[發明專利]考慮在使用期間的材料性質變化的改進的產品設計可靠性

在審

• 申請號: 201510040505.5
• 申請日: 2015-01-27
• 公開（公告）號: CN104809263A
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發明（設計）人: Q.王;D.R.赫斯;M.J.沃克;H.W.多蒂;B.肖
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 代易寧;胡斌

技術領域

本發明總體上涉及一種在鑄造部件的使用期間的材料性質變化，并且尤其地涉及通過考慮在鑄造部件的預期使用壽命期間的材料性質變化的改進的產品設計可靠性與耐久性分析準確度。

背景技術

用于制造鑄造汽車發動機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Al)和合金356(按重量的標稱成分為：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Al)。與319和356類似的鋁合金通常通過使它們經受三個主要階段而在使用之前被熱處理成T6或T7狀況：(1)在低于合金的熔點的相對高的溫度的固溶處理，常常持續超過8小時或更長，以溶解其合金(溶質)元素并使微觀結構均勻或改變；(2)諸如通過冷或熱水、強制通風等的快速冷卻或淬火，以保持過飽和固溶體中的溶質元素(其中，這兩個步驟也被定義為T4)；以及(3)通過以適合通過沉淀實現硬化或強化的中間溫度將合金保持一段時間的人工時效(T5，其是在沒有固溶處理的情況下的時效)。T4固溶處理提供三個主要用途：(1)稍后將引起時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)中的溶質元素，并且還用于形成增強沉淀物的擴散和分散的空位的過飽和，同時時效(自然或T5人工變體)形成強化沉淀物的受控分散。

由熱處理的鋁基鑄件制成的部件(例如，除前述氣缸蓋和發動機缸體之外，還有渦輪增壓器殼體)由于熱效應而在使用期間改變性質。實際上，在使用中的性質變化能顯著改變預測部件壽命和可靠性的能力，其中，在當前的產品設計和耐久性分析方法中不考慮這樣的制造后的材料性質變化。在一個示例中，由這樣的鋁合金制成的發動機缸體和尤其是氣缸蓋在發動機操作期間可經受時效硬化或軟化，使得它們在使用中隨著時間的過去經歷熱機械疲勞(TMF)。該問題在遇到暴露于高溫的高性能發動機應用(諸如由于其接近廢氣、機油、冷卻劑等)中尤其嚴重。鑄造部件目前的耐久性分析和壽命預測(諸如疲勞分析或相關的壽命預測)方法常常訴諸于作出簡化假設——諸如恒定的材料性質——其實際上不能表示隨著時間的過去發生的這些材料性質變化；基于這樣的假設的分析隨著部件使用時間延長而受不準確度影響。

發明內容

本發明的一個方面涉及一種方法，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的(即，時間相關的)溫度分布并入非線性的可熱處理的鋁鑄本構行為來確定鑄鋁部件的在使用中的材料性質變化。在本發明中，傳統的本構模型(其僅考慮應變和熱(蠕變)效應)通過包括時間相關的材料性質變化的粘塑性模型增強，所述時間相關的材料性質變化考慮了預期可在其使用壽命期間長時間經受高溫的部件中出現的沉淀硬化和軟化。通過本發明，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的基本上連續的時效過程的仿真而精確建模。

能利用諸如基于部件使用狀況的有限元分析(FEA)的固體力學離散化技術計算使用中的瞬態溫度分布，同時，非線性本構行為可被建模為溫度、時間、微觀結構變化和甚至應變率的函數。材料本構模型(其描述由材料的內部構成引起的宏觀行為)建立為給定合金所特有的量之間的關系，以此來預測利用這樣的合金的部件對施加負載的響應。這樣的模型可被想出作為描述理想材料響應的獨立方程的建立，以此來近似與實際材料的響應相關的物理觀察。舉例來說，本構模型不僅考慮應變硬化和蠕變，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品耐久性分析準確度，改善產品設計魯棒性并減少產品設計迭代、分析成本和零件保修成本。

量化的與時間和溫度相關的節點材料性質值優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，或者以計算機可讀格式的數據，其可以由計算機可讀算法(諸如用于附加的分析調查或確定)、計算機打印輸出裝置或其他合適的裝置被隨后操作。

本發明提供以下技術方案：

1.?一種計算地模擬在鋁合金鑄造部件中的材料性質變化的方法，所述方法包括：

配置計算機系統，以包括數據輸入、數據輸出、至少一個處理單元、以及包含數據的存儲器與包含指令的存儲器中的至少一個，它們是通過數據通信路徑相互合作的；

作為對所述計算機系統的輸入接收與所述部件的幾何形狀對應的節點坐標信息；