一种滤及元素扩散的涂层失效分析方法、装置及设备

1.本发明涉及界面物质属性传递计算领域，特别是涉及一种滤及元素扩散的涂层失效分析方法、装置、设备及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.热障涂层广泛的应用于现代航空发动机的热端部件中，以延长部件的使用寿命和热效率。然而，在长时、高温服役过程中，由于界面元素扩散导致其附近材料的al元素出现贫化效应，使得界面氧化产物由致密均质向疏松多孔结构转变，致使其界面结合强度呈现出元素浓度相关的退化行为，导致涂层的界面强度储备系数下降。然而，目前商业有限元软件所提供的界面内聚力模型较为简单，无法描述热障涂层在高温服役过程中由于元素扩散导致的界面强度退化行为，无法保证涂层在长时服役过程中始终具有足够的界面强度储备系数，严重影响其安全使用。
3.因此，为弥补上述技术的不足，需要开发一种能够同时考虑界面元素扩散影响的涂层界面结合强度计算方法，实现涂层在长时高温服役环境下界面强度储备系数及失效条件的精准预测，为其安全可靠使用提供技术支撑。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种滤及元素扩散的涂层失效分析方法、装置、设备及计算机可读存储介质，以解决现有技术中涂层失效分析准确度不足的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种滤及元素扩散的涂层失效分析方法，包括：
6.接收元素扩散边界条件；所述元素扩散边界条件包括扩散系数、边界浓度、温度及热暴露时间；
7.根据所述元素扩散边界条件，确定目标元素浓度；
8.根据所述目标元素浓度，通过预存的耦合元素浓度的界面强度退化函数，确定目标结合强度；
9.将所述目标结合强度输入受试热障涂层的有限元模型中，使所述有限元模型根据所述目标结合强度及预设的边界条件输出对应的损伤参量。
10.可选地，在所述的滤及元素扩散的涂层失效分析方法中，所述根据所述元素扩散边界条件，确定目标元素浓度包括：
11.根据所述元素扩散边界条件，通过菲克第二定律，确定目标元素浓度。
12.可选地，在所述的滤及元素扩散的涂层失效分析方法中，在得到所述损伤参量之后，还包括：
13.根据所述损伤参量及所述有限元模型，得到可视化结果。
14.可选地，在所述的滤及元素扩散的涂层失效分析方法中，所述有限元模型沿厚度方向依次包括陶瓷层、氧化层、粘结层及基体层；
15.相邻的层的接触区域沿厚度方向网格加密。
16.可选地，在所述的滤及元素扩散的涂层失效分析方法中，所述有限元模型的各个层的凹凸不平处的积分点均具备对应的局部坐标系，所述局部坐标系的y轴方向为层的界面法线方向，所述将所述目标结合强度输入受试热障涂层的有限元模型中，使所述有限元模型根据所述目标结合强度及预设的边界条件输出对应的损伤参量：
17.将所述目标结合强度输入受试热障涂层的有限元模型中，使所述有限元模型根据所述目标结合强度及预设的边界条件，通过所述局部坐标系进行坐标变换，并输出对应的损伤参量。
18.一种滤及元素扩散的涂层失效分析装置，包括：
19.接收模块，用于接收元素扩散边界条件；所述元素扩散边界条件包括扩散系数、边界浓度、温度及热暴露时间；
20.元素浓度计算模块，用于根据所述元素扩散边界条件，确定目标元素浓度；
21.结合强度计算模块，用于根据所述目标元素浓度，通过预存的耦合元素浓度的界面强度退化函数，确定目标结合强度；
22.界面损伤评估模块，用于将所述目标结合强度输入受试热障涂层的有限元模型中，使所述有限元模型根据所述目标结合强度及预设的边界条件输出对应的损伤参量。
23.可选地，在所述的滤及元素扩散的涂层失效分析装置中，所述元素浓度计算模块包括：
24.元素扩散单元，用于根据所述元素扩散边界条件，通过菲克第二定律，确定目标元素浓度。
25.可选地，在所述的滤及元素扩散的涂层失效分析装置中，所述界面损伤评估模块，还包括：
26.可视化单元，用于根据所述损伤参量及所述有限元模型，得到可视化结果。
27.一种滤及元素扩散的涂层失效分析设备，包括：
28.存储器，用于存储计算机程序；
29.处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任一种所述的滤及元素扩散的涂层失效分析方法的步骤。
30.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的滤及元素扩散的涂层失效分析方法的步骤。
31.本发明所提供的滤及元素扩散的涂层失效分析方法，通过接收元素扩散边界条件；所述元素扩散边界条件包括扩散系数、边界浓度、温度及热暴露时间；根据所述元素扩散边界条件，确定目标元素浓度；根据所述目标元素浓度，通过预存的耦合元素浓度的界面强度退化函数，确定目标结合强度；将所述目标结合强度输入受试热障涂层的有限元模型中，使所述有限元模型根据所述目标结合强度及预设的边界条件输出对应的损伤参量。
32.本发明考虑到结合强度是随热暴露时间不停变化的参数(这是由于元素浓度随热暴露时间不停变化)，因此引入了所述耦合元素浓度的界面强度退化函数，也即元素浓度与结合强度的对应关系，通过所述元素扩散边界条件对所述目标元素浓度进行实时计算，以便对有限元模型中的结合强度进行实时修正，换言之，本发明中，更加贴近真实情况，为长时高温服役环境下的涂层的界面强度评估提供更精准的预测与分析依据，提高涂层失效分
析的准确率。本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的滤及元素扩散的涂层失效分析装置、设备及计算机可读存储介质。
附图说明
33.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明提供的滤及元素扩散的涂层失效分析方法的一种具体实施方式的流程示意图；
35.图2为本发明提供的滤及元素扩散的涂层失效分析方法的另一种具体实施方式的流程示意图；
36.图3为本发明提供的滤及元素扩散的涂层失效分析方法的又一种具体实施方式的流程示意图；
37.图4为本发明提供的滤及元素扩散的涂层失效分析装置的一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
38.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.本发明的核心是提供一种滤及元素扩散的涂层失效分析方法，其一种具体实施方式的流程示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，包括：
40.s101：接收元素扩散边界条件；所述元素扩散边界条件包括扩散系数、边界浓度、温度及热暴露时间。
41.当然，所述元素扩散边界条件除了上述提及的扩散系数、边界浓度、温度及热暴露时间之外，还可包括其他参数，本发明在此不作限定。
42.s102：根据所述元素扩散边界条件，确定目标元素浓度。
43.可通过过多种渠道确定所述目标元素浓度，如使用菲克第二定律确定所述目标元素浓度。
44.s103：根据所述目标元素浓度，通过预存的耦合元素浓度的界面强度退化函数，确定目标结合强度。
45.所述耦合元素浓度的界面强度退化函数指元素浓度与界面强度之间的函数关系，该函数关系可通过前期的高温氧化实验及界面结合强度测试实验测得的界面元素浓度-结合强度演化规律数据得到。
46.以abaqus平台为例，所述元素浓度与界面强度之间的函数关系，可通过fortran编程语言，参考abaqus平台对用户子程序二次开发接口的要求(abaqus软件为达索公司开发的通用有限元软件)，编制粘塑性材料应力应变计算用户材料子程序插件(uel)获得。
47.s104：将所述目标结合强度输入受试热障涂层的有限元模型中，使所述有限元模型根据所述目标结合强度及预设的边界条件输出对应的损伤参量。
48.所述边界条件为根据所述受试热障涂层工作环境中的实际承受载荷，确定的温度、位移、应力、初始元素浓度等边界条件。
49.下面以abaqus平台为例，举例说明一种计算损伤参量的具体方法，包括：
50.a)使用abaqus软件调用编译的uel子程序，分配初始计算分析步长，对建立的有限元模型进行计算分析。
51.b)有限元分析软件将氧化层内材料积分点的坐标、温度、热暴露时间及元素浓度等信息传递给uel子程序，由子程序根据试验得到的对应温度和热暴露时间下的界面元素浓度，再根据界面元素浓度-界面结合强度函数关系计算该分析步长界面的损伤参量增量大小，并将其传递回有限元分析软件。
52.c)abaqus软件基于最小势能原理判断计算得到的应力及应变场是否收敛：若计算结果收敛，则分析步长不变，进入下一步计算；若计算结果不收敛，则重新细分计算步长，返回步骤(b)重新计算界面的原始浓度和损伤参量增量大小，并将计算结果传输会abaqus软件，再次进行应力应变计算。
53.作为一种优选实施方式，在得到所述损伤参量之后，还包括：
54.根据所述损伤参量及所述有限元模型，得到可视化结果。得到可视化结果，对涂层长时高温服役过程中界面强度储备的工程评估具有更强的参考意义。
55.下面继续以abaqus平台为例，举例说明一种计算结果的可视化方法，包括：
56.a)使用内变量将每一个积分点的计算结果储存并传输至abaqus有限元中。
57.b)在uel中开辟单独的用户自定义变量，用以储存计算得到的界面元素浓度、界面损伤参量等值。
58.c)使用abaus软件后处理模块对计算结果进行可视化处理，得到考虑界面元素扩散影响下热障涂层的界面结合强度计算方法。
59.另外，所述有限元模型沿厚度方向依次包括陶瓷层、氧化层、粘结层及基体层；
60.相邻的层的接触区域沿厚度方向网格加密。所述相邻的层的接触区域为所述陶瓷层与所述氧化层之间的界面、所述氧化层与所述粘结层之间的界面、所述粘结层与所述基体层之间的界面，具体厚度范围可根据实际情况确定，提高界面的网格密度可显著提高计算准确性。
61.本发明所提供的滤及元素扩散的涂层失效分析方法，通过接收元素扩散边界条件；所述元素扩散边界条件包括扩散系数、边界浓度、温度及热暴露时间；根据所述元素扩散边界条件，确定目标元素浓度；根据所述目标元素浓度，通过预存的耦合元素浓度的界面强度退化函数，确定目标结合强度；将所述目标结合强度输入受试热障涂层的有限元模型中，使所述有限元模型根据所述目标结合强度及预设的边界条件输出对应的损伤参量。本发明考虑到结合强度是随热暴露时间不停变化的参数(这是由于元素浓度随热暴露时间不停变化)，因此引入了所述耦合元素浓度的界面强度退化函数，也即元素浓度与结合强度的对应关系，通过所述元素扩散边界条件对所述目标元素浓度进行实时计算，以便对有限元模型中的结合强度进行实时修正，换言之，本发明中，更加贴近真实情况，为长时高温服役环境下的涂层的界面强度评估提供更精准的预测与分析依据，提高涂层失效分析的准确
率。
62.利用本发明提供的方法计算了高温循环热疲劳载荷下，界面元素扩散影响下的热障涂层界面损伤累积和失效破坏行为，对比了使用传统内聚力模型计算结果和本方法建立的耦合扩散效应的内聚力模型计算结果，后者能够较好地反应界面元素扩散影响下的界面强度退化现象，且具有良好的收敛性，可以模拟高温载荷下的热障涂层界面的热-力-化耦合失效及破坏行为。
63.在具体实施方式一的基础上，进一步对所述目标元素浓度的获取方式做限定与改进，得到具体实施方式二，其流程示意图如图2所示，包括：
64.s201：接收元素扩散边界条件；所述元素扩散边界条件包括扩散系数、边界浓度、温度及热暴露时间。
65.当然，所述元素扩散边界条件除了上述提及的扩散系数、边界浓度、温度及热暴露时间之外，还可包括如元素种类、外加载荷等其他参数，本发明在此不作限定。
66.s202：根据所述元素扩散边界条件，通过菲克第二定律，确定目标元素浓度。
67.菲克第二定律是在第一定律的基础上结合质量守恒方程推导出来的，预测了扩散导致浓度随时间的变化，是一个抛物型偏微分方程，与第一定律不同，可用来全面描述浓度随时间不断变化的非稳态扩散过程。
68.s203：根据所述目标元素浓度，通过预存的耦合元素浓度的界面强度退化函数，确定目标结合强度。
69.s204：将所述目标结合强度输入受试热障涂层的有限元模型中，使所述有限元模型根据所述目标结合强度及预设的边界条件输出对应的损伤参量。
70.本具体实施方式与上述具体实施方式的区别点在于，本具体实施方式中限定了采用菲克第二定律计算所述目标元素浓度，其余步骤均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。
71.本具体实施方式利用菲克第二定律通过元素扩散边界条件计算目标元素浓度，菲克第二定律适用范围广，计算量要求低，可在提升算法运行效率的同时，提升方法的泛用性。
72.在具体实施方式二的基础上，进一步对所述目标元素浓度的获取方式做限定与改进，得到具体实施方式三，其流程示意图如图3所示，包括：
73.s301：接收元素扩散边界条件；所述元素扩散边界条件包括扩散系数、边界浓度、温度及热暴露时间。
74.s302：根据所述元素扩散边界条件，通过菲克第二定律，确定目标元素浓度。
75.s303：根据所述目标元素浓度，通过预存的耦合元素浓度的界面强度退化函数，确定目标结合强度。
76.s304：所述有限元模型的各个层的凹凸不平处的积分点均具备对应的局部坐标系，所述局部坐标系的y轴方向为层的界面法线方向；将所述目标结合强度输入受试热障涂层的有限元模型中，使所述有限元模型根据所述目标结合强度及预设的边界条件，通过所述局部坐标系进行坐标变换，并输出对应的损伤参量。
77.本具体实施方式与上述具体实施方式的区别点在于，本具体实施方式中使用积分点局部坐标系定义界面方向，其余步骤均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。
78.本具体实施方式中，对每一处处于凹凸不平的积分点单独设立局部坐标系，举一例说明，所述局部坐标系的x轴方向和z轴方向为该点沿界面的切线方向，y轴为法线方向，使用积分点局部坐标系定义界面方向，使得程序能够准确计算具有复杂几何形貌的界面力学响应，可计算热障涂层复杂几何界面的失效和开裂行为，提高了本发明提供的滤及元素扩散的涂层失效分析方法的适用范围。
79.下面对本发明实施例提供的滤及元素扩散的涂层失效分析装置进行介绍，下文描述的滤及元素扩散的涂层失效分析装置与上文描述的滤及元素扩散的涂层失效分析方法可相互对应参照。
80.图4为本发明实施例提供的滤及元素扩散的涂层失效分析装置的结构框图，参照图4滤及元素扩散的涂层失效分析装置可以包括：
81.接收模块100，用于接收元素扩散边界条件；所述元素扩散边界条件包括扩散系数、边界浓度、温度及热暴露时间；
82.元素浓度计算模块200，用于根据所述元素扩散边界条件，确定目标元素浓度；
83.结合强度计算模块300，用于根据所述目标元素浓度，通过预存的耦合元素浓度的界面强度退化函数，确定目标结合强度；
84.界面损伤评估模块400，用于将所述目标结合强度输入受试热障涂层的有限元模型中，使所述有限元模型根据所述目标结合强度及预设的边界条件输出对应的损伤参量。
85.作为一种优选实施方式，所述元素浓度计算模块200包括：
86.元素扩散单元，用于根据所述元素扩散边界条件，通过菲克第二定律，确定目标元素浓度。
87.作为一种优选实施方式，所述界面损伤评估模块400，还包括：
88.可视化单元，用于根据所述损伤参量及所述有限元模型，得到可视化结果。
89.作为一种优选实施方式，所述有限元模型的各个层的凹凸不平处的积分点均具备对应的局部坐标系，所述局部坐标系的y轴方向为层的界面法线方向，所述界面损伤评估模块400包括：
90.方向校正计算单元，用于将所述目标结合强度输入受试热障涂层的有限元模型中，使所述有限元模型根据所述目标结合强度及预设的边界条件，通过所述局部坐标系进行坐标变换，并输出对应的损伤参量。
91.本发明所提供的滤及元素扩散的涂层失效分析装置，通过接收模块100，用于接收元素扩散边界条件；所述元素扩散边界条件包括扩散系数、边界浓度、温度及热暴露时间；元素浓度计算模块200，用于根据所述元素扩散边界条件，确定目标元素浓度；结合强度计算模块300，用于根据所述目标元素浓度，通过预存的耦合元素浓度的界面强度退化函数，确定目标结合强度；界面损伤评估模块400，用于将所述目标结合强度输入受试热障涂层的有限元模型中，使所述有限元模型根据所述目标结合强度及预设的边界条件输出对应的损伤参量。本发明考虑到结合强度是随热暴露时间不停变化的参数(这是由于元素浓度随热暴露时间不停变化)，因此引入了所述耦合元素浓度的界面强度退化函数，也即元素浓度与结合强度的对应关系，通过所述元素扩散边界条件对所述目标元素浓度进行实时计算，以便对有限元模型中的结合强度进行实时修正，换言之，本发明中，更加贴近真实情况，为长时高温服役环境下的涂层的界面强度评估提供更精准的预测与分析依据，提高涂层失效分
析的准确率。
92.本实施例的滤及元素扩散的涂层失效分析装置用于实现前述的滤及元素扩散的涂层失效分析方法，因此滤及元素扩散的涂层失效分析装置中的具体实施方式可见前文中的滤及元素扩散的涂层失效分析方法的实施例部分，例如，接收模块100，元素浓度计算模块200，结合强度计算模块300，界面损伤评估模块400，分别用于实现上述滤及元素扩散的涂层失效分析方法中步骤s101，s102，s103和s104，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
93.一种滤及元素扩散的涂层失效分析设备，包括：
94.存储器，用于存储计算机程序；
95.处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任一种所述的滤及元素扩散的涂层失效分析方法的步骤。本发明所提供的滤及元素扩散的涂层失效分析方法，通过接收元素扩散边界条件；所述元素扩散边界条件包括扩散系数、边界浓度、温度及热暴露时间；根据所述元素扩散边界条件，确定目标元素浓度；根据所述目标元素浓度，通过预存的耦合元素浓度的界面强度退化函数，确定目标结合强度；将所述目标结合强度输入受试热障涂层的有限元模型中，使所述有限元模型根据所述目标结合强度及预设的边界条件输出对应的损伤参量。本发明考虑到结合强度是随热暴露时间不停变化的参数(这是由于元素浓度随热暴露时间不停变化)，因此引入了所述耦合元素浓度的界面强度退化函数，也即元素浓度与结合强度的对应关系，通过所述元素扩散边界条件对所述目标元素浓度进行实时计算，以便对有限元模型中的结合强度进行实时修正，换言之，本发明中，更加贴近真实情况，为长时高温服役环境下的涂层的界面强度评估提供更精准的预测与分析依据，提高涂层失效分析的准确率。
96.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的滤及元素扩散的涂层失效分析方法的步骤。本发明所提供的滤及元素扩散的涂层失效分析方法，通过接收元素扩散边界条件；所述元素扩散边界条件包括扩散系数、边界浓度、温度及热暴露时间；根据所述元素扩散边界条件，确定目标元素浓度；根据所述目标元素浓度，通过预存的耦合元素浓度的界面强度退化函数，确定目标结合强度；将所述目标结合强度输入受试热障涂层的有限元模型中，使所述有限元模型根据所述目标结合强度及预设的边界条件输出对应的损伤参量。本发明考虑到结合强度是随热暴露时间不停变化的参数(这是由于元素浓度随热暴露时间不停变化)，因此引入了所述耦合元素浓度的界面强度退化函数，也即元素浓度与结合强度的对应关系，通过所述元素扩散边界条件对所述目标元素浓度进行实时计算，以便对有限元模型中的结合强度进行实时修正，换言之，本发明中，更加贴近真实情况，为长时高温服役环境下的涂层的界面强度评估提供更精准的预测与分析依据，提高涂层失效分析的准确率。
97.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
98.需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之
间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
99.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
100.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
101.以上对本发明所提供的滤及元素扩散的涂层失效分析方法、装置、设备及计算机可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。