高壓模鑄部件性能分析中結(jié)合表皮與核心材料屬性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及高壓模鑄(HPDC)鋁合金部件中的屬性的定量，尤其涉及一種通 過考慮表皮屬性和核心屬性來確定這樣的鑄造部件中的材料屬性的方式。
【背景技術(shù)】
[0002] HPDC(也稱為模鑄)廣泛地用于生產(chǎn)一般的輕型鋁合金部件，尤其是汽車部件，諸 如發(fā)動機組和變速箱，以及活塞或懸掛零件。大規(guī)模生產(chǎn)的成本低、尺寸公差小(近凈形)和 光滑的表面拋光，都是讓HPDC如此有吸引力的積極性質(zhì)。不同于HPDC中一般不使用的合金 (諸如319或356)，諸如380、383、390等等某些鋁合金尤其適合于HPDC，原因在于其成本、強 度、流動性和總體上良好的抗蝕品質(zhì)。
[0003] 模鑄部件總體上形成一個外部表皮區(qū)域或?qū)?，其包圍著?nèi)部核心區(qū)域或?qū)??？偟?來說，與表皮相關(guān)聯(lián)的材料屬性往往比核心中的材料屬性更優(yōu)越，其中，表皮區(qū)域有大量相 對沒有缺陷的密集的微型結(jié)構(gòu)，而核心區(qū)域有更高集中度的空隙、孔隙和相關(guān)缺陷。通常使 用的優(yōu)值系數(shù)測試顯示，鑄造鋁合金部件的表皮區(qū)域可能展現(xiàn)出比核心區(qū)域高出15%的拉 伸強度和高出不止80%的延展性。在典型的鑄造部件中，表皮的厚度可以在大約100微米與 幾毫米之間，這取決于部件的尺寸和幾何形狀。
[0004]實踐中，難以與核心的屬性分開地表征表皮的屬性。這樣又會不利地影響部件設(shè) 計者為了高效且可靠的操作而優(yōu)化設(shè)計的能力，其中若使用HPDC部件分析工具(諸如有限 元技術(shù)），往往會回避機械屬性的位置特定的性質(zhì)，而偏重于假設(shè)整個鑄造部件上存在均勻 的微型結(jié)構(gòu)和屬性。
[0005] 共同未決的美國專利申請14/253，119中論述了針對給定部件更精確地確定表皮 層厚度的一種方法，該申請于2014年4月5提交，且由本申請的受讓人所有，其全文通過引用 結(jié)合在此。該申請中論述的方法使用金相檢查技術(shù)，該技術(shù)利用了總體共晶相的體積分數(shù) 的變化，并且更尤其是，其中冷卻和擴散動力學(xué)用作幫助確定這個變化發(fā)生的位置的方式。 至于所有的金相檢查技術(shù)，都依賴于感測圖像(諸如用顯微鏡或其它放大裝置制作的圖像， 其中接受感測的部件的表面已經(jīng)制備成更好地突出可以幫助描繪可能存在不同的材料屬 性(諸如上述核心區(qū)域與表皮區(qū)域之間的材料屬性)的位置的微型結(jié)構(gòu)特征。雖然這種方法 在確定表皮層厚度方面提供了明顯的改進，但是仍然需要一種更加自動化的方式使給定部 件的表皮層厚度與局部壁厚度相關(guān)，以便自動確定HPDC部件中的表皮層厚度，從而使得不 需要金相檢查或相關(guān)的另外的數(shù)據(jù)收集技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，公開了 一種在HPDC金屬鑄造的性能分析中使用表皮材料 屬性和核心材料屬性兩者的方法。具體來說，本發(fā)明的方法允許精確地確定HPDC鋁部件的 部件耐用性屬性(諸如疲勞、強度和相關(guān)機械標志），方法是通過考慮到鑄造部件的表皮和 核心區(qū)域的不同的材料屬性。本發(fā)明的一部分利用了如下事實:設(shè)計者和/或CAE分析工程 師已經(jīng)創(chuàng)建了工程模型（例如，計算機輔助設(shè)計(CAD)、有限元或相關(guān)文件）；因此，可以通過 經(jīng)過特別配置以加快本文中提議的分析的數(shù)據(jù)處理器來使用正在建模的部件的精確的幾 何學(xué)表示。因此，本發(fā)明準許將表皮材料屬性和核心材料屬性兩者結(jié)合到一個分析模型中， 該分析模型能幫助設(shè)計者以高精確度預(yù)測機械屬性信息、部件性能和耐用性，而且不需要 依來金相檢查技術(shù)或其它基于測量的技術(shù)。這樣使得HPDC鋁部件(諸如發(fā)動機組和變速箱） 的設(shè)計周轉(zhuǎn)時間更快，而且降低了將部件集成到整體系統(tǒng)設(shè)計中的整體成本。
[0007] 首先，光線與三角形求交（ray-triangle intersection)方法與基于八叉樹 (octree-based)的算法一起，基于可以從上述工程模型獲得的整體厚度數(shù)據(jù)，精確地確定 HPDC部件的特定部分的壁厚度或相關(guān)局部幾何形狀。通過這一點，可以通過使用憑經(jīng)驗觀 測的多項式、對數(shù)或冪律(power law)關(guān)系使表皮層厚度與局部壁厚度相關(guān)。通過這一點， 對表皮層進行調(diào)整，以考慮到用于使鑄造部件成為更大程度上完成的形式的一個或更多個 鑄造后操作(諸如機械加工或其它表面層去除或修改活動）。最后，執(zhí)行節(jié)點屬性映射操作 以便向正在評估的部件的表皮區(qū)域和核心區(qū)域的每一節(jié)點分配具體的材料屬性信息。
[0008] 在本發(fā)明的背景中，"機械屬性信息"、"材料屬性信息"這些術(shù)語及其變型是意在 包涵部件(或其一部分)通過所使用的構(gòu)成材料而固有的所有的這些結(jié)構(gòu)性屬性，以及執(zhí)行 下文更具體地論述的計算所需要的這些屬性的任何子組。因此，本文中使用所述術(shù)語來定 義在設(shè)計特定結(jié)構(gòu)性部件的過程中將需要考慮的通常接受的工程屬性;這些屬性可以包含 (但不限于)強度(壓縮、拉伸、剪切等等）、溫度、密度、硬度、彈性模數(shù)、粗糙度、疲勞、導(dǎo)電性 和導(dǎo)熱性、熱膨脹系數(shù)等等。這些屬性是許多一般的鋁基合金(例如319、356、357、380、390、 393等等）以及尤其與HPDC技術(shù)兼容的那些合金的子組眾所周知的屬性?？梢蕴峁┻@些信 息，從而使得借助諸如查找表、計算機可讀存儲器或其它結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)輸入的眾所周知的裝 置，通過本發(fā)明的算法可以對這些信息執(zhí)行運算。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，公開了一種確定鑄造部件中的機械或相關(guān)結(jié)構(gòu)性屬性 的方法。所述方法包含使用經(jīng)過特別配置以接收關(guān)于部件內(nèi)的興趣位置的幾何信息的計算 機，使用所述計算機確定光線與三角形求交關(guān)系以計算所述興趣位置的壁厚度，并且使用 所述計算機基于壁厚度計算表皮厚度。與前面的方面一樣，表皮厚度與壁厚度之間的相關(guān) 基于對數(shù)關(guān)系、多項式關(guān)系和冪律關(guān)系中的至少一個。也與前面的方面一樣，光線與三角形 求交關(guān)系包含使用基于八叉樹的關(guān)系來減少通過光線與三角形求交關(guān)系在興趣位置內(nèi)分 析的三角形的數(shù)目。在本發(fā)明的背景中，興趣位置可以形成整體部件的一部分，或者(至少 在通過簡單的幾何形狀限定所述部件的情況下）可能形成基本上整個部件。與前面的方面 一樣，對表皮層進行調(diào)整以考慮一個或更多個鑄造后操作，在這些操作之后，執(zhí)行映射操作 以便向正在評估的部件的表皮區(qū)域和核心區(qū)域的每一節(jié)點分配具體的材料屬性信息。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，公開了一種制造品。所述制造品包含計算機可用介質(zhì)， 其中具體實施了用于確定HPDC部件中的表皮厚度的計算機可讀程序代碼。所述程序代碼包 含用于使計算機接受與部件內(nèi)的興趣位置有關(guān)的幾何信息的數(shù)據(jù)的部分，用于使計算機基 于光線與三角形求交關(guān)系產(chǎn)生壁厚度數(shù)據(jù)的部分，用于使計算機基于壁厚度產(chǎn)生表皮厚度 的部分，其中，表皮厚度與壁厚度之間的相關(guān)基于對數(shù)關(guān)系、多項式關(guān)系和冪律關(guān)系中的至 少一個，以及用于使計算機產(chǎn)生對應(yīng)于表皮厚度的輸出的部分。與前面的方面一樣，使用基 于八叉樹的關(guān)系來簡化（即，減少)光線與三角形求交關(guān)系在興趣位置內(nèi)分析的三角形的數(shù) 目。對表皮層進行調(diào)整以考慮一個或更多個鑄造后操作，然后執(zhí)行節(jié)點屬性映射以根據(jù)相 應(yīng)表皮節(jié)點和核心節(jié)點的節(jié)點特性向每一節(jié)點分配具體材料屬性。
[0011] 本發(fā)明還公開了如下技術(shù)方案。
[0012] 1. -種確定高壓模鑄部件中的屬性的方法，所述方法包括： 接收對應(yīng)于所述部件內(nèi)的興趣位置的幾何信息； 使用光線與三角形求交關(guān)系確定所述興趣位置的壁厚度，其中，所述光線與三角形求 交關(guān)系包括使用基于八叉樹的關(guān)系減少通過所述光線與三角形求交關(guān)系在所述興趣位置 內(nèi)分析的三角形的數(shù)目； 使用所述壁厚度執(zhí)行至少一個計算以確定對應(yīng)于所述興趣位置的表皮厚度，所述計算 基于對數(shù)關(guān)系、多項式關(guān)系和冪律關(guān)系中的至少一個； 基于至少一個鑄造后操作調(diào)整所確定的表皮厚度以與所述幾何信息的變化相關(guān);以及 映射對應(yīng)于所接收到的幾何信息的許多不連續(xù)的位置處的材料屬性信息，所述材料屬 性信息對應(yīng)于所確定的壁厚度和所調(diào)整過的表皮厚度。
[0013] 2.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述材料屬性信息在對應(yīng)于所述表皮厚度的所 述興趣位置中比在對應(yīng)于所述壁厚度的所述興趣位置中更大。
[0014] 3.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述興趣位置包括基本上整個所述部件。
[0015] 4.根據(jù)方案1所述的方法，其中，不需要依賴任何金相檢查技術(shù)來確定所述表皮 厚度。
[0016] 5.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述接收幾何信息包括:將來自基于計算機的數(shù) 據(jù)文件的幾何數(shù)據(jù)接受到基于計算機的處理器中。
[0017] 6.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述部件由包括鋁基合金的材料制成。
[0018] 7.根據(jù)方案1所述的方法，其中，通過下面的關(guān)系限定所述對數(shù)關(guān)系： Tsl = 0.90691n(Tw) - 0.2087 其中TSL是所述表皮厚度并且IV是所述壁厚度。
[0019] 8.根據(jù)方案1所述的方法，其中，通過下面的關(guān)系限定所述冪律關(guān)系： Tsl = 0.4884Tw0·5478 其中TSL是所述表皮厚度并且IV是所述壁厚度。
[0020] 9.根據(jù)方案1所述的方法，其中，通過下面的關(guān)系限定所述多項式關(guān)系： Tsl = 7E-5Tw 3 - 0.006Tw 2 + 0.2162Tw + 0.2705 其中TSL是所述表皮厚度并且IV是所述壁厚度。
[0021] 10.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述映射材料屬性信息包括:使用立體光刻計 算機輔助設(shè)計模型以通過由邊緣和頂點限定的多個三角形來表示所述興趣位置。
[0022] 11. -種確定鑄造部件中的機械屬性的基于計算機的方法，所述方法包括： 將對應(yīng)于所述部件內(nèi)