(19)中华 人民共和国 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 202111639103.9 (22)申请日 2021.12.2 9 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 孙宇锋　王佳飞　胡听春　薛雨晴　 王一丹　赵广燕　胡薇薇　 (74)专利代理 机构 北京慧泉知识产权代理有限 公司 11232 代理人 王顺荣　唐爱华 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 一种热-离心载荷作用下多层薄膜耦合应力 仿真计算方法 (57)摘要 本发明提出一种热 ‑离心载荷作用下多层薄 膜耦合应力仿真计算方法， 具体步骤如下： 步骤 一： 建立涡 轮叶片基底模 型： 步骤二： 仿真得到热 载荷下涡轮叶片表面温度分布： 步骤三： 仿真得 到离心载荷下涡轮叶片表面应变分布： 步骤四： 理论计算各层薄膜内应力： 步骤五： 构建叶片基 底‑多层薄膜结构 模型仿真模型： 步骤六： 仿真计 算多层薄膜结构内应力大小。 当涡 轮叶片结构较 为复杂， 叶片 ‑薄膜传感器模型建模困难时， 或薄 膜网格尺寸较小， 仿真计算效率低时， 可根据叶 片表面温度场与离心应变场， 理论计算出各层薄 膜耦合应力值， 具有方法简单、 准确性高的优点。 权利要求书2页 说明书6页 附图6页 CN 114218841 A 2022.03.22 CN 114218841 A 1.一种热 ‑离心载荷作用下多层 薄膜耦合应力 仿真计算方法， 其特征在于， 具体步骤如 下： 步骤一： 建立涡轮叶片基底模型： S11、 获得涡轮叶片材 料参数： S12、 利用ANSYS软件创建涡轮叶片结构模型， S13、 施加位移约束条件， 将榫头施加轴向与周向位移约束； 轮盘圆柱面内侧施加圆柱 约束； 步骤二： 仿真得到热 载荷下涡轮叶片表面温度分布： 选取测量点， 测量得到涡轮叶片工况下不同位置的表面温度值； 对叶片模型对应的测 量点位置施加温度值， 通过ANSYS中的求 解器求解获得模型表面温度场T； 步骤三： 仿真得到 离心载荷下涡轮叶片表面应 变分布： 通过查询涡轮叶片发动机工况， 得到涡轮叶片工作时的转速； 对轮盘圆柱面施加转速， 利用ANSYS  workbench的求解器仿真求 解涡轮叶片表面离心应 变场 ε； 步骤四： 理论计算各层薄膜内应力： S41、 获得基底及薄膜各层材 料参数： S42、 根据步骤二获得的表面温度场T与步骤三获得的表面离心应变场 ε， 代入下式获得 各层薄膜内应力σx,i； 式中， Ei为第i层材料的弹性模量， αs为基底的热膨胀系数， αi为第i层材料的热膨胀系 数， vi为第i层材料的泊松比； Tx为位置x处叶片表 面温度， T0为叶片即传感器初始温度， 一般 取室温， εx为位置x处叶片表面应 变； 步骤五： 构建叶片基底 ‑多层薄膜结构模型仿真模型： S51、 利用ANSYS软件创建叶片基底 ‑多层薄膜结构模型； S52、 施加位移约束条件， 对简化叶片底面施加全约束； 对叶片底部侧面施加轴向与周 向位移约束； 对底部圆柱面内侧施加圆柱约束； 步骤六： 仿真计算多层薄膜结构内应力大小： S61、 根据叶片表面温度场， 对薄膜 ‑基底模型关键点施加温度值， 通过ANSYS   workbench的求解器求解获得模型温度场； S62、 对底部圆柱面施加转速， 利用ANSYS  workbench的求解器仿真得到温度载荷与离 心载荷耦合作用下的各层薄膜内应力σx,i。 2.根据权利要求1所述的一种热 ‑离心载荷作用下多层 薄膜耦合应力 仿真计算方法， 其 特征在于： 在步骤S11中， 通过文献调研查询材料性能参数表或者采用脉冲激振法、 声频共 振法、 静态法进行测量得到涡轮叶片的弹性模量Ef， 泊松比vf， 热膨胀系数αf， 密度Gf。 3.根据权利要求1或2所述的一种热 ‑离心载荷作用下多层薄膜耦合应力仿真计算方 法， 其特征在于： 在步骤S12 中， 建立模型并定义材料参数， 参数类型为S11中获取的弹性模 量Ef， 泊松比vf， 热膨胀系数αf， 密度Gf， 对模型进行网格划分， 采用 “Element Size”划分类 型， Element  Size参数设定为5e ‑3。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114218841 A 24.根据权利要求1所述的一种热 ‑离心载荷作用下多层 薄膜耦合应力 仿真计算方法， 其 特征在于： 在步骤三中， 叶片工作时的转速 6000rad/s。 5.根据权利要求1所述的一种热 ‑离心载荷作用下多层 薄膜耦合应力 仿真计算方法， 其 特征在于： 在步骤S41中， 通过S11中的方式测量或查表， 获得各层薄膜材料的弹性模量， 泊 松比， 热膨胀系数， 密度， 具体如下表； 。 6.根据权利要求1所述的一种热 ‑离心载荷作用下多层 薄膜耦合应力 仿真计算方法， 其 特征在于： 在步骤S 51中， 涡轮叶片结构由叶身、 缘板与榫头组成， 内部包含冷却孔与冷却腔 结构； 薄膜传感器镀于叶身之上， 由叶根延伸到叶尖； 对涡轮叶片模型进行简化建模， 将缘 板与榫头简化 为底部为圆柱面的块体， 记为叶片底部； 将叶身简化 为长方体板 。 7.根据权利要求1或6所述的一种热 ‑离心载荷作用下多层薄膜耦合应力仿真计算方 法， 其特征在于： 在步骤S51 中， 薄膜传感器为基底 ‑过渡层‑绝缘层‑功能层‑保护层的结构， 底部过渡层为1um的NiCrAlY和2um的Al2O3薄膜， 绝缘层为2um的Ta2O5和2um的SiO2薄膜， 功能 层采用0.5um的N iCr/NiSi薄膜， 保护层采用4um的SiO2薄膜。 8.根据权利要求7所述的一种热 ‑离心载荷作用下多层 薄膜耦合应力 仿真计算方法， 其 特征在于： 在步骤S51中， 在简化叶片模型中， 涡轮叶片叶身简化为尺寸为10cm*2cm的长方 体结构， 厚度为1cm， 薄膜传感器尺 寸为8cm*1cm； 自基底从下往 上各层薄膜的厚度和参数具 体见S41中表， 完成几何建模并定义表中材料参数； 对模型进行网格划分， 并对薄膜部分网 格进行细化， 对6层 薄膜部分采用 “Element Size”划分类型， Element  Size参数设定为5e ‑ 4； 设置基底与薄膜之间、 基底与薄膜之间为绑定 接触。 9.根据权利要求1所述的一种热 ‑离心载荷作用下多层 薄膜耦合应力 仿真计算方法， 其 特征在于： 在步骤S62中， 对底部圆柱面施加转速为6 000rad/s。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114218841 A 3