[發(fā)明專利]鑄鋁構(gòu)件中的殘余應(yīng)力和變形的快速分析

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510303022.X
• 申請(qǐng)日: 2015-06-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105183928A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-12-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: Q.王;Y.王;Z.高;Z.權(quán)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50;G06N3/02
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 崔幼平;董均華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明大體上涉及計(jì)算和預(yù)測(cè)在淬火或冷卻過(guò)程期間鑄鋁構(gòu)件中的殘余應(yīng)力和變形，并且更具體地涉及快速地執(zhí)行此計(jì)算和預(yù)測(cè)使得在不使用常規(guī)的時(shí)間密集預(yù)測(cè)方法的情況下獲得準(zhǔn)確結(jié)果。

背景技術(shù)

隨著對(duì)減輕重量和改善汽車燃料效率的需求增長(zhǎng)，鋁鑄件更廣泛用于關(guān)鍵的汽車構(gòu)件，如，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、氣缸蓋和懸架部分。此鋁鑄件通常經(jīng)歷循環(huán)負(fù)載從而在設(shè)計(jì)此構(gòu)件時(shí)必須考慮疲勞性能。這些疲勞特性總體上可顯著地且不利地由殘余應(yīng)力(即，在制造、處理等之后保留在構(gòu)件中的那些)的存在影響，且尤其由表面層中的拉伸殘余應(yīng)力影響，包括圍繞圓角、尖角等的那些。這些應(yīng)力可源于多種來(lái)源。例如，宏觀殘余應(yīng)力可由熱處理、機(jī)加工、輔助熱和機(jī)械處理和組裝程序引起，而微觀結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力通常由相位與組分之間的熱膨脹或收縮失配以及從相變引起。

鋁鑄件通常經(jīng)歷T6/T7熱處理以提高其機(jī)械特性；此類處理大體上包括在相對(duì)高溫度下的溶液處理，隨后是冷或冷卻介質(zhì)(如，水或強(qiáng)制空氣)中的快速淬火，然后在中等溫度下時(shí)效硬化。大的殘余應(yīng)力和變形可尤其出現(xiàn)在具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的那些鑄件中，因?yàn)榈湫偷卦诖慊疬^(guò)程期間鑄件中的溫度分布的高不均勻性；此不均勻性尤其在快速淬火期間明顯。在任何情況下，鋁基鑄件中的殘余應(yīng)力、變形等的存在可顯著地和不利地影響所制造構(gòu)件的尺寸公差和隨后的性能。

通常可確定所制造構(gòu)件中的殘余應(yīng)力水平，以及測(cè)量此構(gòu)件中的這些應(yīng)力的各種方式。機(jī)械技術(shù)如鉆孔、曲率測(cè)量和裂紋柔度方法是測(cè)量此類應(yīng)力的一些方式，衍射技術(shù)，如，電子、X射線和中子，以及磁性、超聲波、壓電頻譜、光測(cè)彈性和熱測(cè)彈性技術(shù)也是（測(cè)量此類應(yīng)力的一些方式）。然而，機(jī)械技術(shù)通常破壞構(gòu)件，而衍射和其它非破壞性技術(shù)測(cè)量殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確性大體上取決于構(gòu)件結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)變化和幾何復(fù)雜性的程度。此外，大體上難以測(cè)量構(gòu)件的每個(gè)位置中的殘余應(yīng)力，不但因?yàn)閹缀渭s束，而且因?yàn)檫@樣做需要的時(shí)間和成本。

計(jì)算模擬是預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力的一種替代方式，其中分析或數(shù)值方法可用于替代上文提到的機(jī)械或非破壞性方法。有限元分析(FEA)為一種常規(guī)數(shù)值方法，其中闡釋連續(xù)介質(zhì)的機(jī)械性質(zhì)的大型偏微分方程可被建模作為介質(zhì)內(nèi)的離散點(diǎn)的集合。以良好的準(zhǔn)確性執(zhí)行殘余應(yīng)力和變形預(yù)測(cè)的一種此類系統(tǒng)可在由本發(fā)明的受讓人擁有且通過(guò)引用并入本文中的題為METHODSOFPREDICTINGRESIDUALSTRESSESANDDISTORTIONINQUENCHEDALUMINUMCASTINGS的美國(guó)專利8,214,182中找到。

取決于被建模的構(gòu)件的復(fù)雜性，基于FEA的模擬需要非常長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間(通常以數(shù)小時(shí)或甚至數(shù)天計(jì))，以確定已經(jīng)經(jīng)歷上述冷卻步驟的鑄鋁構(gòu)件中的殘余應(yīng)力。將有利的是如果此計(jì)算可快速完成-具體地?cái)?shù)分鐘，以便加快此構(gòu)件的早期設(shè)計(jì)過(guò)程迭代周轉(zhuǎn)，以及縮短和降低這些構(gòu)件的開(kāi)發(fā)周期的成本(這可包括汽車構(gòu)件，如，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、氣缸蓋和需要熱處理的其它鋁鑄件)。

發(fā)明內(nèi)容

與以上背景相反，本發(fā)明的實(shí)施例大體上涉及比通過(guò)常規(guī)基于FEA的方法更快地預(yù)測(cè)淬火鋁鑄件的殘余應(yīng)力和/或變形、同時(shí)保持預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的系統(tǒng)、方法及制品。如本文使用的用語(yǔ)鋁鑄件及其變型大體上是指大致由鋁或其合金構(gòu)成的任何鑄造構(gòu)件、部件或其它制品。當(dāng)前公開(kāi)的鋁鑄件分析方法的快速本質(zhì)通過(guò)使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN，本文中也簡(jiǎn)單地稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))，且更具體而言多層前饋(MFF，也稱為前饋)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，其使用連同部分的復(fù)雜FEA模型預(yù)測(cè)的分析殘余應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)，(a)幾何信息如曲率和最大二面角，(b)拓?fù)?即，地形)特征如節(jié)點(diǎn)相鄰?fù)負(fù)洌约?c)淬火參數(shù)如淬火溫度和淬火介質(zhì)。顯著地，本發(fā)明利用了以下事實(shí)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用訓(xùn)練方法，使得可學(xué)到應(yīng)力和變形預(yù)測(cè)計(jì)算；一旦訓(xùn)練好網(wǎng)絡(luò)，則其可通過(guò)輸入數(shù)據(jù)集上的簡(jiǎn)單直接算術(shù)操作來(lái)在微不足道的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生計(jì)算輸出，從而避免與常規(guī)分析工具相關(guān)聯(lián)的顯著延遲。