专利名称：用于预测淬火期间的传热系数的系统和方法
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 的不均勻性。快速淬火，例如水淬，会产生大量残余张应力，特别是在壁厚不均勻的复杂铝 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 火能够更均勻地控制淬冷率，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边界条件是均勻和恒定的。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。方案2、如方案1所述的系统，其中，所述计算机可读介质包括数值分析解算器，所 述数值分析解算器包括所述仿真模块、所述传热建模模块和所述优化模块中的至少一个， 并且与所述仿真模块、所述传热建模模块和所述最优化模块中的任一个协作性耦接，不包 括所述数值分析解算器。方案3、如方案2所述的系统，其中，所述数值分析解算器包括基于有限元分析的 传热代码、基于有线差分分析的传热代码、或基于流体体积的传热代码。方案4、如方案1所述的系统，其中，所述仿真模块包括计算机流体动力学软件。方案5、如方案1所述的系统，其中，所述优化模块包括基于有限元分析的传热代 码或基于有限差分分析的传热代码，以及包括优化代码。方案6、如方案1所述的系统，其中，所述权函数建模模块使用包含多个修正因子 的方程式。方案7、如方案6所述的系统，其中，所述修正因子根据经验确定。方案8、如方案1所述的系统，其中，所述权函数建模模块使用下列方程式HTC = K1K2K3... Kn · HTC0其中，
HTC0是基线条件下的标准HTC，单位是W/m2K，K1, K2, K3,…，Kn是修正因子，并且其中，所述修正因子由经验确定。方案9、如方案8所述的系统，其中，对于在25 °C温度和1个大气 压下以10m/S的速度向竖直取向的热金属件鼓风这样的基线淬火条件，HTC0Vel为 110W/m2K; K1= Kvelocity =Ax(—-) + B ,其中 A = O. 57，B = 0. 41 ； ^1OkI =. Angle . 2 ^ , Angle 、 ^Korie^ion = C x (^―；-^ + D x -+ E，其中 C = 0. 6933，D = O. 7882，E =Angle0 = 90Angle0 = 900. 906 ；在15°C至30°C范围内K3= 1 ;K4 = 1 ；对于经铸造和机械加工的，K5 = 1 ；以及，对于 铝合金铸件，K6 = 1。方案10、如方案1所述的系统，其中，所述铸件是由选自金属和金属合金的材料制 造的。方案11、一种预测铸件在淬火过程中的传热系数分布的方法，包括提供了利用规定的淬火过程淬火的规定铸件、所述规定铸件的传热系数分布和所 述规定铸件的温度-时间曲线；采用复现了所述规定的淬火过程的仿真淬火过程对复现了所述规定铸件的虚拟 铸件的淬火进行仿真；计算来自所述仿真淬火过程的所述虚拟铸件的传热系数分布；采用所述计算得出的传热系数分布来仿真所述虚拟铸件的传热，以确定关于所述 仿真淬火过程的至少一部分的所述虚拟铸件的温度-时间曲线；将所述虚拟铸件的温度-时间曲线和所述规定铸件的温度-时间曲线进行对比；如果所述虚拟铸件的温度-时间曲线和所述规定铸件的温度-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；和任选地，使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，所述调整后的计算得出的传热系数分布是对使用修正的淬火过程制造的铸 件的传热系数分布的预测；和使用所述调整后的传热分布为所述修正的淬火过程设置淬火条件。方案12、如方案11所述的方法，其中，所述调整后的计算得出的传热系数分布是 基于节点的。方案13、如方案11所述的方法，其中，使用包含了多个修正因子的方程式来调整 所述确定的传热系数。方案14、如方案13所述的方法，其中，所述修正因子由经验确定。方案15、如方案11所述的方法，其中，所述确定的传热系数通过使用以下方程式 来调整HTC = K1K2K3... Kn · HTC0其中，HTC0是基线条件下的标准HTC，单位是W/m2K，K1, K2, K3,…，Kn是修正因子，其中，所述修正因子由经验确定。6
方案16、如方案15所述的方法，其中，对于在25 °C温度和1个大 气压下以10m/S的速度向竖直取向的热金属件鼓风这样的基线淬火条件，
权利要求
1.一种预测铸件在淬火过程中的传热系数分布的方法，包括提供了利用规定的淬火过程淬火的规定铸件、所述规定铸件的传热系数分布和所述规 定铸件的温度-时间曲线；采用复现了所述规定的淬火过程的仿真淬火过程对复现了所述规定铸件的虚拟铸件 的淬火进行仿真；计算来自所述仿真淬火过程的所述虚拟铸件的传热系数分布； 采用所述计算得出的传热系数分布来仿真所述虚拟铸件的传热，以确定关于所述仿真 淬火过程的至少一部分的所述虚拟铸件的温度-时间曲线；将所述虚拟铸件的温度-时间曲线和所述规定铸件的温度-时间曲线进行对比； 如果所述虚拟铸件的温度-时间曲线和所述规定铸件的温度-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；和任选地，使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，所述调整后的计算得出的传热系数分布是对使用修正的淬火过程制造的铸件的 传热系数分布的预测；和使用所述调整后的传热分布为所述修正的淬火过程设置淬火条件。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述调整后的计算得出的传热系数分布是基于节 点的。
3.如权利要求1所述的方法，其中，使用包含了多个修正因子的方程式来调整所述确 定的传热系数。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述修正因子由经验确定。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定的传热系数通过使用以下方程式来调整 HTC = K1K2K3-Kn · HTC0其中，HTC0是基线条件下的标准HTC，单位是W/m2K，K1, K2, K3,…，Kn是修正因子，其中，所述修正因子由经验确定。
6.如权利要求5所述的方法，其中，对于在25°C温度和1个大气压 下以10m/S的速度向竖直取向的热金属件鼓风这样的基线淬火条件，HTC0Vel为
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述铸件是由选自金属和金属合金的材料制造的。
8.一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 fn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。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述计算机可读介质包括数值分析解算器，所述数 值分析解算器包括所述仿真模块、所述传热建模模块和所述优化模块中的至少一个，并且 与所述仿真模块、所述传热建模模块和所述最优化模块中的任一个协作性耦接，不包括所 述数值分析解算器。
10.如权利要求8所述的系统，其中，所述权函数建模模块使用下列方程式 HTC = K1K2K3 …Kn · HTC0其中，HTC0是基线条件下的标准HTC，单位是W/m2K，K1, K2, K3,…，Kn是修正因子，并且其中，所述修正因子由经验确定。
全文摘要
一种预测金属铸件在淬火和/或冷却过程中的传热系数的方法。首先，通过计算流体动力学CFD仿真获得初始的一组HTC数据，仿真条件包括工件几何、初始金属铸件温度(分布)、淬火床/槽尺寸和设置、以及给定的或基线(标准)淬火条件，这些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。由CFD计算得出的用于工件整个表面的初始HTC值然后通过乘以比例因子能够被优化，以最小化预测温度-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。当针对标准/基线淬火条件对HTC值进行优化时，一系列半经验的方程式(或权函数)可用于快速修正用于不同淬火条件的标准/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。同时还提供了系统和制造物件。
文档编号G06F17/50GK102043877SQ201010520889
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月22日 优先权日2009年10月22日
发明者B·肖, G·王, Q·王, R·D·西森, Y·荣 申请人:通用汽车环球科技运作公司