(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210802298.2 (22)申请日 2022.07.07 (71)申请人 昆明理工大 学 地址 650031 云南省昆明市五华区一 二一 大街文昌路68号 申请人 云南大学 (72)发明人 种晓宇　干梦迪　冯晶　陆天龙　 余威　王应武　 (74)专利代理 机构 重庆德立创新专利代理事务 所(普通合伙) 50299 专利代理师 隋金艳 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 119/04(2020.01)G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于跨尺度集成计算的涂层热应力及 残余应力预测方法 (57)摘要 本发明涉及涂层服役热应力预测技术领域， 具体涉及一种基于跨尺度集成计算的涂层热应 力及残余应力预测方法， 包括利用基于微观尺度 的第一性原理分别计算涂层中各层材料的各项 热物理性质和 力学性质随温度变化的关系， 以及 利用基于宏观尺度的有 限元模拟计算涂层的服 役热应力和残 余应力。 本发明基于微观尺度的第 一性原理获得涂层中各层材料的热物理性质和 力学性质， 作为基于宏观尺度有限元模拟的输入 数据， 模拟涂层体系在真实服役环境下的温度 场， 进而得到相应的应力场和残余应力分布， 解 决单一有 限元建模数据匮乏和定量测试涂层热 应力困难的问题， 快速高效地预测涂层的服役热 应力和残余应力。 权利要求书2页 说明书9页 附图4页 CN 115204012 A 2022.10.18 CN 115204012 A 1.一种基于跨尺度集成计算的涂层热应力及残余应力预测方法， 其特征在于， 包括S1： 分别计算涂层中各层材 料的各项热物理性质和力学性质随温度变化的关系， 具体如下： S101： 获取涂层中各层材料的晶体结构， 针对每种材料的晶体结构， 利用基于微观尺度 的第一性原理分别进 行全优化弛豫至完全收敛， 再进 行变体积后固定体积的弛豫至完全收 敛； S102： 针对涂层中的各层材料， 对不同体积下的晶体结构进行力学性质的计算， 将力学 性质与体积进行多 项式拟合， 得到力学性质与体积的解析式； S103： 针对涂层中的各层材料， 采用准简谐近似QHA方法计算热物理性质随温度的关 系， 得到体积随温度的解析式， 再将体积和温度的解析式代入体积和力学性质的解析式中 得到力学性质随温度的变化关系； S2： 基于宏观尺度的有限元模拟， 模拟计算出涂层的服役热应力和残余应力， 具体如 下： S201： 建立涂层的有限元模型； S202： 对S1中各项热物理性质和力学性质随温度的变化数值分别进行多项式拟合， 得 到解析式， 并将得到的解析式分别输入有限元模拟软件； S203： 对有限元模型进行网格划分得到网络模型， 将网络模型导入至有限元模拟软件 中； S204： 设置服役热应力模拟的初始条件和边界条件， 计算出S201中的有限元模型在此 初始条件下 的温度场， 将温度场施加在稳态工作下 的涂层上， 模拟计算出涂层的服役热应 力； S205： 残余应力模拟初始条件设置为整个涂层处在一个相同的温度场， 此温度场以一 个固定的冷却速率从高温逐渐冷却到室温， 边界条件设置与服役热应力的相同， 当温度稳 定在室温时进行有限元模拟得到残余应力。 2.根据权利要求1所述的基于跨尺度集成计算的涂层热应力及残余应力预测方法， 其 特征在于， S202中： 所述的解析式的形式为y＝a+bx+cx2， 其中a、 b、 c、 为拟合参数， y为相应 的热物理性质或力学性质值， x为温度值。 3.根据权利要求1或2所述的基于跨尺度集成计算的涂层热应力及残余应力预测方法， 其特征在于， S201中： 通过以下 方法建立有限元模型： a.利用SE M获取涂层的微观组织形貌， 保存为数字图像； b.利用photoshop对数字图像调整景深， 去除误差较大的部分； c.利用VE CTOR MAGIC将数字图像转换为矢量图， 圆滑涂层界面； d.将矢量图在AutoCAD中转换为有限元 软件兼容的格式。 4.根据权利要求1或2所述的基于跨尺度集成计算的涂层热应力及残余应力预测方法， 其特征在于， 将涂层的上表面温度设置为第一类边界条件， 即Thot＝aK， 基体下端使用Tcool ＝bK的冷却气体， 其中温度a>温度b； 残余应力模拟的初始条件设置为整个涂层处在一个相 同的温度场， 此温度场以一个固定的冷却速率从高温逐渐冷却到室温， 在室温下模拟得到 残余应力； 服役热应力和残余应力模拟的边界条件均设置为左下角x轴方向和y轴方向均固 定， 右下角仅x轴方向固定 。 5.根据权利要求1或2所述的基于跨尺度集成计算的涂层热应力及残余应力预测方法，权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115204012 A 2其特征在于， 所述的涂层， 包括热障涂层、 抗氧化涂层、 隐身涂层以及任意几种固体异质材 料组成的涂层或者结构。 6.根据权利要求5所述的基于跨尺度集成计算的涂层热应力及残余应力预测方法， 其 特征在于， 所述的涂层为热障涂层， 包括陶瓷隔热层GdTaO4、 氧化层Al2O3、 金属粘结层 NiCoCrAlY和Ni基高温合金。 7.根据权利要求6所述的基于跨尺度集成计算的涂层热应力及残余应力预测方法， 其 特征在于， 陶瓷隔热层GdTaO4的体积模量B与体积的解析式为y＝659.355 ‑1.37x‑9.540*10 ‑4x2； 剪切模量G与体积的解析式为； y＝ ‑640.417+5.5 38x‑0.0105x2。 8.根据权利要求7所述的基于跨尺度集成计算的涂层热应力及残余应力预测方法， 其 特征在于， S103中： 利用QHA方法得到体积与 温度的关系， 再对其进行多项式拟合得到解析 式形式， 陶瓷隔热层GdTaO4体积随温度的变化的解析式为y＝308.6+0.0071x+8.493*10‑ 7x2， 体积模量B随温度的变化 关系为： GdTaO4： y＝145.583 ‑0.0139x‑1.74987*10‑6x2； 剪切模 量G随温度的变化关系为： y＝68.6 31‑0.0064x‑1.74769*10‑6x2。 9.根据权利要求8所述的基于跨尺度集成计算的涂层热应力及残余应力预测方法， 其 特征在于， 服役热应力的模拟计算， S204中： 将热障涂层的上表 面温度设置为第一类边界条 件， 即Thot＝1773K， Ni基高温合金基体下端使用Tcool＝873K的冷却气体， 表面对流传热系数 设置为1900W/m2/K； 边界条件设置为针对有限元模型的左下角x轴方向和y轴方向均固定， 右下角仅x轴方向固定 。 10.根据权利要求9所述的基于跨尺度集成计算的涂层热应力及残余应力预测方法， 其 特征在于， 残余应力的模拟计算， 具体如下： 初始条件设置为整个热障涂层处在2000K的温度下， 以一个5K/s的冷却速率从2000K逐 渐冷却到300K； 边界条件设置为针对有限元模型的左 下角x轴方向和y轴方向均固定， 右下 角仅x轴方向固定， 当体系温度稳定在3 00K时， 进行有限元模拟得到残余应力。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115204012 A 3