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噴涂涂層有限元模型構建方式

  由于熱障涂層微觀結構的復雜性,給實際涂層模型的建立帶來了很大的困難。涂層幾何模型的準確構建對涂層性能的硏究至關重要些芓者通過建立簡化的解析幾何模型(如同心圓模型),利用解析法求得涂層性能的解析解。由于涂層結構多樣,且在服役過程中涉及的物理、化學和力學現象十分復雜,場方程相互耦合,因此很難根據簡化的解析幾何模型求得準確的解析解。而在對問題進行過多的簡化后,得到的近似解可能誤差很大,甚至是錯誤的。隨著計算機硬件、軟件技術的飛速發展和對材料物理規律硏究的深入,有限元技術取得了很大的進展??梢酝ㄟ^有限元計算來描述涂層服役過程中溫度場、應變場、應力場等,據此研究涂層組織性能的變化,并通過虛擬的涂層服役過程模擬來預測涂層的最終性能。而利用有限元方法硏究涂層性能的重要基礎是涂層有限元模型的準確建立。
 

  熱障涂層的有限元模型有很多,下面列出比較典型的幾種:

  1.無缺陷有限元模型

  較早期的一些學者在建立涂層有限元模型時,忽略涂層中各種缺陷,建立了均質的、各向同性的理想模型。該模型不包含陶瓷層的孔洞、裂紋等缺陷,且基本未考慮界面處的形貌

  2.理想缺陷分布有限元模型

  考慮到熱障涂層中各種缺陷對涂層的性能硏究有著極為重要的作用,所以建立帶缺陷的有限元模型顯得尤為重要。 Nakamura等人和用隨機模型生成了帶缺陷的涂層有限元模型,如圖13所示。該模型簡化了缺陷在陶瓷層中的分布,不能真實反映實際涂層顯微組織特征,具有一定的局限性。

  3.考慮界面形貌的有限元模型

  涂層在熱循環服役環境中,界面處往往是最容易失效的部位,界面處的不規則形貌特征是造成熱障涂層失效的重要原因。為研究涂層在服役過程中熱生長氧化層( Thermal grown Oxide,簡稱TGO)的生長與應力變化過程,Bus等人幽和 Rosler等人山4基于界面形貌的統計分析,建立了能反映整個涂層規律的有限元模型。

  4.基于真實顯微組織的有限元模型

  為建立與實際涂層顯微組織一致的有限元模型,1997年,美國國家標準技術研究所開發了面向對象有限元軟件( Object Oriented Finite Element Analysis,簡稱OOF)。圖1-5所示為OOF的操作過程,其基本思路是:

  (1)將涂層顯微組織照片轉換成關于像素點的文件;

  (2)設置閾值將像素點文件轉換成二進制文件

  (3)賦予兩相組織不同的物理屬性

  (4)利用PM2○°F程序進行網格劃分,生成有限元網格模型。根據實際涂層顯微組織建立的有限元模型。Fuller等人利用○oF,在涂層熱導率、彈性模量等物理屬性計算方面取得了一定的成果。

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