用于计算地开发能制造和耐用铸件的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及用于计算地开发能制造和耐用铸件的系统和方法，具体地，一种用于优化轻质合金构件的模拟铸造的方法和系统。该模拟包括使构件设计数据通过与铸造设计、过程建模和优化、材料微结构和缺陷以及产品性能相关的各种计算模块。在各非常小尺寸尺度上的微结构和缺陷的变形延伸到渐增的更大尺度，从而允许铸件的结构性能计算考虑这种非均匀性。至少一些模块使用基于专家系统的途径以获得优化结果。该结果可以与最终用户需求比较以确定是否需要部件几何结构或制造过程的再设计。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请要求2011年3月9日提交的序列号为61/450912的美国临时申请的权益。
技术介绍
本专利技术总体涉及计算地结合过程和产品设计以助于生产可靠且高质量的铸件的方法、系统和工艺，更具体地涉及在各种尺度的作业以在以物理上准确和计算高效的方式精确地建模铸件。许多关键结构应用使用铸造构件或产品。对于汽车和相关的运输系统尤其如此，其中发动机、变速器、悬挂系统、承载主结构、座椅构件、内部支撑结构等，都受益于与铸造相关联的低成本制造。与其他的制造工艺相比，铸造工艺通常是生产几何结构复杂构件的 最成本有效的方法，并提供净成形或近净成形能力。这样的铸造工艺在结合轻质结构材料例如铝基、镁基或相关合金使用时尤其有利，其中高的强度重量比、良好的耐腐蚀性、以及相对低的原材料成本是有益的特征。相对近年来计算机的使用以及其提供自动控制的能力，导致了更加高效的铸造和相关制造工艺。基于计算机工具的类似进展实现了构件设计的改进。各自地，这样的计算机实施方法在公知为用于处理的计算机辅助制造(CAM)和用于产品的计算机辅助设计(CAD)，而协同地它们公知为作为计算机辅助工程(CAE)而公知的计算机软件广泛使用的一部分，其中计算机辅助工程(CAE)还包括计算机辅助分析(CAA)、计算机集成制造(CIM)、计算机辅助制造(CAM)、材料需求计划(MRP)、计算机辅助计划(CAP)等。通常，CAE采用从来自于CAD的基本原理的设计并将更细节的工程原理应用到意在的操作环境。传统地，构件设计和过程建模活动是彼此相对单独进行的，并且过程建模工作主要只在构件设计过程基本完成后发生。这样的独立性经常导致了长的铸造开发周期，以及欠优的铸造质量、可靠性或构件整体性的其他指标。在产品和过程开发周期中包括其他的考虑因素，例如铸造缺陷的影响和相关的小尺度性能以及它们对产品性能的影响时，额外的复杂性产生。甚至更近期的规范，已知为集成计算材料工程(ICME)，集中在使用基于计算机的工具，以通过将操作和结构与它们对应的性能联系，从而在进行任何实际的制造相关活动之前计算地模拟构件性能，改善铸件的开发。尽管与ICME关联的优势，仍然必须做出与铸造设计、过程建模和优化以及缺陷预测、微结构和产品性能有关的初始简单设想。这些设想中的许多(例如晶体结构的一致性、相位特性、沉淀物等)是基于固有构件设计者或制造工程师经验、反复试验重复以及其他特别的方法，其中只有一旦在某个输入参数(例如，合金、铸造工艺、铸造和浇注系统特征等)被选择或设计才发生的原型和铸造试验故障诊断才替代得到强调。忽视轻质金属合金铸件的较小尺度时产生的变形作用本身证明了确定较大尺度组分性能的不准确性。同样，仅处理小尺度大小变形的尝试对于建模较大结构(例如与汽车应用中整个发动机组相关联结构的)将是不适当的，因为适合于较小尺度(即微米或纳米)区域研究的尺度在应用到整个构件或相关的较大尺度研究时将难以进行。类似地，忽视或不恰当地表示这些条件的作用，例如孔隙度、缺陷形成或疲劳寿命中的残余应力(尤其是在多个尺度大小上)，会使得难以精确地表征构件性能。例如，孔隙度(其趋于最常见的铸造缺陷)可能成为铸造设计中的显著问题，其中在铸造设计中使用简单方法来基于局部凝固时间评估最大的所谓的孔隙。金属的凝固通常以枝晶(它类似于三维空间的小松树)形式发生。枝晶之间的间距是局部凝固时间的函数，且最大的孔隙大小可以估计为大体与枝晶间距成比例，通常是两倍或三倍。这样的经验方法可以提供平均的适当的评估，但是由于孔隙度经常在几个枝晶甚至枝晶晶粒上互连，所以这种方法不能给部件性能提供很好的评估。尽管可以从基于经验的平均气孔(pore)大小的评估中进行最大孔隙的统计学估计(例如最大似然估计等)，但这样的方法并不能如其预计般精确。即使采用进行因素合理评估的系统例如上述系统，也将有利地是分析更大尺度的缺陷以建立铸造过程中产生的缺陷形成过程的更实际合适的模型，以及这些缺陷和其周围的金属如何响应于使用条件。尽管使用了各种类型的孔隙建模技术(例如判别函数、枝晶间的流动模型、气孔生长模型和元胞自动机(CA))，以部分地解释铸造现象的各方面，但没有一个被证明对于在全部复杂性方面全面建模铸件是足够的。例如，判别函数是使用局部凝固条件(冷却速率、凝固速度、热梯度等)来预测微 孔形成的经验法则。尽管这些模型易于使用，但是它们不能在操作条件(压力和几何结构)的整个范围内适用，因此范围受到限制，尤其是在它们涉及模型预测精确度时。枝晶间流动模型，其包括目前水平的商业性有限元/有限差分过程建模软件，将供给凝固收缩的液体流建模为流通多孔介质(通俗地称为糊状区(mushy area))。液相与固相之间的氢的分离被建模，同时枝晶之间的氢孔的形成也得到预测。在枝晶间流动模型中，气孔通常假定为具有与某些微结构特征例如二次枝晶臂间距(SDAS)成比例的可变尺度的球状。然而，实验地记录的气孔生长动态学与枝晶间流动模型预测的不一致，因为气孔生长被某一速度控制，而在该速度下，氢能够扩散到气孔中，这是未被包括在枝晶间流动模型中的重要因素。因此，尽管比判别函数更普遍的应用，但枝晶间流动模型在精确地预测气孔尺度方面存在困难。创建气孔生长模型，以通过在凝固过程中更准确预测气孔尺度来应对枝晶间流动模型的主要弱点。在现有的气孔生长模型中，凝固过程中气孔生长的热模型没有考虑压力；从而孔隙度(直径和体积分数)一贯被低估，因为没有考虑当金属在压力下凝固时体积改变的影响。用于微结构和气孔尺度预测的CA技术，尽管在学术上引起了一些关注，但尚未被使用到工业/商业设置中。在这种方法中，单个晶粒或枝晶的形成通过从溶液浓度平衡中解析指示或预测的生长速率来随机建模。还可以在CA方法中通过氢的扩散方程对气孔生长进行建模。尽管来自CA的结果很有前景，但它们要求极精制的网目(mesh)大小。在枝晶间流动模型可以使用I到IOmm的网目尺寸的情况下，CA要求的网目尺寸在I到70 u m-小三个量级。因此，CA通常适用于铸造子模型中，使用来自粗网目上的宏模型预测的热历程。这样，先前的在多种尺度上对铝铸件建模的尝试未能充分利用综合方式，尤其是在它们涉及孔隙率(无需进行简化假定)、铸件几何结构以及浇道/冒口设计优化、较大缺陷(例如氧化物膜、芯气体、夹带气体、共晶相(包括它们对疲劳计算的影响))的处理、以及当特定部位没有铸造缺陷出现时如何评估疲劳性能时
技术实现思路
鉴于上述和其他问题，本专利技术的目的是提供一种方法、系统以及工艺，以助于设计和生产高质量且结构可靠的铸件，它将涉及铸造设计、过程建模和优化、材料微结构和缺陷以及产品性能的各种规则考虑在内，使得避免产生误差的简化和假定，以利于基于知识的方法，。根据本专利技术的一方面，对基于轻质金属(例如基于铝合金)构件的铸造过程进行计算地模拟的方法包括运行具有数个计算模块的计算机，从而在接收到与构件相关的数据时，计算机将数据传送到各个计算模块中。输出数据或相关信息提供了所构思的铸造过程如何很好地被期望地工作的标记，从而给构件设计者或过程工程师一定信心，即提出的设计和过程可以可靠地并且有效地进行加工。该输出数据可以包括以性能指标的形式表示的定量度量，其中性能指标涉及实际构件操作环境，从而可以对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种计算地模拟用于基于轻质金属合金的构件的铸造过程的方法，所述方法包括：构造计算机以包括数据输入、数据输出、处理单元、存储单元、以及用于所述数据输入、所述数据输出、所述处理单元和所述存储单元之间协作的通信路径；以及运行具有多个计算模块的所述计算机，所述多个计算模块与所述存储单元以及所述处理单元中的至少一个能够编程地协作，使得：在接收到与所述构件有关的数据时，所述计算机将所述数据经历所述多个计算模块，使得：来自其的输出提供所述铸造过程的性能指标，所述多个计算模块包括：铸造设计模块，其构造成提供所述构件的优化的几何结构表示；过程优化模块，其构造成确定所述最终铸造设计的铸造过程、热处理和机加工中的至少一个；多尺度微结构预测模块，其构造成接受从所述铸造设计模块和所述过程优化模块的数据作为到其的输入，以便生成材料特性、多个缺陷类型的缺陷数量估计、以及在多个尺寸尺度上的微结构体系结构作为输出；以及结构性能模块，其构造成接受所述材料特性、缺陷数量估计和微结构体系结构输出，并连同加载条件、预测的残余应力和变形、以及耐用性测试模拟，以生成所述性能指标。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：Q·王，P·E·琼斯，Y·王，D·A·杰勒德，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：