考虑在使用期间的材料性质变化的改进的产品设计可靠性的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及一种在铸造部件的使用期间的材料性质变化，并且尤其地涉及 通过考虑在铸造部件的预期使用寿命期间的材料性质变化的改进的产品设计可靠性与耐 久性分析准确度。
【背景技术】
[0002] 用于制造铸造汽车发动机缸体和气缸盖的最常见的Al-Si基合金是可热处理的 变体，包括合金319 (按重量的标称成分为：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 (按重量的标称成分为：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)。与319和356类似的铝合金通常通过使它们经受三个主要阶段而在使用之前被热处 理成T6或17状况：（1)在低于合金的熔点的相对高的温度的固溶处理，常常持续超过8小 时或更长，以溶解其合金（溶质）元素并使微观结构均匀或改变；（2)诸如通过冷或热水、 强制通风等的快速冷却或淬火，以保持过饱和固溶体中的溶质元素（其中，这两个步骤也 被定义为T4);以及（3)通过以适合通过沉淀实现硬化或强化的中间温度将合金保持一段 时间的人工时效（T5,其是在没有固溶处理的情况下的时效）。T4固溶处理提供三个主要用 途：⑴稍后将引起时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 溶质浓度的均匀化。T4后的淬火用于保持过饱和固溶体（SSS)中的溶质元素，并且还用于 形成增强沉淀物的扩散和分散的空位的过饱和，同时时效（自然或T5人工变体）形成强化 沉淀物的受控分散。
[0003] 由热处理的铝基铸件制成的部件（例如，除前述气缸盖和发动机缸体之外，还有 涡轮增压器壳体）由于热效应而在使用期间改变性质。实际上，在使用中的性质变化能显 著改变预测部件寿命和可靠性的能力，其中，在当前的产品设计和耐久性分析方法中不考 虑这样的制造后的材料性质变化。在一个示例中，由这样的铝合金制成的发动机缸体和尤 其是气缸盖在发动机操作期间可经受时效硬化或软化，使得它们在使用中随着时间的过去 经历热机械疲劳（TMF)。该问题在遇到暴露于高温的高性能发动机应用（诸如由于其接近 废气、机油、冷却剂等）中尤其严重。铸造部件目前的耐久性分析和寿命预测（诸如疲劳分 析或相关的寿命预测）方法常常诉诸于作出简化假设--诸如恒定的材料性质--其实际 上不能表示随着时间的过去发生的这些材料性质变化；基于这样的假设的分析随着部件使 用时间延长而受不准确度影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的一个方面涉及一种方法，所述方法通过将铸造部件的在其使用寿命期间 的非均匀瞬态的（即，时间相关的）温度分布并入非线性的可热处理的铝铸本构行为来确 定铸铝部件的在使用中的材料性质变化。在本发明中，传统的本构模型（其仅考虑应变和 热（蠕变）效应）通过包括时间相关的材料性质变化的粘塑性模型增强，所述时间相关的 材料性质变化考虑了预期可在其使用寿命期间长时间经受高温的部件中出现的沉淀硬化 和软化。通过本发明，热处理材料的这些延长的高温状况能通过与部件的这样的长期操作 相关的基本上连续的时效过程的仿真而精确建模。
[0005] 能利用诸如基于部件使用状况的有限元分析（FEA)的固体力学离散化技术计算 使用中的瞬态温度分布，同时，非线性本构行为可被建模为温度、时间、微观结构变化和甚 至应变率的函数。材料本构模型（其描述由材料的内部构成引起的宏观行为）建立为给定 合金所特有的量之间的关系，以此来预测利用这样的合金的部件对施加负载的响应。这样 的模型可被想出作为描述理想材料响应的独立方程的建立，以此来近似与实际材料的响应 相关的物理观察。举例来说，本构模型不仅考虑应变硬化和蠕变，而且考虑沉淀物硬化或软 化。明显地，这样的方法能帮助改善产品耐久性分析准确度，改善产品设计鲁棒性并减少产 品设计迭代、分析成本和零件保修成本。
[0006] 量化的与时间和温度相关的节点材料性质值优选地被译成用户就绪格式，诸如 适合人读取或观看的打印输出，或者以计算机可读格式的数据，其可以由计算机可读算法 (诸如用于附加的分析调查或确定）、计算机打印输出装置或其他合适的装置被随后操作。
[0007] 本发明提供以下技术方案： 1. 一种计算地模拟在铝合金铸造部件中的材料性质变化的方法，所述方法包括： 配置计算机系统，以包括数据输入、数据输出、至少一个处理单元、以及包含数据的存 储器与包含指令的存储器中的至少一个，它们是通过数据通信路径相互合作的； 作为对所述计算机系统的输入接收与所述部件的几何形状对应的节点坐标信息； 作为对所述计算机系统的输入从与所述合金对应的材料性质数据库接收材料性质信 息； 作为对所述计算机系统的输入接收与预期在所述部件的操作期间遇到的至少一种环 境状况对应的时间相关的温度信息；以及 通过基于至少一种本构关系和所述时间相关的温度信息的算法，确定在所述节点坐标 中的每个节点坐标处随着时间的过去的所述部件的材料性质变化。
[0008] 2.根据方案1所述的方法，其中，基于粘塑性模型计算所述时间相关的温度信 肩、。
[0009] 3.根据方案2所述的方法，其中，所述粘塑性模型包括沉淀硬化项和沉淀软化项 中的至少一项，以此来量化所述时间相关的温度信息。
[0010] 4.根据方案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 项和沉淀软化项中的所述至少一项：
【主权项】
1. 一种计算地模拟在铝合金铸造部件中的材料性质变化的方法，所述方法包括： 配置计算机系统，以包括数据输入、数据输出、至少一个处理单元、以及包含数据的存 储器与包含指令的存储器中的至少一个，它们是通过数据通信路径相互合作的； 作为对所述计算机系统的输入接收与所述部件的几何形状对应的节点坐标信息； 作为对所述计算机系统的输入从与所述合金对应的材料性质数据库接收材料性质信 息； 作为对所述计算机系统的输入接收与预期在所述部件的操作期间遇到的至少一种环 境状况对应的时间相关的温度信息；以及 通过基于至少一种本构关系和所述时间相关的温度信息的算法，确定在所述节点坐标 中的每个节点坐标处随着时间的过去的所述部件的材料性质变化。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，基于粘塑性模型计算所述时间相关的温度信息。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述粘塑性模型包括沉淀硬化项和沉淀软化项 中的至少一项，以此来量化所述时间相关的温度信息。
4. 根据权利要求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 项和沉淀软化项中的所述至少一项：
其中，r,gj)、cyij)和c. )被称为速度修正的温度相关的系数、剪切 模量力、应变率f和温度相关的剪切模量#(r)。
5. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述粘塑性模型包括流动法则、拖拽应力演化因 子和反应力演化因子中的至少一个。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，与所述本构关系相关的函数选自由温度、时间、 微观结构变化、应变和应变率所组成的组。
7. -种对铸造铝合金部件进行材料性质分析的方法，所述方法包括： 配置计算机，以包括数据输入、数据输出、处理单元、存储器单元和用于所述数据输入、 所述数据输出、所述处理单元和所述存储器单元之间的合作的通信路径；以及 将与所述部件的几何表示对应的节点信息接受到所述计算机中； 从材料性质数据库将材料性质信息接受到所述计算机中； 将与在其预期使用寿命期间的所述部件对应的时间相关的温度信息接受到所述计算 机中； 利用与所述计算机合作的算法，以确定在每个节点坐标随着时间的过去的所述部件的 材料性质变化，所述算法包括与所述时间相关的温度信息合作的至少一个本构关系；以及 基于由所述算法确定的所述变化将至少一个更新的材料性质分配给所述部件的所述 几何表示内的每个节点坐标。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，基于粘塑性模型计算所述时间相关的温度信息。
9. 根据权利要求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 项和沉淀软化项中的所述至少一项：
其中，c.yw)和c/m(fr)被称为速度修正的温度相关的系数、剪切 模量抑、应变率f和温度相关的剪切模量#(T)。
10.-种包括计算机可用介质的制品，所述计算机可用介质具有包含在其中的计算机 可读程序代码，用于预测铸造铝合金部件的时间相关的材料性质，所述制品中的所述计算 机可读程序代码包括： 用于使所述计算机接受与所述部件的几何表示对应的节点信息的计算机可读程序代 码部分； 用于使所述计算机接受对于与所述部件对应的铝合金材料的材料性质信息的计算机 可读程序代码部分；以及 用于使所述计算机使用所述材料性质信息、时间相关的温度信息和至少一个本构方程 以近似在所述部件的接受所述节点信息的多个节点坐标中的每个节点坐标处的更新的材 料性质的计算机可读程序代码部分。
【专利摘要】本发明涉及考虑在使用期间的材料性质变化的改进的产品设计可靠性。一种计算地确定用于铸造铝合金部件的材料性质变化的方法。确定的准确度通过考虑在部件的预期使用寿命期间的材料性质变化而实现。在一种形式中，方法包括接受时间相关的温度数据，并将该数据与一个或多个本构关系结合使用，以量化各种温度范围或条件对可热处理的部件和合金的性质的影响。有限元节点分析可用作该方法的一部分，以将计算的材料性质映射在节点基础上，同时粘塑性模型可用于确定沉淀硬化和沉淀软化效应，以此来模拟材料的时间和温度相关性。结合的方法可用于确定在由这样的材料制成的铸造部件的预期使用寿命期间的材料性质。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104809263
【申请号】CN201510040505
【发明人】王 Q., R. 赫斯 D., J. 沃克 M., W. 多蒂 H., 肖 B.
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年1月27日
【公告号】DE102015100742A1, US20150213164