考慮在使用期間的材料性質(zhì)變化的改進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及一種在鑄造部件的使用期間的材料性質(zhì)變化，并且尤其地涉及 通過考慮在鑄造部件的預(yù)期使用壽命期間的材料性質(zhì)變化的改進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性與耐 久性分析準(zhǔn)確度。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于制造鑄造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和氣缸蓋的最常見的Al-Si基合金是可熱處理的 變體，包括合金319 (按重量的標(biāo)稱成分為：6. 5%的Si、0. 5%的Fe、0. 3%的Mn、3. 5%的Cu、 0. 4%的Mg、1. 0%的Zn、0. 15%的Ti以及余量A1)和合金356 (按重量的標(biāo)稱成分為：7. 0% 的 Si、0. 1% 的 Fe、0. 01% 的 Mn、0. 05% 的 Cu、0. 3% 的 Mg、0. 05% 的 Zn、0. 15% 的 Ti 以及余量 A1)。與319和356類似的鋁合金通常通過使它們經(jīng)受三個(gè)主要階段而在使用之前被熱處 理成T6或17狀況：（1)在低于合金的熔點(diǎn)的相對高的溫度的固溶處理，常常持續(xù)超過8小 時(shí)或更長，以溶解其合金（溶質(zhì)）元素并使微觀結(jié)構(gòu)均勻或改變；（2)諸如通過冷或熱水、 強(qiáng)制通風(fēng)等的快速冷卻或淬火，以保持過飽和固溶體中的溶質(zhì)元素（其中，這兩個(gè)步驟也 被定義為T4);以及（3)通過以適合通過沉淀實(shí)現(xiàn)硬化或強(qiáng)化的中間溫度將合金保持一段 時(shí)間的人工時(shí)效（T5,其是在沒有固溶處理的情況下的時(shí)效）。T4固溶處理提供三個(gè)主要用 途：⑴稍后將引起時(shí)效硬化的元素的溶解；(2)未溶解成分的球形化；以及（3)材料中的 溶質(zhì)濃度的均勻化。T4后的淬火用于保持過飽和固溶體（SSS)中的溶質(zhì)元素，并且還用于 形成增強(qiáng)沉淀物的擴(kuò)散和分散的空位的過飽和，同時(shí)時(shí)效（自然或T5人工變體）形成強(qiáng)化 沉淀物的受控分散。
[0003] 由熱處理的鋁基鑄件制成的部件（例如，除前述氣缸蓋和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體之外，還有 渦輪增壓器殼體）由于熱效應(yīng)而在使用期間改變性質(zhì)。實(shí)際上，在使用中的性質(zhì)變化能顯 著改變預(yù)測部件壽命和可靠性的能力，其中，在當(dāng)前的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和耐久性分析方法中不考 慮這樣的制造后的材料性質(zhì)變化。在一個(gè)示例中，由這樣的鋁合金制成的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和尤 其是氣缸蓋在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間可經(jīng)受時(shí)效硬化或軟化，使得它們在使用中隨著時(shí)間的過去 經(jīng)歷熱機(jī)械疲勞（TMF)。該問題在遇到暴露于高溫的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用（諸如由于其接近 廢氣、機(jī)油、冷卻劑等）中尤其嚴(yán)重。鑄造部件目前的耐久性分析和壽命預(yù)測（諸如疲勞分 析或相關(guān)的壽命預(yù)測）方法常常訴諸于作出簡化假設(shè)--諸如恒定的材料性質(zhì)--其實(shí)際 上不能表示隨著時(shí)間的過去發(fā)生的這些材料性質(zhì)變化；基于這樣的假設(shè)的分析隨著部件使 用時(shí)間延長而受不準(zhǔn)確度影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種方法，所述方法通過將鑄造部件的在其使用壽命期間 的非均勻瞬態(tài)的（即，時(shí)間相關(guān)的）溫度分布并入非線性的可熱處理的鋁鑄本構(gòu)行為來確 定鑄鋁部件的在使用中的材料性質(zhì)變化。在本發(fā)明中，傳統(tǒng)的本構(gòu)模型（其僅考慮應(yīng)變和 熱（蠕變）效應(yīng)）通過包括時(shí)間相關(guān)的材料性質(zhì)變化的粘塑性模型增強(qiáng)，所述時(shí)間相關(guān)的 材料性質(zhì)變化考慮了預(yù)期可在其使用壽命期間長時(shí)間經(jīng)受高溫的部件中出現(xiàn)的沉淀硬化 和軟化。通過本發(fā)明，熱處理材料的這些延長的高溫狀況能通過與部件的這樣的長期操作 相關(guān)的基本上連續(xù)的時(shí)效過程的仿真而精確建模。
[0005] 能利用諸如基于部件使用狀況的有限元分析（FEA)的固體力學(xué)離散化技術(shù)計(jì)算 使用中的瞬態(tài)溫度分布，同時(shí)，非線性本構(gòu)行為可被建模為溫度、時(shí)間、微觀結(jié)構(gòu)變化和甚 至應(yīng)變率的函數(shù)。材料本構(gòu)模型（其描述由材料的內(nèi)部構(gòu)成引起的宏觀行為）建立為給定 合金所特有的量之間的關(guān)系，以此來預(yù)測利用這樣的合金的部件對施加負(fù)載的響應(yīng)。這樣 的模型可被想出作為描述理想材料響應(yīng)的獨(dú)立方程的建立，以此來近似與實(shí)際材料的響應(yīng) 相關(guān)的物理觀察。舉例來說，本構(gòu)模型不僅考慮應(yīng)變硬化和蠕變，而且考慮沉淀物硬化或軟 化。明顯地，這樣的方法能幫助改善產(chǎn)品耐久性分析準(zhǔn)確度，改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)魯棒性并減少產(chǎn) 品設(shè)計(jì)迭代、分析成本和零件保修成本。
[0006] 量化的與時(shí)間和溫度相關(guān)的節(jié)點(diǎn)材料性質(zhì)值優(yōu)選地被譯成用戶就緒格式，諸如 適合人讀取或觀看的打印輸出，或者以計(jì)算機(jī)可讀格式的數(shù)據(jù)，其可以由計(jì)算機(jī)可讀算法 (諸如用于附加的分析調(diào)查或確定）、計(jì)算機(jī)打印輸出裝置或其他合適的裝置被隨后操作。
[0007] 本發(fā)明提供以下技術(shù)方案： 1. 一種計(jì)算地模擬在鋁合金鑄造部件中的材料性質(zhì)變化的方法，所述方法包括： 配置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、至少一個(gè)處理單元、以及包含數(shù)據(jù)的存 儲(chǔ)器與包含指令的存儲(chǔ)器中的至少一個(gè)，它們是通過數(shù)據(jù)通信路徑相互合作的； 作為對所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入接收與所述部件的幾何形狀對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息； 作為對所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入從與所述合金對應(yīng)的材料性質(zhì)數(shù)據(jù)庫接收材料性質(zhì)信 息； 作為對所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入接收與預(yù)期在所述部件的操作期間遇到的至少一種環(huán) 境狀況對應(yīng)的時(shí)間相關(guān)的溫度信息；以及 通過基于至少一種本構(gòu)關(guān)系和所述時(shí)間相關(guān)的溫度信息的算法，確定在所述節(jié)點(diǎn)坐標(biāo) 中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)處隨著時(shí)間的過去的所述部件的材料性質(zhì)變化。
[0008] 2.根據(jù)方案1所述的方法，其中，基于粘塑性模型計(jì)算所述時(shí)間相關(guān)的溫度信 肩、。
[0009] 3.根據(jù)方案2所述的方法，其中，所述粘塑性模型包括沉淀硬化項(xiàng)和沉淀軟化項(xiàng) 中的至少一項(xiàng)，以此來量化所述時(shí)間相關(guān)的溫度信息。
[0010] 4.根據(jù)方案3所述的方法，其中，在以下方程中量化所述粘塑性模型的沉淀硬化 項(xiàng)和沉淀軟化項(xiàng)中的所述至少一項(xiàng)：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種計(jì)算地模擬在鋁合金鑄造部件中的材料性質(zhì)變化的方法，所述方法包括： 配置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、至少一個(gè)處理單元、以及包含數(shù)據(jù)的存 儲(chǔ)器與包含指令的存儲(chǔ)器中的至少一個(gè)，它們是通過數(shù)據(jù)通信路徑相互合作的； 作為對所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入接收與所述部件的幾何形狀對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息； 作為對所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入從與所述合金對應(yīng)的材料性質(zhì)數(shù)據(jù)庫接收材料性質(zhì)信 息； 作為對所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入接收與預(yù)期在所述部件的操作期間遇到的至少一種環(huán) 境狀況對應(yīng)的時(shí)間相關(guān)的溫度信息；以及 通過基于至少一種本構(gòu)關(guān)系和所述時(shí)間相關(guān)的溫度信息的算法，確定在所述節(jié)點(diǎn)坐標(biāo) 中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)處隨著時(shí)間的過去的所述部件的材料性質(zhì)變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，基于粘塑性模型計(jì)算所述時(shí)間相關(guān)的溫度信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述粘塑性模型包括沉淀硬化項(xiàng)和沉淀軟化項(xiàng) 中的至少一項(xiàng)，以此來量化所述時(shí)間相關(guān)的溫度信息。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在以下方程中量化所述粘塑性模型的沉淀硬化 項(xiàng)和沉淀軟化項(xiàng)中的所述至少一項(xiàng)：
其中，r,gj)、cyij)和c. )被稱為速度修正的溫度相關(guān)的系數(shù)、剪切 模量力、應(yīng)變率f和溫度相關(guān)的剪切模量#(r)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述粘塑性模型包括流動(dòng)法則、拖拽應(yīng)力演化因 子和反應(yīng)力演化因子中的至少一個(gè)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，與所述本構(gòu)關(guān)系相關(guān)的函數(shù)選自由溫度、時(shí)間、 微觀結(jié)構(gòu)變化、應(yīng)變和應(yīng)變率所組成的組。
7. -種對鑄造鋁合金部件進(jìn)行材料性質(zhì)分析的方法，所述方法包括： 配置計(jì)算機(jī)，以包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、處理單元、存儲(chǔ)器單元和用于所述數(shù)據(jù)輸入、 所述數(shù)據(jù)輸出、所述處理單元和所述存儲(chǔ)器單元之間的合作的通信路徑；以及 將與所述部件的幾何表示對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息接受到所述計(jì)算機(jī)中； 從材料性質(zhì)數(shù)據(jù)庫將材料性質(zhì)信息接受到所述計(jì)算機(jī)中； 將與在其預(yù)期使用壽命期間的所述部件對應(yīng)的時(shí)間相關(guān)的溫度信息接受到所述計(jì)算 機(jī)中； 利用與所述計(jì)算機(jī)合作的算法，以確定在每個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)隨著時(shí)間的過去的所述部件的 材料性質(zhì)變化，所述算法包括與所述時(shí)間相關(guān)的溫度信息合作的至少一個(gè)本構(gòu)關(guān)系；以及 基于由所述算法確定的所述變化將至少一個(gè)更新的材料性質(zhì)分配給所述部件的所述 幾何表示內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，基于粘塑性模型計(jì)算所述時(shí)間相關(guān)的溫度信息。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，在以下方程中量化所述粘塑性模型的沉淀硬化 項(xiàng)和沉淀軟化項(xiàng)中的所述至少一項(xiàng)：
其中，c.yw)和c/m(fr)被稱為速度修正的溫度相關(guān)的系數(shù)、剪切 模量抑、應(yīng)變率f和溫度相關(guān)的剪切模量#(T)。
10.-種包括計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)的制品，所述計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)具有包含在其中的計(jì)算機(jī) 可讀程序代碼，用于預(yù)測鑄造鋁合金部件的時(shí)間相關(guān)的材料性質(zhì)，所述制品中的所述計(jì)算 機(jī)可讀程序代碼包括： 用于使所述計(jì)算機(jī)接受與所述部件的幾何表示對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息的計(jì)算機(jī)可讀程序代 碼部分； 用于使所述計(jì)算機(jī)接受對于與所述部件對應(yīng)的鋁合金材料的材料性質(zhì)信息的計(jì)算機(jī) 可讀程序代碼部分；以及 用于使所述計(jì)算機(jī)使用所述材料性質(zhì)信息、時(shí)間相關(guān)的溫度信息和至少一個(gè)本構(gòu)方程 以近似在所述部件的接受所述節(jié)點(diǎn)信息的多個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)處的更新的材 料性質(zhì)的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼部分。
【專利摘要】本發(fā)明涉及考慮在使用期間的材料性質(zhì)變化的改進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性。一種計(jì)算地確定用于鑄造鋁合金部件的材料性質(zhì)變化的方法。確定的準(zhǔn)確度通過考慮在部件的預(yù)期使用壽命期間的材料性質(zhì)變化而實(shí)現(xiàn)。在一種形式中，方法包括接受時(shí)間相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)與一個(gè)或多個(gè)本構(gòu)關(guān)系結(jié)合使用，以量化各種溫度范圍或條件對可熱處理的部件和合金的性質(zhì)的影響。有限元節(jié)點(diǎn)分析可用作該方法的一部分，以將計(jì)算的材料性質(zhì)映射在節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上，同時(shí)粘塑性模型可用于確定沉淀硬化和沉淀軟化效應(yīng)，以此來模擬材料的時(shí)間和溫度相關(guān)性。結(jié)合的方法可用于確定在由這樣的材料制成的鑄造部件的預(yù)期使用壽命期間的材料性質(zhì)。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104809263
【申請?zhí)枴緾N201510040505
【發(fā)明人】王 Q., R. 赫斯 D., J. 沃克 M., W. 多蒂 H., 肖 B.
【申請人】通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年1月27日
【公告號】DE102015100742A1, US20150213164