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喷涂涂层有限元模型构建方式

  由于热障涂层微观结构的复杂性,给实际涂层模型的建立带来了很大的困难。涂层几何模型的准确构建对涂层性能的硏究至关重要些芓者通过建立简化的解析几何模型(如同心圆模型),利用解析法求得涂层性能的解析解。由于涂层结构多样,且在服役过程中涉及的物理、化学和力学现象十分复杂,场方程相互耦合,因此很难根据简化的解析几何模型求得准确的解析解。而在对问题进行过多的简化后,得到的近似解可能误差很大,甚至是错误的。随着计算机硬件、软件技术的飞速发展和对材料物理规律硏究的深入,有限元技术取得了很大的进展。可以通过有限元计算来描述涂层服役过程中温度场、应变场、应力场等,据此研究涂层组织性能的变化,并通过虛拟的涂层服役过程模拟来预测涂层的最终性能。而利用有限元方法硏究涂层性能的重要基础是涂层有限元模型的准确建立。
 

  热障涂层的有限元模型有很多,下面列出比较典型的几种:

  1.无缺陷有限元模型

  较早期的一些学者在建立涂层有限元模型时,忽略涂层中各种缺陷,建立了均质的、各向同性的理想模型。该模型不包含陶瓷层的孔洞、裂纹等缺陷,且基本未考虑界面处的形貌

  2.理想缺陷分布有限元模型

  考虑到热障涂层中各种缺陷对涂层的性能硏究有着极为重要的作用,所以建立带缺陷的有限元模型显得尤为重要。 Nakamura等人和用随机模型生成了带缺陷的涂层有限元模型,如图13所示。该模型简化了缺陷在陶瓷层中的分布,不能真实反映实际涂层显微组织特征,具有一定的局限性。

  3.考虑界面形貌的有限元模型

  涂层在热循环服役环境中,界面处往往是最容易失效的部位,界面处的不规则形貌特征是造成热障涂层失效的重要原因。为研究涂层在服役过程中热生长氧化层( Thermal grown Oxide,简称TGO)的生长与应力变化过程,Bus等人幽和 Rosler等人山4基于界面形貌的统计分析,建立了能反映整个涂层规律的有限元模型。

  4.基于真实显微组织的有限元模型

  为建立与实际涂层显微组织一致的有限元模型,1997年,美国国家标准技术研究所开发了面向对象有限元软件( Object Oriented Finite Element Analysis,简称OOF)。图1-5所示为OOF的操作过程,其基本思路是:

  (1)将涂层显微组织照片转换成关于像素点的文件;

  (2)设置阈值将像素点文件转换成二进制文件

  (3)赋予两相组织不同的物理属性

  (4)利用PM2○°F程序进行网格划分,生成有限元网格模型。根据实际涂层显微组织建立的有限元模型。Fuller等人利用○oF,在涂层热导率、弹性模量等物理属性计算方面取得了一定的成果。