[发明专利]一种带热障涂层的圆管的热疲劳寿命预测方法

摘要

本发明提出一种热障涂层圆管的热疲劳寿命的预测方法，包括步骤一：建立热障涂层热疲劳寿命模型：步骤二：粘接层中铝元素浓度c、陶瓷层的机械应变范围Δε的确定；步骤三：热疲劳寿命的预测；步骤四：对获得的热障涂层热疲劳寿命预测模型进行校核。本发明提出一种热障涂层圆管的热疲劳寿命的预测方法中将热障涂层失效的主要因素引入到了热疲劳寿命模型，对热障涂层疲劳损伤的描述更加全面；且本发明中建立的热疲劳寿命的预测模型能够体现涂层氧化损伤、热疲劳损伤以及二者之间相互耦合的特点。

主权项

1.一种热障涂层圆管的热疲劳寿命的预测方法，其特征在于：包括以下几个步骤：步骤一：建立热障涂层热疲劳寿命模型：(1)确定热障涂层热疲劳寿命的基础模型为：N＝(Δε/Δε_f)^b其中，N为热障涂层热疲劳寿命；Δε为陶瓷层的机械应变范围，Δε_f为静载荷作用下失效时，热障涂层危险点的应变范围，b为模型参数；(2)建立热障涂层热疲劳寿命的模型：定义损伤变量D_氧化＝1-c/c₀，c为氧化一定时间后粘结层中Al元素浓度，c₀为初始无氧化时粘结层中的Al浓度，引入粘结层中铝元素浓度c作为控制参量，得到：Nm=[(ΔϵΔϵf)(cc0)a+(1-cc0)a]b]]>其中，a、b为模型参数，Δε_f为静载荷作用下失效时，热障涂层危险点的应变范围，c为粘接层中铝元素浓度，Δε为危险点机械应变范围；选取Miner线性累积损伤模型，某一次循环造成的损伤为D_m＝1/N_m，多次循环作用下的总损伤为：D=Σm=1kDm=Σm=1k1/Nm]]>得到热障涂层热疲劳寿命预测模型为：D=Σm=1k[(ΔϵΔϵf)(cc0)a+(1-cc0)a]-b]]>其中，N_m为循环寿命，k为循环总次数；步骤二：粘接层中铝元素浓度c、陶瓷层的机械应变范围Δε的确定：(1)粘接层中铝元素浓度的确定：根据扩散的菲克第二定律式：∂c∂t=D(∂2c∂x2)]]>陶瓷层/粘结层界面的扩散方程的初始条件为：c(x,0)=cbc(0,hbc-htgo)0(-∞,0);(hbc-htgo,+∞)]]>c_bc为未氧化时粘结层中铝元素浓度，h_bc为氧化t小时后粘结层厚度，h_tgo为氧化t小时陶瓷层厚度，c(x，t)表示为铝元素的体积浓度c随距离x和氧化时间t变化，c(x，0)表示为初始时刻铝元素的体积浓度c只随距离x而变化；粘结层/基体界面的扩散方程的初始条件为：c(x,0)=csub(x>hbc-htgo)0(x<hbc-htgo)]]>c_sub为t＝0时基体中铝元素浓度；根据扩散的菲克第二定律式和陶瓷层/粘结层界面扩散方程的初始条件，得到：c(x,t)=cbc2erf(x4Dt)+cbc2(hbc-x-htgo4Dt)]]>其中erf(x)=2π∫0xe-t2dt;]]>根据扩散的菲克第二定律式和粘结层/基体界面扩散方程的初始条件，得到：c(x,t)=csub2(erf(x-hbc+htgo4Dt)+1)]]>根据扩散的叠加原理，得到的粘结层中铝元素贫化的数学模型：c(x,t)=csub2+cbc2erf(x4Dt)+(cbc-csub2)erf(hbc-x-htgo4Dt)]]>(2)危险点的机械应变范围Δε的确定：①确定圆管在热疲劳失效危险点位置：对带热障涂层圆管进行有限元分析，确定热疲劳失效危险点位置处于陶瓷层内且靠近氧化层/陶瓷层界面处；②热障涂层热疲劳寿命模型中的危险点的机械应变范围Δε的确定：选取应变范围分量作为热障涂层热疲劳寿命模型中的危险点的机械应变范围Δε，采用轴向和剪切等效应变范围拟合值，其中Δε_a为危险点轴向应变范围，Δγ为剪切应变范围；(3)确定模型参数a、b和静载荷作用下失效时热障涂层危险点的应变范围Δε_f：将带热障涂层圆管进行热疲劳试验，得到热疲劳寿命实验数据，根据步骤一中得到的热障涂层热疲劳寿命预测模型的表达式，采用非线性回归的方法进行拟合，得到模型参数a、b和静载荷作用下失效时热障涂层危险点的应变范围Δε_f；步骤三：热疲劳寿命的预测：(1)设置循环总次数K；(2)进入单次循环，计算氧化层厚度，根据氧化时间与氧化层厚度的规律计算氧化层厚度；(3)利用插值方法，得到危险点的机械应变范围Δε在不同热疲劳循环次数下取值；(4)计算铝浓度，根据氧化时间与铝浓度的关系，通过插值方法得到该次循环粘接层铝浓度；(5)计算单次循环的损伤，将该次循环的应变范围和铝浓度范围代入D_m＝1/N_m，并计算该次循环的损伤，再利用热障涂层热疲劳寿命预测模型计算总的累积D损伤；(6)判断总的累积损伤D是否小于1；若小于1，则进入下一次循环，返回步骤步骤(2)；若总的损伤大于等于1则说明带热障涂层圆管已经发生破坏，输出结果，计算结束；步骤四：对获得的热障涂层热疲劳寿命预测模型进行校核：将试验得到的热障涂层圆管热疲劳寿命结果与利用热障涂层热疲劳寿命预测模型计算得到的疲劳寿命结果进行对比校核。