用于铸造铝合金的材料性质预测器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体涉及铸造部件的预测的机械性质，以及更具体地涉及来提供基于这类 部件的性质要求产生铸造铝合金部件的热力学、热物理和机械材料性质的集成计算方式的 系统、方法和制品。
【背景技术】
[0002] 许多关键结构应用采用铸造部件或产品。对于汽车和相关运输系统尤其是这样， 其中，发动机、变速器、悬架系统、主要承重结构、座椅部件或内部支撑结构等均受益于与铸 造相关的低成本制造。与其它制造工艺相比，铸造工艺通常是生产几何形状复杂的部件和 提供净成形或近净成形能力的最高成本效益的方法。这类铸造工艺在与轻质结构材料(例 如基于铝的合金)结合使用时尤其有益，其中，高的强度-重量比、良好的耐腐蚀性和相对低 的原材料成本是有用的设计参数。
[0003] 在基于计算机的工具的相对近期的发展已经能够改进通过铸造制造的部件的 部件设计。计算机辅助工程（CAE)(其还可包括计算机辅助分析（CAA)、计算机辅助设计 (CAD)、计算机辅助制造（CAM)、计算机辅助规划（CAP)、计算机集成制造（CIM)、材料需求规 划（MRP)等)不仅能够用于预测如何设计和制造复杂铸造部件，还能预测部件将如何在其目 标操作环境中实施。
[0004] 人们已经努力集成这些传统上离散的独立规则中的一些，以作为缩短长铸造发展 循环以及提高铸造质量、可靠性和部件完整性的其它指示的方式。此类的一种努力称作集 成计算材料工程（ICME)，其致力于采用基于计算机的工具，以通过将工艺和结构与它们相 应的性质联系起来以在进行任何实际制造行动之前计算仿真部件的性能，由此改进铸造部 件的开发。尽管ICME和相关方法具有这些优点，但必须仍对铸造设计、工艺模拟和优化以 及缺陷、微结构和产品性能的预测进行初始简化假设。尤其存在问题的是常规上假设某些 性质(例如，材料性质)在被仿真的物体中是大体均匀的。但是遗憾的是，许多这类物体的材 料性质不具有这种均匀性，尤其是那些形状非常复杂或部件厚度显著不同的物体。例如，汽 车发动机机体具有许多厚区域和薄区域，这妨碍了评估材料性质和准确地进行相关耐用性 和寿命预测分析的能力。忽略特定铸造构型产生的材料性质变化的效果体现了自身在铸造 工艺仿真(包括确定长期部件耐用性预测）中的不准确性。
[0005] 因此，缺少准确地考虑铸造工艺模拟的材料性质的系统、方法和制品。同样，能够 基于对这些基础材料性质的更好的预测改进用于进行铸造铝部件耐用性分析的CAE和相 关分析方法。
【发明内容】
[0006] 本发明能够更准确地预测材料性质，这可用于铸造工艺仿真研究。本发明容许建 模者结合来自各种数据库的性质，包括但不限于材料性质数据库、热力学数据库以及缺陷 和微结构数据库，各种集成模块预测选定的将在铸造操作中用于制造特定部件的基于铝的 材料的性质。
[0007] 根据本发明的一个方面，公开了一种用于预测铸造铝部件中所使用的材料的性质 的装置。所述装置包括由通过数据通信路径彼此协作的数据输入、数据输出、一个或更多个 处理单元以及一个或更多个包含数据存储器和包含指令存储器组成的计算元件。各种功 能（即，计算）模块配置成与这些计算元件中的一个或更多个可编程地协作，使得当接收到 与所述部件、铸造工艺和模制材料中的一个或更多个相关的数据时，所述装置将所述数据 提交至功能模块，以便所产生的输出数据提供被选择用于特定部件和工艺的材料的性能指 示。所述模块至少包括但不限于：（1)热力学计算模块，（2)热物理性质模块，（3)机械性质 模块，以及（4)材料选择/合金设计模块。
[0008] 根据本发明的另一方面，公开了一种制品。所述制品包括其中包含计算机可读程 序代码的计算机可用介质，用于多个模块彼此可编程地协作以产生用于待模制的特定铸造 部件的铸造设计、铸造工艺仿真以及CAE节点性质映射和耐用性分析中的一个或更多个的 基于铝的合金的各种材料性质（包括热力学、热物理和机械性质）。所述模块类似于上文结 合之前的方面所论述的那些。
[0009] 根据本发明，其还存在以下技术方案： 1. 一种用于预测铸造铝部件中所使用的材料的性质的装置，所述装置包括： 通过数据通信路径彼此协作的数据输入、数据输出、至少一个处理单元，以及包含数据 存储器和包含指令存储器中的至少一个； 多个计算模块，其通过所述数据通信路径与所述数据输入、数据输出、处理单元和存储 器中的至少一个可编程地协作，使得当接收到与所述部件和所述材料相关的数据时，所述 装置将所述数据提交至所述多个模块，以便于所产生的输出数据由此提供所述材料的性能 指示，所述模块包括： 热力学计算模块，其配置成从热力学数据库接收与所述材料相对应的数据； 热物理性质模块，其配置成（a)从所述输入接收与所述材料相对应的数据，以及（b)与 所述热力学计算模块交换数据； 机械性质模块，其配置成（a)从所述输入接收与所述材料相对应的数据，以及（b)从下 列中至少一个接收数据：（i)铸造工艺仿真和（ii)缺陷和微结构计算；以及 材料选择或合金设计模块，其配置成（a)与所述热力学计算模块、热物理性质模块和机 械性质模块交换数据，以及（b)将与所述材料相对应的数据传送到所述输出。
[0010] 如权利要求1所述的装置，其中，所述热力学计算模块和所述热力学数据库协作 以处理选自包括平衡、局部不平衡和不平衡情况的组的多个冷却速率情况。
[0011] 如权利要求2所述的装置，其中，所述不平衡情况包括固相反扩散模型，以预测与 所述部件中的所述材料相对应的实际的相分数和相图中的至少一个。
[0012] 如权利要求3所述的装置，其中，所述平衡情况使用杠杆定律计算，并且所述局部 不平衡情况使用Schiel计算。
[0013] 如权利要求1所述的装置，其中，所述机械性质模块实施基于节点-节点的性质映 射。
[0014] 如权利要求5所述的装置，其中，所述机械性质模块进一步与配置来提供局部微 结构细度和缺陷信息的数据库协作，以提供与所述材料相对应的所述输入的实际的局部和 总体的拉伸和疲劳性质的预测。
[0015] 如权利要求1所述的装置，其中，所述热物理性质模块使用k-最近邻模型计算材 料的热性质。
[0016] 如权利要求1所述的装置，其中，所述材料选择或合金模块配置成接收选自包括 下列的组的物理和机械性质：（a)最佳铝合金成分和（b)目标物理和机械性质。
[0017] -种制品，其包括其中体现有计算机可读程序代码的计算机可用介质，用于预测 铸造铝部件中所使用的材料的性质，所述制品中的所述计算机可读程序代码包括： 用于使所述计算机从多个数据库中的至少一个接收输入信息的计算机可读程序代码 部分； 用于使所述计算机基于所述接收信息的至少一部分实施对于所述材料的至少一个热 力学计算的计算机可读程序代码部分； 用于使所述计算机基于所述接收信息的至少一部分实施对于所述材料的至少一个热 物理计算的计算机可读程序代码部分； 用于使所述计算机基于所述接收信息的至少一部分实施对于所述材料的至少一个机 械性质计算的计算机可读程序代码部分；以及 用于使所述计算机基于下列实施对于所述材料的至少一种材料选择或合金设计计算 的计算机可读程序代码部分，其基于（a)所述接收信息的至少一部分和（b)来自所述热力 学计算、热物理性质计算和机械性质计算中的至少一个的输入，使得与所述预测材料性质 相对应的数据被传送到计算机输出。
[0018] 如权利要求9所述的制品，其中，所述多个数据库包括合金成分和名称数据库、热 力学数据库、材料性质数据库以及缺陷和微结构数据库。
[0019] 如权利要求10所述的制品，其中，用于使所述计算机实施至少一个热力学计算的 所述计算机可读程序代码部分进一步包括用于预测选自包括平衡、局部不平衡和不平衡情 况的组中的多个冷却速率情况的计算机可读程序代码部分。
[0020] 如权利要求11所述的制品，其中，所述不平衡情况包括固相反扩散模型，以预测 与所述材料相对应的实际的相分数和相图中的至少一个。
[0021] 如权利要求10所述的制品，其中，用于使所述计算机实施至少一个机械性质计 算的所述计算机可读程序代码部分包括对于与所述材料相对应的部件形状实施基于节 点-节点的性质映射。
[0022] 如权利要求13所述的制品，其中，用于使所述计算机实施至少一个机械性质计算 的所述计算机可读程序代码部分进一步