(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 202211264771.2 (22)申请日 2022.10.17 (71)申请人 北京科技大 学 地址 100083 北京市海淀区学院路3 0号 (72)发明人 豆瑞锋　黄麟净　刘宁宁　余梦琪　 温治　刘训良　 (74)专利代理 机构 北京圣州专利代理事务所 (普通合伙) 11818 专利代理师 何世常 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 111/08(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构 与传热特性评估的方法 (57)摘要 本发明公开了一种含微裂纹热障涂层微结 构的数值重构与传热特性评估的方法， 包括确定 模拟区域和尺 寸设置、 生 成不同形貌特征的随机 微裂纹后将微裂纹置于模拟区域内判断微裂纹 所占的空间是否达到预设微裂纹的孔隙率占比、 基于四参数生长方法建立热障涂层一般孔隙模 型、 重构TBCs真实的介观形貌， 判断是否达到预 设的体积分数、 基于热格子玻尔兹曼方法建立传 热分析模型来计算温度分布、 热导率等隔热性能 参数。 与现有技术相比， 此模型能更真实有效地 还原涂层的介观结构， 从而降低大量扫描真实涂 层样品带来的成本消耗， 更加准确地预测TBCs的 隔热效果。 权利要求书3页 说明书7页 附图6页 CN 115544690 A 2022.12.30 CN 115544690 A 1.一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法， 其特征在于， 所 述方法包括： S1确定模拟区域和尺寸设置， 包括物理模型和模拟计算网格的设置； 基于蒙特卡洛模 拟方法和四参数生长方法， 生成不同形貌特 征的随机微裂纹； S2通过坐标变换方法将不同微裂纹按一定统计规律改变其倾斜方向后置于模拟区域 内， 并判断微裂纹所占的空间是否 达到预设微裂纹的孔隙率占比； S3基于四参数生长方法建立热障涂层一般孔隙模型， 以热障涂层中的固体骨架为生长 相， 孔隙为 非生长相， 孔隙率的设定控制涂层的孔隙体积分数， 固态骨架形核中心 生成概率 设定来控制孔隙数量； 对于初始随机分布的生长核节点进行遍历， 将每个生长核节点向三 维空间进 行随机生长， 通过三 维坐标下26个方向的生长核生长概率控制不同结构热障涂层 的生成， 层状结构涂层水平方向生长核生长概 率远大于竖直方向， 柱状结构涂层相反； S4将一般孔隙结构叠加到含微裂纹的模拟区域中生成耦合微裂纹缺陷的涂层孔隙模 型， 重构TBCs 真实的介观形貌， 判断是否 达到预设的体积分数； S5基于热格子玻尔兹曼方法建立传热分析模型来计算温度分布、 热导率隔热性能参 数。 2.根据权利要求1所述的含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方 法， 其特征在于， 所述 步骤S1中利用蒙特卡洛算法生成一定统计分布规 律下的微裂纹形貌： S1.1生成[0,1]区间上的均匀分布的随机数： 随机数生成的线性同余法的迭代公式为： xn＝(axn‑1+c)(modM) 式中： a为非负的乘子； c为非负的增量； M为模， (mod  M)表示除以m后取其 余数。 进而得到[0,1]区间上均匀分布的随机数R： S1.2利用均匀随机数计算 生成其他指定统计分布规 律的随机数： 利用(1)中产生的[0,1]区间上的均匀随机数， 可以产生 服从其他分布类型的随机数； 均匀分布的概 率密度函数为： 随机变量的计算方法为： xf＝(b‑a)R+a 式中： xf为所求的随机数； R为区间[0,1]上均匀分布的随机数； S1.3坐标平 移和旋转变换实现微裂纹朝向的改变： 存在基坐标系0和动坐标系I， 二者的姿态相同， 原点不重合。 空间中和坐标系I固联的 任一质点P在坐标系0中的坐标表示为P0＝[p0x p0y p0z]T， 在坐标系I中的坐标表示为P1＝ [p1x p1y p1z]T， 坐标系I的原点O1在坐标系0中坐标为 根据矢量运算规则 有 考虑到坐标系I相对于坐标系0的姿态变化阵， 即认为二者之间的相对关系是 原点间的平移运动和绕原点的纯转动的合成， 有： 同理有 其权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115544690 A 2中Rot表示基本的旋转， 在三维坐标中写成矩阵的形式为： 上式分别标识绕x、 y、 z轴旋转α 、 φ、 θ角度； S1.4微裂纹生成， 利用QSGS方法控制长度/宽度方向的生长概率为100/1可以保证微裂 纹是楔形状； 控制单个微裂纹的厚度方向只有两层 网格， 从而保证微裂纹近似为层片状结 构； 再利用蒙特卡洛方法按照一定统计分布规律随机生成形核中心点(x0,y0,z0)、 倾向φ、 倾角 θ、 长度和数量形貌参数。 形核中心点(x0,y0,z0)作为QSGS微裂纹的生长核中心， 微裂纹 长度控制微裂纹不同方向的生长概率， 倾向φ、 倾角 θ作为坐标旋转变换的依据， 从而生成 按照一定统计规 律分布的形状、 大小和方向各不相同的微裂纹。 3.根据权利要求1所述的含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方 法， 其特征在于， 所述步骤S4中是对初始 生长核节点和生长之后的生长核节 点循环遍历， 不 涉及到单独节点连续生长的情况； 而且生长相会避开模拟区域内的微裂纹生长， 不与微裂 纹重合， 微裂纹和一般孔隙的孔隙率相加等于预设的总孔隙率； 三 维坐标下共26个方向， 包 括6个主方向， 12个面对角方向， 8个体对角方向， 以生长核节 点为生长原 点， 骨架向6个主方 向上的非孔隙邻点重新生成随机数， 当生成的随机数小于生长核生长概率时， 非孔隙邻点 生长为生长相节点； 重复该步骤， 直到生长相满足预设的体积分数。 4.根据权利要求1所述的含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方 法， 其特征在于， 所述 步骤S5中的导热的控制方程可以描述 为： 式中， 下标f表示孔隙内空气， s表示固体骨架， T表示材料的温度， ρ、 λ和cp分别表示密 度， 导热系数和定 压比热容； 基于上式， 采用D3Q19热格子Bo ltzmann模型， 温度演化方程 为： 式中， r是位置矢量， t表示时间， δt是时间步长， α ＝0,1, …,18表示19个离散速度方向， 其中eα为离散速度分布式：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115544690 A 3