的标准差则表示该参数的影响是复杂的，可能与其他参数有很强的相互作用，或者具有非线性影响，甚至可能同时具备这两个因素；
56、所述sobal指数的灵敏度分析将关注量的方差分解为输入参数及其相互作用的贡献之和，一阶sobol指数显示由各个输入参数的方差产生的关注量的方差，而总sobol指数则显示由每个输入参数的方差及其与其他输入参数的相互作用而产生的关注量的方差；其次将计算得到的两种sobol指数按照总sobol指数进行排序，并以直方图的形式进行显示，关注量对总sobol指数最高的输入参数最为敏感，通过比较输入参数的总sobol指数和一阶sobol指数之间的差异，可以衡量该输入与其他输入之间相互作用的影响程度。
57、本发明的有益效果：
58、本发明提出的考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法，综合考虑了涡轮叶片热障涂层失效的热力化耦合与分散性本质以及高速旋转作用，具体来说，步骤一的宏观模型中考虑了高速旋转作用；步骤二的微观模型中考虑了热力化耦合；步骤三和四采用可靠性评价方法考虑了分散性；步骤五和六采用了代理模型，提升了计算效率；步骤七得到了热障涂层的服役寿命及失效位置；步骤八采用两种分析方法准确直观地显示了热障涂层的关键影响因素。
59、因此，该方法提高了热障涂层可靠性评价的准确性，克服了多尺度、热力化耦合、多参数、计算量大等难点以及准确预测的难题，可以应用于真实工况下高速旋转涡轮叶片热障涂层的可靠性评价，为航空发动机涡轮叶片热障涂层工程应用提供了安全保障。
1.一种考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法，其特征在于，所述步骤一的宏观高速旋转涡轮叶片热障涂层几何模型包括流体域和固体域，流体域包括进口域、导向叶片域、高速旋转工作叶片域和出口域；固体域包括涡轮盘、导向叶片、工作叶片以及工作叶片上的热障涂层；
3.根据权利要求2所述的一种考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法，其特征在于，所述步骤二的微观结构几何模型包括粘结层、氧化层和陶瓷层以及界面粗糙度；所述热力化耦合本构方程根据失效机制的不同而不同，失效机制包括热失配、氧化物生长、蠕变、腐蚀中的一种或多种；
4.根据权利要求3所述的一种考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法，其特征在于，热力化耦合考虑热失配、氧化物生长、蠕变三种失效机制，其热力化耦合本构方程如下：
5.根据权利要求1所述的一种考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法，其特征在于，所述步骤三的失效模式在燃气热冲击服役环境下是热力化耦合、氧化物的生长，并辅以热循环疲劳；在热冲蚀服役环境下冲蚀失效、热力化耦合占主导。
6.根据权利要求5所述的一种考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法，其特征在于，在燃气热冲击下高速旋转涡轮叶片热障涂层的失效由热力化耦合、氧化物的生长、并辅以热循环疲劳造成，则tbcs的损伤表达式为：
7.根据权利要求5所述的一种考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法，其特征在于，所述步骤三的服役环境参数有：温度、曲率半径；
8.根据权利要求1所述的一种考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法，其特征在于，所述步骤四的comsol不确定性量化模块集成了可靠性分析与计算、筛选、灵敏度分析、不确定性传播；所述步骤五的蒙特卡罗抽样方法包括拉丁超立方抽样、重要性抽样；所述代理模型包括自适应高斯过程、自适应稀疏多项式混沌展开。
9.根据权利要求8所述的一种考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法，其特征在于，所述步骤六的捕捉mises应力的探针是微观结构界面域探针的平均值；所述步骤七通过可视化软件将所有计算得到的失效概率映射到涡轮叶片热障涂层的计算网格上，即可得到不同循环次数下的可靠性云图。
10.根据权利要求1所述的一种考虑热力化耦合的高速旋转热障涂层可靠性评价方法，其特征在于，所述步骤八中moat方法的筛选首先计算每个输入参数的moat平均值和标准差，其次对moat平均值和标准差进行排序，最后将它们显示在moat散点图中；
