[发明专利]用于预测淬火期间的传热系数的系统和方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及金属及合金、包括铝合金铸件的热处理。特别地，本发明涉及用于预测固溶处理后经过空气淬火和/或气体介质淬火处理的铸件中的传热系数的系统、方法和制造物件。

背景技术

随着对减轻重量和提高燃料经济性需求的增长，导致了铸铝合金在重要的汽车部件如发动机缸体、汽缸盖和悬挂部件中的应用。为了提高机械性能，铝铸件通常要经过完全的T6/T7热处理，包括在相对较高的温度下进行固溶处理、在冷介质(例如水或强迫通风)中淬火、然后在中等温度下进行时效硬化。在淬火过程中，铝铸件中会产生大量残余应力。残余应力的存在，尤其是残余张应力的存在，会对结构部件的性能产生显著的不良影响。在很多情形中，过高的残余张应力会导致部件的严重变形，甚至导致淬火或后续制造过程中的开裂。

铸铝部件在淬火中产生的残余应力的多少，取决于淬冷率和整个铸件中温度分布的不均匀性。快速淬火，例如水淬，会产生大量残余张应力，特别是在壁厚不均匀的复杂铝部件中。因此，空气淬火已经被日益广泛地用于铸铝部件的热处理。相比水淬而言，空气淬火能够更均匀地控制淬冷率，从而可以最大限度地降低残余应力和变形。

热金属工件在空气淬火和/或气体介质淬火过程中的传热取决于热金属物体和淬火空气和/或气体之间的界面处的传热系数(HTC)。为了可靠预测淬火过程中的材料行为，有必要在计算机仿真时使用精确的HTC边界条件。但是，淬火过程中HTC边界条件的实验确定不但成本高，而且也很困难，对于几何形状复杂的工件尤其如此。结果，淬火仿真时通常假设HTC边界条件是均匀和恒定的。这将导致仿真和实际测量结果之间的重大误差。

因此，需要一种方法来预测热金属物体和淬火介质之间的整个传热界面的传热系数分布。

发明内容

所提供的系统、方法和制造物件可解决上述问题。首先，通过基于工件几何、淬火床/槽设置(几何)，淬火前的初始工件温度(分布)以及给定的或基线(baseline)淬火条件来计算流体动力学(CFD)仿真，从而获得初始的一组基于节点的HTC数据，这些淬火条件包括但不限于：空气和/或气体的流动速度、空气和/或气体相对于工件的流动方向、空气和/或气体的温度、空气和/或气体的湿度等。接着，由CFD计算得出的用于工件整个表面的初始HTC值通过乘以比例因子从而被优化，以最大限度地减少预测温度-时间曲线与在给定的或基线淬火条件下的实验测量结果之间的误差。当针对基线淬火条件对HTC值进行优化时，一组半经验的方程式(或权函数)可用于快速修正用于不同淬火条件的优化基线HTC数据(也就是淬火条件和基线之间的偏差)，而不需要执行完整的传热和优化计算。

本发明还提供了以下方案：

方案1、一种预测铸件在淬火过程中的传热系数分布的系统，所述系统包括：

信息输入部，其构造成接收与规定的淬火过程、经由所述规定的淬火过程淬火的规定铸件、在所述规定的淬火过程中获得的所述规定铸件的传热系数分布、以及所述规定铸件的温度-时间曲线中的至少一个相关的信息；

信息输出部，其构造成传输由所述系统预测得出的与所述铸件的传热系数分布相关的信息；

处理单元；和

计算机可读介质，其包括具体实现在其中的计算机可读程序代码，所述计算机可读介质和所述处理单元、所述信息输入部和所述信息输出部协作，使得所述信息输入由所述处理单元和所述计算机可读程序代码操作，以便提供到所述信息输出部作为由所述系统预测得出的所述铸件的传热系数分布，所述计算机可读程序代码包括仿真模块、传热建模模块、优化模块和权函数建模模块：

其中，所述仿真模块对复现了所述规定的淬火过程的淬火过程和复现了所述规定铸件的虚拟铸件进行仿真，以确定所述虚拟铸件的传热系数分布；

其中，所述传热建模模块利用所述确定的传热系数分布来仿真所述虚拟铸件的传热，以确定所述虚拟铸件的温度-时间曲线，

其中，所述优化模块：

将所述虚拟铸件的温度-时间曲线和所述铸件的温度-时间曲线进行对比；并且

如果所述虚拟铸件的温度-时间曲线和所述铸件的温度-时间曲线之间的差异超过预设的条件，则使用比例因子来调整所述确定的传热系数分布；并且

其中，所述权函数建模模块采用表示了对所述规定的淬火过程所做修正的修正因子来调整所述确定的传热系数；

其中，所述调整后的传热系数分布是对使用所述仿真淬火过程制造的铸件的传热系数分布的预测。