专利名称：模拟水淬火期间的铝铸件的瞬时热传递和温度分布的方法
技术领域：
本发明总体涉及用于精确地计算铝合金的瞬时热传递和温度分布的方法，更具体地，涉及用于计算在水淬火期间的铸造铝合金的瞬时热传递和温度分布的方法。
背景技术：
铝合金铸件广泛用于汽车工业以减小重量并改进燃料效率。为了改进机械性能， 铝铸件经常受到全T6/T7温度处理，其包括以相对高温的固溶处理，在例如水的冷介质中淬火，然后在中间温度时效硬化。大量残余应力能够在铝铸件淬火时(尤其是在水中)在铝祷件中产生。如 2007 年在 Metallurgical and Materials Transactions B, 38(4) pp. 505-515 上的 Li, P. , Mai jer, D. Μ. , Lindley, Τ. C.的 “Simulating the Residual Stress in An A356 Automotive Wheel and its Impact on Fatigue Life，，;2009年在 SAE International Journal of Materials & Manufacturing， 1(1) pp. 725-731 JlStJ Li, K. , Xiao, B.禾口 Wang, Q.的"Residual in As-Quenched Aluminum Castings，，。残余应力的存在，尤其是拉伸残余应力的存在会对结构部件的性能产生很大的不利影响。在很多情况下，高拉伸残余应力还会导致部件的严重扭曲，并且它们甚至会导致淬火期间或随后的制造工艺期间的破裂。如 2007 年的 Metallurgical and Materials Transactions B, 38(4) pp. 505-515 上的 Li, P. , Mai jer, D. Μ. , Lindley, Τ. C.的 “Simulating the Residual Stress in An A356 Automotive Wheel and Its Impact on Fatigue Life，，;2005 年的 Elsevier Butterworth-Heinemann, pp. 402 上的 Lee, Y. L. , Pan, J. , Hathaway, R.的"Fatigue Testing and Analysis: Theory and Practice，，。铸造铝部件在淬火期间产生的残余应力和扭曲量显著地取决于淬火期间的淬火速度和铸造的温度分布的不均勻程度。淬火期间铝铸件的热传递包含传导、对流、辐射甚至相变，这取决于淬火介质。在水淬火工艺中，铝铸件的热传递包含至少三个主要阶段，其包括膜状沸腾(1)，泡核沸腾(2)和对流(3)，如
图1所示。如2002年的McGraw-Hill，New York, pp. 665 上的 Holman, J. P.的"Heat Transfer，，。这些阶段的每个都具有非常不同的特性。第一阶段冷却的特征在于在部件周围形成气相膜(蒸气)。这是相对缓慢的冷却时段，在这期间热传递由辐射和通过气相(蒸气)覆盖层发生。然而，随着气相(蒸气)膜的厚度增加，稳定的蒸气膜最终破坏，并且水与热金属表面接触，导致泡核沸腾和高热排热速度。随着连续沸腾，金属表面温度快速降低到沸腾停止的点并且热量通过对流到水中而除去。结果，在该阶段期间热量被非常缓慢地除去。图2示出了热传递速度α和温差Δ T之间的一般关系(淬火工艺在箭头方向上进行(从右到左))。当热金属表面在淬火开始时接触水时，△ T太高使得蒸气产生变得太快并且大部分金属表面被蒸气泡覆盖(膜状沸腾(1))。结果，没有更多与金属表面直接接触的水被搅动。因此，产生了不良影响(因为低α蒸气，热传递速度是水的1/20)并且其变成金属表面和蒸气之间主要通过对流的热传递的问题。随着蒸气覆盖层厚度的增加和ΔΤ的减小，相对缓慢的冷却继续，如图2所示。当α和(1在α-Δ T曲线(图2)中降低到点a，稳
8定的蒸气膜最终破坏，并且水与热铸造表面直接接触，导致泡核沸腾(2)和排热速度的快速增加(在图2中α-ΔΤ曲线的3到力之间)。在该阶段，水完全被产生的蒸气泡搅动。最大热传递通过增加的α和减小的ΔΤ的组合效果在α-ΔΤ曲线中的点力达到。在点办之后，沸腾继续但是变得轻微，并且金属表面温度快速降低。结果，搅动和热传递速度α在图2的α-ΔΤ曲线中随着b_c剧烈减小。当铸件表面温度降低到一定点时，沸腾停止，并且热量通过对流(3)到水中而除去。在这种情况下，热传递速度α较低。因为沸腾现象太复杂，即使利用了最先进精密的计算流体动力学(CFD)算法，沸腾热传递的理论分析长期都是一个有挑战性的问题。尽管α或^？在ΔΤ上的关联函数在图 2中展示，其中a和力是7的最小和最大值的点，曲线的abc部分(将在后面讨论)太不稳定使得难以在实际中获得。膜状沸腾
膜状沸腾能够作为单相边界问题来处理。如1984年的hternational Journal of Heat and Mass Transfer, 27(7) pp. 959-970 Nukiyama, S.的 “The Maximum and Minimum Values of the Heat Q Transmitted from Metal to Boiling Water Under Atmospheric Pressured膜状沸腾期间的热传递简单描述为 ^= ΦΤ) (Tmetal > 约 500°C)(1)
其中7是每单位时间每单位面积从铸件表面传递到水的热量；α是传热系数，ΔΤ是铸件表面和水之间的温差，如图3所示。对于在540°C固溶处理的然后在水(<100°C)中淬火的铸造铝部件，膜状沸腾在相对高温(>50(TC)发生。泡核沸腾
在泡核沸腾期间的热传递能够基于经验公式计算
q =ClIKTf2 (Tmetal〈约 500°C)(2)
其中C1和C2是常数，其能够以材料和淬火条件校准，如图3所示。如1952年的Trans. ASME vol. 74，969-976 上的 Rohsenow, W.的"A method of correlating heat transfer data for surface boiling of liquids，，。由于相变，尤其是泡成核和相互作用的复杂性在水淬火中的铸造铝合金的热传递的精确建模保持了极大的挑战性。在计算热传递和界面热传递系数的文献中报告了很多经典经验公式。然而，它们的应用非常有限，因为它们中的大部分在某些特定实验条件下被校准，这会与实际生产情况有很大不同。近年来，流体流和热传递的CFD模拟已经取得了很大进步。但是，在水淬火期间的铝铸件的热传递和温度分布的当前CFD预测是不精确的，因为水和热铝铸件之间的复杂的相互作用和热传递现象不能完全地被理解并在最先进的流体流和热传递代码中展现。图4A-B示出了使用最先进的流体流和热传递代码相比于实验测量在热模拟中观察的显著差异的例子。为了精确地预测在淬火期间铸造铝部件中诱发的残余应力和扭曲量以及淬火的铸造铝部件在维修期间的机械性能和耐用性，至关重要的是理解热传递并计算在铸件淬火期间精确的温度分布。因此，需要开发改进的方法和系统，其能够精确地预测在水淬火期间铸造铝部件中的热传递和温度分布。
发明内容
本发明提供了改进的计算流体动力学方法和技术以精确地模拟在淬火期间从热 铸造铝部件到水的热传递。本发明可用于所有可时效硬化的铝合金，其包括锻造和铸造铝
合金 o对于铸造铝合金，发现了来自泡核沸腾，尤其是来自过渡沸腾的热传递是主导的。 然而，通过膜状沸腾的热传递是非常有限的，如图5A所示的。在铸件淬火期间从位置到另 一位置的大量热通量和冷却速度变化能够归因于泡形成，运动及其相互作用。在过渡阶段期间从热铸造铝部件传递到水的热通量能够通过图6所示的两个函 数描述ー个称作“临界点函数”，其定义了最大热通量‘(公式3)，另ー个称作过渡沸腾 函数(公式4)。本发明的ー个方面涉及ー种用于估算在铝零件的水淬火期间的热传递的方法，所 述方法包括
当零件的温度大于500°C吋，使用下列公式估算所述铝零件的热传递
权利要求
1. 一种用于估算在铝零件的水淬火期间的热传递的方法，包括 当零件的温度大于500°C时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递 q = a{hT)(1)；当零件的温度大于T2且小于500°C时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递 q ^klKIk2(4)；当零件的温度大于T1且小于T2时，使用从下列公式选择的临界点函数公式估算所述铝零件的热传递
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述临界点函数公式为
3.一种预测淬火的铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的系统，所述系统包括信息输入部，其配置成接收信息，该信息与在铝铸件淬火期间所述铝铸件的至少一个节点和元件的多个中的至少一个相关；信息输出部，其配置成传送信息，该信息与由所述系统预测的所述铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者相关；处理单元；以及计算机可读介质，所述计算机可读介质包括编入其中的计算机可读程序代码，所述计算机可读介质与所述处理单元，所述信息输入部和所述信息输出部协作，使得所接收的信息由所述处理单元和计算机可读程序代码操作从而作为所述铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者提供到所述信息输出部，所述计算机可读程序代码包括流体流模拟模块， 湍流沸腾流模块和热传递模块，其中所述流体流模拟模块模拟所述铝铸件复制的虚拟铝铸件的淬火工艺和所述铝铸件的淬火，所述虚拟铝铸件包括与所述铝铸件的表面几何形状相关的至少一个虚拟表面节点和元件的多个，所述虚拟铝铸件分别包括至少一个空间节点和元件的多个；所述湍流沸腾流模块模拟液相的速度分布，压力分布和蒸气/水相的相互作用中的一个或多个；所述热传递模块计算相应的虚拟表面节点和元件特定的多个热传递系数； 当零件的温度大于500°C时，所述热传递模块使用下列公式估算所述铝零件的热传递
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述临界点函数公式为
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所接收的信息包括与所述铝铸件的多个材料属性的至少一个相关的信息。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述材料属性包括密度，热导率和粘度。
7.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述湍流沸腾流模块使用下列公式计算所述湍流沸腾流
8.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述虚拟铝铸件的虚拟表面元件和节点包括所述虚拟铝铸件的至少一个顶表面，至少一个侧表面，和与淬火方向相关的所述虚拟铝铸件的至少一个底表面。
9.一种预测铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的方法，所述方法包括提供所述铝铸件，所述铝铸件包括至少一个节点和元件的多个中的至少一个，并且所述铝铸件已经通过淬火工艺淬火；模拟所述铝铸件复制的虚拟铝铸件的淬火工艺和所述铝铸件的淬火，其中所述虚拟铝铸件包括与节点相关的多个虚拟表面区域的至少一个，以及所述铝铸件的元件，所述虚拟表面区域分别包括多个空间元件，所述空间元件分别包括多个节点； 计算相应的虚拟节点和元件的湍流沸腾流； 当零件的温度大于500°C时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递q = α.(ΔΓ)(1)；当零件的温度大于T2且小于500°C时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递
10. 一种预测铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的制品，所述制品包括信息输入部，信息输出部和至少一个计算机可用介质，其中信息输入部配置成接收信息，该信息与在铝铸件淬火期间所述铝铸件的至少一个节点和元件的多个中的至少一个相关；信息输出部配置成传送信息，该信息与由所述制品预测的所述铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者相关；计算机可用介质，所述计算机可用介质包括编入其中的计算机可读程序代码装置，其用于模拟所述铝铸件复制的虚拟铝铸件的淬火和所述铝铸件的淬火，所述虚拟铝铸件包括与所述铝铸件的至少一个节点和元件相关的多个虚拟表面节点和元件的至少一个，所述虚拟表面区域分别包括多个空间元件，虚拟空间元件分别包括多个节点；所述计算机可用介质包括编入其中的计算机可读程序代码装置，其用于计算湍流沸腾流；所述计算机可用介质包括编入其中的计算机可读程序代码装置，其用于 当零件的温度大于500°C时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递
全文摘要
本发明涉及模拟水淬火期间的铝铸件的瞬时热传递和温度分布的方法。具体地，本发明涉及用于估算在铝零件的水淬火期间的热传递的方法，所述方法包括当零件的温度大于500℃时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递(1)；当零件的温度大于T2且小于500℃时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递(4)；当零件的温度大于T1且小于T2时，使用从下列公式选择的临界点函数公式估算所述铝零件的热传递(3)，(6)，)(7)，)(8)，或(9)；当零件的温度小于T1时，使用下列公式估算所述铝零件的热传递(5)。还公开了预测淬火的铝铸件的瞬时热传递或温度分布，或者其二者的系统，方法和制品。
文档编号C22F1/04GK102375931SQ20111023106
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月12日 优先权日2010年8月13日
发明者张 C-C., 西瓦库马 J., R. 哈珀 M., 王 Q. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司