预测淬火铝铸件中残余应力和变形的方法技术

本发明专利技术涉及预测淬火铝铸件中残余应力和变形的方法。具体地，公开了预测淬火铝铸件中残余应力和变形中至少一个的计算系统、方法和制造物件。通过将淬火期间引起的热应变与淬火铝铸件的淬火的微观结构的非线性本构行为结合，来预测残余应力和变形，其中热应变通常由淬火期间铸件的非均匀瞬态温度分布引起。可以基于特定于铝铸件表面上一个或多个节点、元和／或区域的热传导系数来计算淬火期间该铝铸件的瞬态温度分布。淬火铝铸件的非线性本构行为被建模为温度、应变率和微观结构变化的函数。材料的本构模型不仅解释了应变硬化和蠕变，而且解释了沉淀硬化。由此，可利用该实施例预测淬火铝铸件中的残余应力和变形。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及淬火/冷却工艺期间在包括铝合金铸件在内的铝合金中引发 的残余应力和变形。更具体地，本专利技术涉及固溶处理后预测淬火铝铸件中残余应力和变形 的系统、方法和制造物件。
技术介绍
残余应力通常定义为在制造工艺之后残留在产品/部件/物体中的应力。工程铸 件、薄膜、表面涂层、复合件和多相材料中都可能存在残余应力。残余应力可产生自多种来 源。例如，宏观残余应力可产生自热处理、机加工、二次热工艺和机械工艺、以及装配程序， 而微观结构的残余应力通常由相和成分之间的热膨胀/收缩失配引起，或者由相变引起。 制造部件，例如铝铸件，一般包括一些程度可确定的残余应力。铝铸件通常经受T6/T7热处理以提高其机械性能。T6/T7热处理一般包括在相对 较高温度下的固溶处理，随后在低温或冷却淬火介质(例如水或强迫通风空气)中的快速 淬火，以及随后在中等温度下的时效硬化。由于在淬火工艺期间特别是快速淬火(例如在 水中)期间铝铸件中通常存在高度非均勻的温度分布，所以铝铸件(特别是那些具有复杂 几何结构的铝铸件)中可能产生明显的残余应力和变形。结构部件(例如，铝铸件)中存 在的残余应力和/或变形可严重地且负面地影响部件的尺寸公差和性能。随着对降低重量 以及提高汽车燃料效率的要求不断增长，铝铸件越来越广泛的用于关键的汽车部件，例如 发动机缸体、汽缸盖以及悬挂零件。这种铝铸件常常承受周期性载荷。残余应力(特别是 铝铸件圆角区域周围表面层内的张性残余应力)的存在可能会严重且负面地影响铝铸件 的疲劳性能。有许多方法用于测量制造部件(包括那些由铝合金构造的部件)内的残余应力。 机械技术(例如钻孔、曲率测量以及裂纹柔度方法)基于相应的部件变形来测量部件内的 残余应力。衍射技术(例如电子、X射线和中子)测量部件中由于残余应力引起的弹性应 变。还已经开发了其他的一些技术，包括磁、超声、压力光谱(piezospectroscopy)、光弹性 和热弹性。然而，机械技术通常对部件是破坏性的，而衍射以及其他非破坏性技术在测量残 余应力上的精度通常取决于微观结构变化的程度和部件结构的几何复杂性。另外，对部件 每个位置中的残余应力均进行测量通常是不切实际的，这不仅仅因为几何上的限制，而且 还因为进行此项工作所需的时间和费用。因此，基于前面的论述，需要精确且计算性预测淬 火铝铸件中残余应力和/或变形的系统、方法和制造物件。
技术实现思路
与
技术介绍
对照，本专利技术的实施例总体上涉及预测淬火铝铸件中残余应力和/或 变形的系统、方法和制造物件。如本文所用，“铝铸件”一般指基本由铝和/或任何一种或多 种铝合金构造的任何铸造部件、零件或其他制造物件。此外，如本文所用，“淬火”(或“淬火 的”)一般指根据任何常规的或将被开发的淬火工艺进行淬火或冷却的铝合金，同时，如本文所用，“水淬”一般指使用了水淬介质的任何常规的或将被开发出来的淬火工艺。更具体地，根据实施例，计算性系统、方法和制造物件对在固溶处理后的淬火铝 铸件中的残余应力和变形进行预测。通过将淬火工艺中引起的热应变与淬火铝铸件的淬 火微观结构的非线性本构行为结合，来预测残余应力和变形，其中热应变通常由淬火期间 铸件的非均勻瞬态温度分布引起。根据特定于铝铸件表面上一个或多个节点(nodes)、元 (elements)和/或区域的热传导系数来计算淬火期间铝铸件的瞬态温度分布。淬火铝铸件 的非线性本构行为被建模为温度、应变率和微观结构变化的函数。材料的本构模型不仅解 释了应变硬化和蠕变，而且解释了沉淀硬化。通过这些实施例，可高精确度地预测淬火铝铸 件中的残余应力和变形。根据一个实施例，用于预测铝铸件的残余应力和变形中至少一个的系统包括信息 输入、信息输出、处理单元和计算机可读介质。信息输入被构造成接收关于下述的信息至 少一种材料微观结构特性、至少一种材料热物理和机械性质、以及在所述铝铸件淬火期间 所述铝铸件的多个节点、元和/或区域中至少一种；而信息输出被构造成传递由所述系统 预测的涉及所述铝铸件内存在的残余应力和变形中至少一个的信息。计算机可读介质包 括了配备在其中的计算机可读程序代码。计算机可读介质与所述处理单元、所述信息输入 和所述信息输出合作，从而使得所述接收到的信息由所述处理单元和所述计算机可读的程 序代码来操作，以便作为所述铝铸件的残余应力和变形中至少一个的预测来呈现给所述信 息输出。所述计算机可读程序代码包括仿真模块、热传导模块、应变和应力分析模块、以及 限定了材料本构模型的用户材料子程序模块。所述仿真模块对虚拟铝铸件的淬火工艺进行 仿真，该仿真是所述铝铸件及其淬火工艺的复制(或再现)，所述虚拟铝铸件包括与所述铝 铸件表面相关的多个虚拟的表面节点、元和区域，并且包括形成所述铝铸件主体结构的多 个虚拟的节点、空间元(dimensional elements)和区域。所述热传导模块对特定于所述各 虚拟的表面节点、元和/或区域的多个热传导系数进行计算，并且使用所述热传导系数以 及相应特定于所述仿真的淬火的一个时刻的所述虚拟的节点特定、元特定和/或区域特定 的温度来计算多个虚拟的节点特定、元特定和/或区域特定的温度。所述应变和应力分析 模块使用所述虚拟的节点特定、元特定和/或区域特定的温度以及热膨胀/热收缩系数来 计算所述铝铸件内至少节点、元和/或区域的总应变。所述应变和应力分析模块还对限定 了所述相应虚拟铝铸件的所述空间元的积分点处的多个热应力和应变进行计算，并且计算 所述各积分点处的应变率和应变变化。所述用户材料子程序模块与应变和应力分析模块通 信，所述材料本构模型限定在所述用户材料子程序模块内并计算所述各积分点处的残余应 力和变形中的至少一个，以便预测所述铝铸件的残余应力和形变中的至少一个。任选地，计算机可读出介质可包括有限元分析模块，有限元分析模块包括仿真模 块、热传导模块、应变和应力分析模块和至少一个限定了材料本构模型的用户材料子程序 模块中的至少一个，并且可与仿真模块、热传导模块、应变和应力分析模块和至少一个限定 了材料本构模型的用户材料子程序模块中的未被有限元分析模块包括的任意一个协作地 耦接。由信息输入接收到的所接收信息可以包括关于下述的信息所述铝铸件在其淬火期 间的所述节点、元和/或区域中至少一种的瞬态温度分布中的至少一个，以及所述铝铸件 在淬火期间的所述节点、元和/或区域中至少一种的多个材料性质中的至少一个。所述铝 铸件的材料性质可包括微观结构特性以及热物理与机械性质，其至少包括所述铝铸件的二6次枝晶臂间距(SDAS)。此外，任选地，所述虚拟铝铸件的虚拟表面区域可包括与所述铝铸件淬火取向有 关的所述虚拟铝铸件的至少一个顶面和所述虚拟铝铸件的至少一个底面。所述虚拟表面区 域可分别包括由长度X、宽度y和深度Z相应限定的位于表面上的多个节点和空间元。所述 热传导系数可利用下式计算htc(x,y,z) =f(v, Tqffl, t,…)其中，ht。(x,y,z)是特定于由长度X、宽度y和深度Z限定的空间节点和空间元之一 的热传导系数之一，V是在仿真淬火期间所使用的淬火介质的速度，Ttp是在仿真淬火期间 某个时刻的淬火介质温度，t是该仿真淬火中计算所述热传导系数的时刻。所述空间元可分 别包括二阶四本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预测淬火铝铸件的残余应力和变形中的至少一个的系统，所述系统包括：信息输入，其被构造成接收在所述铝铸件淬火期间关于所述铝铸件的节点、元和区域中至少一种的多个中的至少一个的信息；信息输出，其被构造成传递由所述系统预测的关于所述铝铸件的残余应力和变形中至少一个的信息；处理单元；以及计算机可读介质，其包括了配备在其内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、所述信息输入和所述信息输出合作，使得所述接收到的信息由所述处理单元和所述计算机可读程序代码来操作，以便作为所述铝铸件的残余应力和变形中至少一个的预测呈现给所述信息输出，所述计算机可读程序代码包括仿真模块、热传导模块、应变和应力分析模块、和限定了材料本构模型的用户材料子程序模块，其中：所述仿真模块对虚拟铝铸件的淬火工艺进行仿真，所述仿真是所述铝铸件及其淬火的复制，所述虚拟铝铸件包括与所述铝铸件的表面几何相关的虚拟的表面节点、元和区域中至少一种的多个，所述虚拟铝铸件相应包括空间节点、元和区域中至少一种的多个；所述热传导模块对特定于所述各虚拟的表面节点、元和区域的多个热传导系数进行计算；所述热传导模块使用所述热传导系数以及相应特定于所述被仿真的淬火的一个时刻的所述虚拟的节点特定、元特定和区域特定的温度来计算虚拟的节点特定、元特定和区域特定的温度中至少一种的多个；所述应变和应力分析模块使用所述各虚拟的节点特定、元特定和区域特定的温度以及热膨胀／热收缩系数来计算所述各虚拟的节点、元和区域的总应变，以便限定虚拟的节点特定、元特定和区域特定的应力－应变曲线中的至少一个；由所述用户材料子程序模块限定的所述材料本构模型对限定了所述相应虚拟铝铸件的所述空间元和区域的积分点处的多个热应力和应变进行计算；所述用户材料子程序模块计算所述各积分点处的应变率和应变变化；以及所述材料本构模型计算所述各积分点处的残余应力和变形中的至少一个，以便预测所述铝铸件的残余应力和变形中的至少一个。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：Q王，CC张，D帕卢奇，G张，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]