(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 202111291166.X (22)申请日 2021.11.02 (71)申请人 河海大学 地址 211199 江苏省南京市江宁开发区佛 城西路8号 (72)发明人 黄丹　何德威　余泽洋　陆炎洲　 姜冬菊　 (74)专利代理 机构 南京纵横知识产权代理有限 公司 32224 代理人 许婉静 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 用于热障涂层材料破坏预测的热力耦合近 场动力学方法 (57)摘要 本发明公开一种用于热障涂层材料破坏预 测的热力耦合近场动力学方法。 该方法首先将热 障涂层材料结构离散成一系列包含物理信息的 物质点， 根据近场动力学线性化理论得出各项基 本参数， 在此基础上进行计算求解； 将热障涂层 材料结构的动态失效过程分为若干时间步进行 计算， 对每个增量步采用Verlet积分法迭代计 算； 结合近场动力学积分形式的热力耦合方程确 定满足收敛性的热、 力迭代时间步长， 并计算物 质点的温度、 受力和位移情况， 选用临界伸长率 准则判定物质点对的断裂与否， 统计近场范围内 的物质点对断裂情况得到损伤 值， 基于损伤数值 显示结构的失效破坏情况。 本发 明能够实现运用 近场动力学求解复杂的热障涂层材料裂纹起裂 和扩展问题。 权利要求书3页 说明书8页 附图2页 CN 114091297 A 2022.02.25 CN 114091297 A 1.用于热障涂层材 料破坏预测的热力耦合近场动力学 方法， 其特 征在于， 包括： 步骤一， 建立热障涂层材 料结构实体模型； 步骤二， 将建立的实体模型进行离 散化， 得到一系列包 含物理信息的物质点； 步骤三， 初始化物质点的信息， 读取初始边界条件； 步骤四， 获取近场范围内其 他物质点对当前物质点的热量贡献， 更新温度场数值； 步骤五， 基于热 ‑力耦合项修 正物质点对间变形， 更新物质点的力学变量； 步骤六， 判断物质点对断裂破坏 情况， 更新损伤数值； 步骤七， 引入力 ‑热耦合项， 根据变形和损伤情况修 正温度场数值； 步骤八， 重复步骤四到步骤七， 直至所有物质点计算结束， 根据最终的损伤情况统计判 断热障涂层材 料的失效破坏 情况。 2.根据权利要求1所述用于热障涂层材料破坏预测的热力耦合近场动力学方法， 其特 征在于， 步骤二进一步包括： 对实体模 型进行网格划分， 采用六面体单元生 成离散化的三 维 网格模型， 离散间距根据计算精度要求进行调整， 定义每一个单元块为一个近场动力学物 质点。 3.根据权利要求2所述用于热障涂层材料破坏预测的热力耦合近场动力学方法， 其特 征在于， 步骤三进一步包括： 位移边界条件和速度边界条件通过对物质点位置信息直接赋 值给定， 力边界条件转 化为力密度条件施加； 温度边界条件施加包括： 初始 温度条件设为Tt=0＝T(x， y， z)， 第一类温度 边界条件为已 知边界温度， 通过对指 定区域物质点 温度直接赋值施加T＝T(t)， 第二类温度边界条件为已 知边界上热流密度 第三类温度边界条件为对流换热条件qn＝h(T‑T∞)， 其中T为 温度， k为热传导系数， qn为法向热流密度， h为热对流系数， T∞为对流环境温度， n表示法向 方向， x， y， z表示物质点的坐标。 4.根据权利要求1所述用于热障涂层材料破坏预测的热力耦合近场动力学方法， 其特 征在于， 所述方法进一步包括： 采用Verlet积分法迭代更新步骤四到步骤七的热、 力学计算 结果。 5.根据权利要求1所述用于热障涂层材料破坏预测的热力耦合近场动力学方法， 其特 征在于， 步骤四中， 通过拉格朗日积分形式方程得到近场范围内其他物质点对当前物质点的热量贡献， 其 中， 近场动力学框架下的热传导积分方程如下： 其中， ρ 为物质密度， cv为材料的比热容， H为近场范围， h(x， t)为物质点的热流标量状 态， Sb表示单位质量的体积热产生的热源， 表示温度变化速率， x表示当前物质点， x′表示邻近的发生相互作用的物质点， Vx′表示邻近物质点的体积。 6.根据权利要求1所述用于热障涂层材料破坏预测的热力耦合近场动力学方法， 其特 征在于， 步骤五中， 考虑温度影响的近场动力学基本运动方程如下：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114091297 A 2其中， Ts为仅包含结构变形部分的力矢量状态， b为体力密度， Ts在近场动力学本构模型 中表示为 K为体积模量， G为剪切模量， θ为膨胀标量函数， m为体 积权重函数， x为初始构 形中物质点对的距离、 ed为描述剪切变形的偏离伸长态， M为描述物 质点对变形的单位方向矢量态， ω表示影响函数， 表示加速度， H表示近场范围， T表 示温度， B表示热模量矢量状态， Vx′表示邻近物质点的体积。 7.根据权利要求1所述用于热障涂层材料破坏预测的热力耦合近场动力学方法， 其特 征在于， 步骤六中， 根据临界伸长率 准则判断物质点对断裂破坏 情况： 其中， ξ为参考构形中两物质点间的相对位置； η为两物质点间的相对位移量， S为物质 点对的相对伸 长率， μ为间断函数， 上式表示物质点对间的距离的相对伸长量达到S0时， 物 质点对即发生断裂， 断裂后的物质点对间不再产生联系和变形， S0按照下式选取： 其中， G0为临界断裂能密度， 取决于 材料的断裂韧性和弹性模量， K表示体积 模量， δ为近 场范围的半径。 8.根据权利要求1所述用于热障涂层材料破坏预测的热力耦合近场动力学方法， 其特 征在于， 步骤 七中， 引入力 ‑热耦合项， 根据变形和损伤情况修 正温度场数值； 其中， B为热模量矢量状态， 为物质点对伸长率。 9.用于实现权利要求1 ‑8任一项所述用于热障涂层材料破坏预测的热力耦合近场动力 学方法的系统， 其特征在于， 包括构建模块， 用于建立热障涂层材料结构实体模型； 离散化 模块， 用于生成离散化模型， 得到一系列包含物理信息的物质点； 初始化模块， 用于初始化 物质点信息， 读取初始边界条件； 迭代模块， 用于迭代更新热、 力学计算结果； 预测模块， 用 于在所有物质点计算结束后， 根据最终的损伤情况统计判断热障涂层材料的失效破坏情权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114091297 A 3