[发明专利]考虑在使用期间的材料性质变化的改进的产品设计可靠性

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种在铸造部件的使用期间的材料性质变化，并且尤其地涉及通过考虑在铸造部件的预期使用寿命期间的材料性质变化的改进的产品设计可靠性与耐久性分析准确度。

背景技术

用于制造铸造汽车发动机缸体和气缸盖的最常见的Al-Si基合金是可热处理的变体，包括合金319(按重量的标称成分为：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(按重量的标称成分为：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)。与319和356类似的铝合金通常通过使它们经受三个主要阶段而在使用之前被热处理成T6或T7状况：(1)在低于合金的熔点的相对高的温度的固溶处理，常常持续超过8小时或更长，以溶解其合金(溶质)元素并使微观结构均匀或改变；(2)诸如通过冷或热水、强制通风等的快速冷却或淬火，以保持过饱和固溶体中的溶质元素(其中，这两个步骤也被定义为T4)；以及(3)通过以适合通过沉淀实现硬化或强化的中间温度将合金保持一段时间的人工时效(T5，其是在没有固溶处理的情况下的时效)。T4固溶处理提供三个主要用途：(1)稍后将引起时效硬化的元素的溶解；(2)未溶解成分的球形化；以及(3)材料中的溶质浓度的均匀化。T4后的淬火用于保持过饱和固溶体(SSS)中的溶质元素，并且还用于形成增强沉淀物的扩散和分散的空位的过饱和，同时时效(自然或T5人工变体)形成强化沉淀物的受控分散。

由热处理的铝基铸件制成的部件(例如，除前述气缸盖和发动机缸体之外，还有涡轮增压器壳体)由于热效应而在使用期间改变性质。实际上，在使用中的性质变化能显著改变预测部件寿命和可靠性的能力，其中，在当前的产品设计和耐久性分析方法中不考虑这样的制造后的材料性质变化。在一个示例中，由这样的铝合金制成的发动机缸体和尤其是气缸盖在发动机操作期间可经受时效硬化或软化，使得它们在使用中随着时间的过去经历热机械疲劳(TMF)。该问题在遇到暴露于高温的高性能发动机应用(诸如由于其接近废气、机油、冷却剂等)中尤其严重。铸造部件目前的耐久性分析和寿命预测(诸如疲劳分析或相关的寿命预测)方法常常诉诸于作出简化假设——诸如恒定的材料性质——其实际上不能表示随着时间的过去发生的这些材料性质变化；基于这样的假设的分析随着部件使用时间延长而受不准确度影响。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种方法，所述方法通过将铸造部件的在其使用寿命期间的非均匀瞬态的(即，时间相关的)温度分布并入非线性的可热处理的铝铸本构行为来确定铸铝部件的在使用中的材料性质变化。在本发明中，传统的本构模型(其仅考虑应变和热(蠕变)效应)通过包括时间相关的材料性质变化的粘塑性模型增强，所述时间相关的材料性质变化考虑了预期可在其使用寿命期间长时间经受高温的部件中出现的沉淀硬化和软化。通过本发明，热处理材料的这些延长的高温状况能通过与部件的这样的长期操作相关的基本上连续的时效过程的仿真而精确建模。

能利用诸如基于部件使用状况的有限元分析(FEA)的固体力学离散化技术计算使用中的瞬态温度分布，同时，非线性本构行为可被建模为温度、时间、微观结构变化和甚至应变率的函数。材料本构模型(其描述由材料的内部构成引起的宏观行为)建立为给定合金所特有的量之间的关系，以此来预测利用这样的合金的部件对施加负载的响应。这样的模型可被想出作为描述理想材料响应的独立方程的建立，以此来近似与实际材料的响应相关的物理观察。举例来说，本构模型不仅考虑应变硬化和蠕变，而且考虑沉淀物硬化或软化。明显地，这样的方法能帮助改善产品耐久性分析准确度，改善产品设计鲁棒性并减少产品设计迭代、分析成本和零件保修成本。

量化的与时间和温度相关的节点材料性质值优选地被译成用户就绪格式，诸如适合人读取或观看的打印输出，或者以计算机可读格式的数据，其可以由计算机可读算法(诸如用于附加的分析调查或确定)、计算机打印输出装置或其他合适的装置被随后操作。

本发明提供以下技术方案：

1. 一种计算地模拟在铝合金铸造部件中的材料性质变化的方法，所述方法包括：

配置计算机系统，以包括数据输入、数据输出、至少一个处理单元、以及包含数据的存储器与包含指令的存储器中的至少一个，它们是通过数据通信路径相互合作的；

作为对所述计算机系统的输入接收与所述部件的几何形状对应的节点坐标信息；