CN103136415A - 用于优化具有不均匀组织的铸件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在考虑到在局部硬度方面的要求时优化具有不均匀组织的铸件的方法，以生产铸件，具有方法步骤：a．对铸件样品进行计算机辅助模拟，b．对样品进行虚拟应力分析，对样品局部点的屈服极限和抗拉强度进行模拟并从其中得出模拟局部硬度，通过比较局部硬度和模拟局部硬度确定并由此识别薄弱部位，即超过局部硬度的第一公差极限，c．重复步骤a至b，直到符合预定义的极限值，在局部硬度方面优化样品，d．在机械应力起作用后计算优化样品的局部结构变化，模拟局部硬度参与到计算中，通过调整样品的需要的局部硬度和/或组织结构和/或几何形状进一步优化样品，e．重复步骤a至d，直到所有结构变化处于预定义的第二公差极限内。

Description

用于优化具有不均匀组织的铸件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在考虑到在局部硬度方面的要求的情况下优化具有不均匀组织的铸件的方法，目的是生产铸件。

背景技术

机器部件的局部强度和/或局部的抗应力性取决于多个影响因素。通常会根据经验查明这些因素，并且使它们与标准值建立联系，从而得出换算系数，该换算系数用于将部件的相对强度和/或相对的局部的抗应力性进行量化。

在现有技术中，借助从标准的特征参数中推导出来的特殊的特征参数来确定机器部件的强度。于是例如借助确定硬度、缺口冲击工作或者抗拉强度或者说屈服极限来查明大型铸件的强度。

通常通过测量样品查明这些特征参数的值。例如在确定大型铸件的强度时对共同铸造的或者牢固铸造的样品进行测量，从而得出用于确定强度和/或抗应力性的特征值。

其中，为了实现简化，对样品测得的数值必须要对整个铸件有效。但是，情况通常不是如此。因为在大型铸件中，例如由于材料具有局部不同的散热速度和其它局部有差别的工艺参数，铸件的材料特性中可能会有巨大的梯度。

因此，在设计和生产这种组织不均匀的、具有局部有差别的材料特性的铸件时，会产生很多的问题，难以满足对局部质量的特殊要求。因为，为了设计铸件而采用的材料特征值不仅是由铸件的局部组织特性决定的，也是由铸件的因生产过程发生的、局部出现的材料退化情况决定的。然而，在现有技术中，质量要求是从总体上对整个铸件或者是对至少大片的部件区域规定的。为了应对国际规定的质量要求，大致通过以下方式使整个部件的机械的材料特性均匀化，即，对部件进行一次昂贵的加热处理。然而，以这种方式不能或者仅能在非常小的程度内消除像组织退化或存在气孔这样的铸造缺陷。但是，局部受限的组织不连续部位却会导致整个铸件成为次品。

在现有技术中还不存在任何可靠且有效的方法用于确定铸件的工作强度的特征值。迄今为止，为了计算铸件的工作强度，要从现有的特征值中形成根据经验的换算系数，其中，引入了经验值和多个以前的检查结果。因为这会带来不确定性，所以例如在形状参数中计入了额外的保险附加值。这可能会导致铸件的尺寸过大。在最糟的情况下，就会在其规定的要求方面导致铸件完全损坏。

发明内容

本发明的目的是，提出一种改进的方法，用于在考虑到在局部硬度方面的要求的情况下优化具有不均匀组织的铸件，目的是生产铸件，以及提出一种改进的装置，该装置用于能够在考虑到在局部硬度方面的要求的情况下优化具有不均匀组织的铸件，目的是生产铸件，以及提出一种改进的计算机程序产品。

本发明的这些目的分别利用独立权利要求所述的特征得以实现。本发明的优选实施方式在从属权利要求中给出。

本发明提出了一种在考虑到在局部硬度方面的要求的情况下优化具有不均匀组织的铸件的方法，目的是生产铸件，该方法具有以下方法步骤：

a．在预先给定铸件的机械应力和需要的局部硬度的特征值的情况下对铸件的样品进行计算机辅助的模拟，

b．为了查明铸件的被模拟的局部硬度，对铸件的被模拟的样品进行虚拟的应力分析，其中，对该样品的局部点的屈服极限和抗拉强度进行模拟，其中，从屈服极限和/或抗拉强度中得出被模拟的局部硬度，其中，通过将局部硬度和被模拟的局部硬度进行比较确定样品中的薄弱部位，其中，由此识别薄弱部位，即超过局部硬度的第一公差极限，

c．重复步骤a至b，直到符合预定义的极限值，其中，在局部硬度方面优化样品，

d．在机械应力起作用后，计算被优化的样品的局部的结构变化，其中，被模拟的局部硬度参与到计算中，其中，为了避免结构变化，通过调整样品的需要的局部硬度和/或组织结构和/或几何形状来进一步优化该被优化的样品，

e．重复步骤a至d，直到所有的结构变化都处于预定义的第二公差极限内。

这种方法可以具有以下优点，即，能够局部地并且逐点地计算机辅助地确定具有不均匀结构的铸件的硬度。因此，在通过有限数量的被鉴定的关键局部位置同时减少整个构造的设计参数的数量时，能够针对要求的局部机械应力逐点地优化铸件，因此，本发明的实施方式不仅仅局限于整体的分析。

通过计算机辅助地进行计算和虚拟的应力分析，能够以达到要求的局部硬度为目的通过虚拟地模拟几何形状和/或铸件的组织结构在局部要求的硬度方面优化要生产的铸件的设计参数，而不必首先使用实际存在的材料。由此在设计铸件的第一阶段中节约了大量的材料和生产成本以及时间。

通过虚拟地在局部施加极限负载和/或模拟要生产的铸件的样品的假设的使用时长，能够推导出样品的形状、组织结构和/或局部硬度和机械应力的特征值之间的因果联系。同时能够事先计算出通过极限负载或者长的使用时间引起的、在被模拟的样品的组织结构中的局部的结构变化（例如不可逆转的塑性变形或断裂），其中，同时能够查明各个被配置的样品的独特的负载极限。这些查明的关系和极限值能够用于通过改变有关的设计参数来优化具有不均匀组织的要生产的铸件，而不消耗实际的材料。

在材料科学中，组织这个词纯粹描述的是从熔融物中形成的材料（如金属和合金）的组成部分的布局。当一种结晶材料的熔融物冷却时，就会形成一种组织。在达到凝固温度时，在熔融物内的多个位置上（从偶然形成的晶核出发）会形成晶体。在熔融物凝固后的附加过程中，由于存在余热，会导致进行类似“不期望的”热处理，这被称为自退火。自退火，也正如技术性热处理那样，也会导致进一步的转化过程、分离过程和再结晶过程，它们会影响要生产的材料的组织结构。这样形成的部件，例如铸件的组织结构是不均匀的并且因此具有不均匀的组织。

为了准确地确定所使用的材料在其强度、可塑性或者说脆性、弹性方面的特性和一些其它的特性，要在拉伸试验中测试材料样品，为此要将具有已知的初始横截面的样品压入拉伸测试机中并且加载拉力。其中，抗拉强度是指在拉伸试验中从达到的、对于样品的初始横截面而言最大的拉力中计算出的应力。从应力-伸长-图表中能够直接读取抗拉强度（最高点处的Y-轴线-值）。屈服极限是一种材料特征值并且表述的是材料在被施加单轴的且无力矩的拉应力时不会显示出可见的塑性变形时的那个应力。在超过这个屈服极限时，材料被放松后也不会再回复到初始的形状，而是保持样品延长状态。通常在拉伸试验中查明屈服极限和抗拉强度。这两个材料特征值为构造部件提供以下信息，即，在近似静态的应力的情况下，材料发生塑性变形和材料失效之间的距离。

根据本发明的一种实施方式，还借助计算机辅助的凝固模拟优化用于铸造样品的过程，其中，在进行优化时，通过重复进行模拟这样调整组织结构，使得样品的局部硬度处于第一公差极限内。

这样做可以带来的优点是，能够在做准备时事先且满负载地计划好样品的铸造过程的形式，从而能够在第一次尝试铸造时就有很高的机率使得样品达到要求的局部硬度。这就显著减少了在铸造时的耗费材料和时间的试验次数，并且显著减少耗时耗力的实际测量次数和检验方法数量。

其中，凝固模拟是指计算机辅助地模拟铸造过程。借此能够在铸件变化发展之前就已经找出可能出现的薄弱部位，薄弱部位是针对液态金属注入模具空心区域时的入流情况或者说在铸造-运转-浇注系统中的入流情况（例如湍流）、散热情况（例如极易形成缩孔的铸件区域）等等而言的，于是能够对铸件或者说对铸造-运转-浇注系统进行成本相对较低的改变。凝固模拟代替了多次不可避免的实际试验。

计算机辅助的模拟的计算和凝固模拟的计算协同地起作用，为此，计算机辅助的模拟首先优化铸件的形状参数，并且凝固模拟首先优化铸造条件。

根据本发明的一种实施方式，组织结构具有局部组织，其中，借助计算机辅助的凝固模拟从组织结构的组织不连续部位

的分布和大小中直接计算出样品的局部组织。

这样做可以带来的优点是，凝固模拟能够预测在不利的铸造条件下的组织不连续部位。凝固模拟能够依据铸造过程的参数预先计算出组织不连续部位的位置和大小。在凝固模拟中，要生产的铸件的被模拟的样品的铸造的参数以及设计参数可以这样变化，从而避免在进行铸造时被模拟的样品的组织结构中出现组织不连续部位。样品的铸造条件以及几何形状和/或局部拓扑结构能够在真正的物理铸造过程之前就在不消耗任何材料的情况下深入地并且有针对性地进行优化。

根据本发明的一种实施方式，机械应力的预先给定的特征值在应力方面包括机械特征值、形状参数、负载参数和/或尺寸参数，并且在抗应力性方面包括组织结构参数、局部的抗疲劳强度的参数、质量等级的参数和/或预定义的参考面积的参数。

这样做可以带来的优点是，为了确定样品的局部硬度，可以在不同的特征值之间建立多种联系。特征值变化的原因和结果可以从不同的角度并且通过不同的方式进行量化并加以分析。其中要考虑到样品的形状-和组织结构参数，以及机械负载的类型和方式以及应力的持续时间。由此能够确定出局部硬度的所有可能的影响因素。从中又能够有针对性地推导出合适的措施用于实现所要求的局部硬度，使得抗应力性上升或者使得应力下降。

在这种背景下，将抗疲劳强度用作为对于抗振强度和工作强度的上位概念。在此，抗振强度表示在周期性重复的负载的情况下、特别是在类似正弦的负载过程的情况下的抗疲劳强度。工作强度包括在偶然形式的或也可能是无周期的确定性的负载过程的情况下的抗疲劳强度。

根据本发明的一种实施方式，该方法还包括对从步骤e）中获得的样品的局部强度进行计算机辅助的计算，其中，计算局部强度包括计算局部的静态强度、局部的工作强度和/或局部的抗振强度，其中，对局部强度的计算基于为机械应力所测得的特征值的值，这些值通过对实际铸造的、从步骤e）中获得的样品进行测量和/或对有代表性的铸件进行测量获得。

这样做可以带来的优点是，在计算从优化计算中获得的样品的局部强度时区分开机械应力的类型和方式。在确定样品的局部强度时不仅考虑静态的恒定负载而且还考虑周期性或非周期性变化的负载。这就使得场景分析和引入可能性成为可能，从中能够推导出，应该如何以理想的方式实现样品的构造和组织结构，从而能够坚固耐用地抵抗任何类型的机械负载，并且即使在不同类型的负载的情况下也能延长要生产的铸件的使用寿命。其中，优化参数不仅是从计算机辅助的计算中导出的，而且也是通过对实际铸造的、借助先前的计算已经优化的样品进行物理测量和/或对具有类似的材料特性的有代表性的铸件进行物理测量得以验证的。所测得的值也可以作为变量的输入参数参与到计算机辅助的计算中，从而最小化通过理论计算出的值和实际上的实际值之间的偏差。由此提高对局部强度的计算机辅助的计算的有效性。为了提高样品的局部强度而要采用的措施在实际上也确实能够提高局部强度的可能性由此得到提高。

根据本发明的一种实施方式，通过对实际铸造的、从步骤e）中获得的样品和/或对有代表性的铸件进行测量，验证对局部强度的和/或对虚拟的应力分析的计算机辅助的计算，其中，在借助测量进行的验证失败的情况下，获得的测量值用作为在对局部强度的和/或对虚拟的应力分析的计算机辅助的计算中纠正式地调整机械应力的特征值和/或抗应力性的特征值的基础。

这样做可以带来的优点是，能提高计算机辅助的计算结果和虚拟的应力分析结果的有效性和可靠性。通过用于进行验证的测量，尽可能大幅度地减小了在计算机辅助的计算（该计算以典型性假设和近似值为基础）和实际上在样品的实际对象上存在的特征值之间的可能的偏差。与此同时，在算出的值和实际测得的值之间的大的偏差可以被用来改变在计算机辅助的计算中的参数，使得模型更加符合现实情况，和/或这样调整被模拟的样品的材料特性，使得样品能达到要求的局部强度。

根据本发明的一种实施方式，通过凝固模拟计算被模拟的样品的静态强度、局部的工作强度和/或局部的抗振强度的值，其中，这些值通过在局部的硬度测量中、抗振强度测试中和/或局部的微结构检查中对从凝固模拟中导出的并且铸造的物理上实际的样品和/或对有代表性的部件测得的测量值来验证，其中，在借助测量进行验证失败的情况下，从局部的硬度测量、抗振强度测试和/或局部的微结构检查中获得的测量值用作为纠正式地调整通过凝固模拟计算出的、静态强度、局部的工作强度和/或局部的抗振强度的值的基础。

这样做可以带来的优点是，能提高计算机辅助的凝固模拟的有效性和可靠性。通过用于验证的测量工作，尽可能大幅度地减小了在计算机辅助的计算（这些计算以简化型假设和典型性近似值为基础）和实际上在样品的实际对象上测得的特征值之间的可能的偏差。与此同时，在算出的值和实际测得的值之间的大的偏差可以被用来改变在凝固模拟中的参数，使得以这次凝固模拟为基础的模型能够更加符合现实情况。于是，在其转用到实际的铸造过程中方面，对被模拟的铸造过程进行计算而得出的参数可能具有更大的有效性和可靠性。

根据本发明的一种实施方式，还进行了包括被模拟的样品（106）的局部的机械应力的数据库（152）进行计算机辅助的询问的步骤，其中，作为询问的回答得到的是合适的检验方案（150），用于检验物理地实际铸造的、从步骤e）中获得的样品（142）和/或有代表性的铸件（144）的局部的抗疲劳强度，其中，该方法还包括确定在物理上实际的、从步骤e）中获得的样品（142）和/或有代表性的铸件（144）上的哪个位置上借助该检验方案（150）对局部的抗疲劳强度进行检验。

这样做可以带来的优点是，不必再寻找合适的检验方法。与此同时提供以下信息，即，在被铸造的样品的哪个位置上准确地进行负载测试和测量。这能节约时间，并且使得检验过程更有效。

通过测量来对计算进行验证和提供合适的检验方案具有协同效应，即，从相应的检验方案中引导出来的、在局部进行的测量具有高度的有效性和可靠性。因此，从检验方案中引导出来的测量同时是有效的并高效的。

根据本发明的一种实施方式，从实际铸造的、从步骤e）中获得的样品和/或有代表性的铸件的屈服极限和/或抗拉强度和硬度之间的相互关系中计算出局部的静态强度，

-其中，借助韦勒疲劳曲线模型实现局部的工作强度的计算，该韦勒疲劳曲线模型与铸造的、从步骤e）中获得的样品和/或有代表性的铸件的组织相关联，其中，考虑到组织不连续部位对于抗振强度造成的影响，和/或

-其中，相关于抗振强度的测量值参与到对从步骤e）中获得的样品的和/或有代表性的铸件的局部的抗振强度的计算中，这些测量值借助合适的检验方法在从步骤e）中获得的样品上测得，以用于检验抗振强度。

这样做带来的优点是，在铸造的样品的屈服极限和/或抗拉强度和硬度之间具有关联的情况下，能够从材料特殊的应力-伸长-图表中查明局部的静态强度。这样查明的局部硬度的值可以通过对铸造的样品进行简单的局部硬度测量得到验证。

这样做还可以带来的优点是，在存在与样品的组织结构相关联的、针对被铸造样品的韦勒疲劳曲线模型的情况下，并且在知道组织不连续部位在其形状、状态、大小和数量方面的影响的情况下，可以完全省去将静态的试验特征值换算成铸件的、否则会非常不准确的抗振强度。因为，如果韦勒疲劳曲线模型对于样品是有效的，那么就能够借助简单的检验方法查明铸件的局部抗振强度。在韦勒疲劳曲线模型有效时，能够借助局部的组织压痕和/或局部的组织显微镜查明用于测定工作强度的局部特征值。

利用韦勒试验能查明抗振强度、更准确地说是加工材料或者部件的耐久性和耐用性。为此，试验体被周期性地施加负载，大部分情况是在形成一种正弦形式的应力-时间-函数的情况下。负载幅以及非满负载与满负载之间的应力比都是恒定的。为了测定这些值，要在多种应力水平上测试试验体。韦勒试验一直进行，直到定义的故障（断裂、撕裂）出现，或者直到振动经过规定次数。试验结果被输入图表。通常在韦勒图表中，额定应力幅Sa被线性地或者呈对数地添加在呈对数示出的、可承受的振动循环数上。得出的曲线图被称为韦勒曲线或者也叫韦勒疲劳曲线。

根据本发明的一种实施方式，在计算机辅助进行计算时和在计算机辅助进行凝固模拟时，为从步骤e）中获得的样品的组织结构的状态和/或组织结构的组织不连续部位预先给定了预定义的第三公差极限，其中，在不符合第三公差极限的情况下，重复步骤a至e、测量和/或凝固模拟，直到组织结构的状态和/或组织结构的组织不连续部位处于预定的第三公差极限内。

这样做可以带来的优点是，在理论性的计算机计算的层面上和在凝固模拟的层面上就考虑到了在要生产的铸件的组织结构的性质方面的要遵守的质量要求。除了优化要生产的铸件的形状，也在组织结构方面进行优化和质量控制，以便实现需要的局部硬度。与此同时，在凝固模拟时确定，在哪些铸造条件下能够实现优化的组织结构，从而在这个阶段中能够为实际的铸造过程的参数确定理想值。

在另一方面中，本发明涉及一种计算机程序产品，具有能由处理器执行的指令，用于执行上述方法。

在另一方面中，本发明还涉及一种计算机系统，用于在考虑到在局部硬度方面的要求的情况下优化具有不均匀组织的铸件，目的是生产铸件，其中，计算机系统设计用于执行以下步骤：

-在预先给定铸件的机械应力和需要的局部硬度的特征值的情况下对铸件的样品进行计算机辅助的模拟，

-为了查明铸件的被模拟的局部硬度，对铸件的被模拟的样品进行虚拟的应力分析，其中，对该样品的局部点的屈服极限和抗拉强度进行模拟，其中，从屈服极限和/或抗拉强度中得出被模拟的局部硬度，其中，通过将局部硬度和被模拟的局部硬度进行比较确定样品中的薄弱部位，其中，由此识别出薄弱部位，即超过局部硬度的第一公差极限，

-重复步骤a至b，直到符合预定义的极限值，其中，在局部硬度方面优化该样品，

-在机械应力起作用后，计算被优化的样品的局部的结构变化，其中，被模拟的局部硬度参与到计算中，其中，为了避免结构变化，通过调整样品的需要的局部硬度、组织结构和/或几何形状来进一步优化该被优化的样品，

-重复步骤a至d，直到所有的结构变化都处于预定义的第二公差极限内。

附图说明

接下来借助以下附图详尽阐述本发明的优选实施方式。

图中示出：

图1：具有不均匀的组织结构的铸件，

图2：用于鉴定针对要求的需要的局部硬度而言的局部薄弱部位的方法步骤的流程图，

图3：展示用于优化局部硬度的方法步骤的从属关系的流程图，

图4：展示通过测量验证计算机辅助的计算的流程图。

具体实施方式

图1示出具有不均匀的组织结构126的铸件100。例如可以是由符合DIN EN 1563的含有球墨的铸铁制成的部件。在组织结构126中局部地分散地出现组织不连续部位118，它们是对于抵抗极限负载和/或抗疲劳所必须的局部硬度而言的薄弱部位。为了达到要求的局部硬度102，因此必须优化组织结构126。铸件100显示出特定的几何形状128，为了达到某个特定的要求的机械的抗应力性108，同样也能够对该几何形状进行优化。

图2示出流程图，用于说明如何能够在被模拟的样品106中鉴定组织不连续部位118或者说就要求的局部硬度102而言的薄弱部位，这个被模拟的样品可以借助计算机辅助的模拟104进行计算。

在步骤102中，借助在要求的机械的抗应力性108方面的具体要求将尚待生产的铸件100的某个特定的局部硬度作为预先给定的信息输入计算机辅助的、用于对优化的样品106进行计算的模拟104中。同样地，在步骤108中，为计算机辅助的、用于对在局部硬度方面优化的被模拟的样品106进行计算的模拟104，预先给定为机械的抗应力性预定义的特征值。

在计算机辅助的模拟104中确定局部的应力122。图3中示出了其详情。可以例如借助所谓的FEM模拟，也就是说借助有限元法（FEM）执行步骤104。“有限元法”（“Methode der finiten Elemente”）是一种用于解偏微分方程的数字算法。它是一种用于模拟固体的计算方法。首先将计算域划分成任意数量的单元。这些单元是“有限”（finit）小的而不是无限（infinit）小的。这种方法提供接近微分方程的准确解决方案的近似函数，它的准确性可以通过提高自由度得以提高并且因此可以改进计算投入。

计算机辅助的模拟104的目标是优化被模拟的样品106的几何形状128，目的是达到需要的局部硬度102。

在此期间，依据几何结构128和组织结构126计算在材料中占主导的应力，并且紧接着通过有针对性地削弱缺口应力以及均匀化应力对其进行优化。尚待根据优化的样品106进行生产的铸件100应该由此承受要求的机械抗应力性108和预先给定的机械应力122，并且因此是耐用且耐久的。因此，计算机辅助的模拟104的目标是，加强被模拟的样品106的承受高应力的位置，并且改进承受较低应力的位置。

通过优化几何形状128和优化组织结构126，从计算机辅助的模拟104中得出的被模拟的样品106在下一个步骤中要经历计算机辅助的虚拟的应力分析110。在虚拟应力分析110中，（其中，通过虚拟地屈伸和拉伸被模拟的样品106查明它的虚拟的屈服极限114及其虚拟的抗拉强度116），通过预先给定的、在屈服极限和/或抗拉强度与局部硬度之间的相互关系，依据被模拟的样品106的几何形状128和组织结构126实现对局部硬度的确定。在考虑到第一公差极限120的情况下，这样就能够在被模拟的样品106中鉴定局部的组织不连续部位和/或其它类型的、就对抗极限负载的局部强度而言的薄弱部位和/或抗疲劳强度。

正如在图3中能够看出的那样，作为用于虚拟的应力分析110的可能的输入参数，例如几何形状128，预先给定了机械的抗应力性108、预定的机械应力122、组织结构126的不同状态和/或需要的局部硬度102的预定的特征值。然后借助虚拟的应力分析110重新计算被模拟的样品106的局部的抗拉强度116、局部的屈服极限114、局部的结构变化124和在发生变化之后的组织结构126的不同状态。其中，结构变化也可以包括例如不可逆转的塑性变形或断裂。

虚拟的应力分析110的计算得出被模拟的样品106的被模拟的需要的局部硬度102。借助对具有类似材料特性的参考体、例如有代表性的铸件144进行的测量140，正如图4中所示的那样，使计算出的值得以验证。如果借助比较性测量140不能验证计算出的值，那么实际的测量值就用作为要重新输入的输入参数的基础，例如机械抗应力性108、机械应力122、组织结构126和/或几何形状128的特征值，用于计算机辅助的模拟104和虚拟的应力分析110。也为了实现样品106的局部的抗疲劳强度的计算机辅助的计算而输入来自测量结果的测量值，其中，样品是从单独的和/或牢固铸造的试验体中取出的，而这些试验体被从样品和/或部件的不同构造区域中取出并被检验。

在按照理论计算得出的值与实际测得的测量值之间可能出现的显著偏差通过借助对参考体进行测量140反复验证得以减小。由此提高了借助计算机辅助的模拟104并借助虚拟的应力分析110计算得出的值的有效性和可靠性，这些值是局部的抗拉强度116、局部的屈服极限114、局部的结构变化124和/或需要的局部硬度102的值。

在设计合适的铸件100时，可以借助凝固模拟130为局部组织126补充计算组织不连续部位118的分布和大小，如图4中所示。由此又能够间接地计算出静态的局部强度134和局部的抗振强度138。

如果在要求的局部硬度102方面满足了所有标准，那么就可以铸造第一个物理上实际的样品142。对这个样品同样要进行所有的测量140，从而重新验证模拟结果，正如图4中所示的那样。

在此，从被模拟的样品106的局部应力中能够分别推导出合适的检验方案150。其中，正如图4中表示的那样，能够例如借助数据库询问152自动地从被模拟的样品106的局部强度的计算机辅助的计算的结果中调用合适的检验方案150并且用信号传输该检验方案。这种检验方案150应该定义出，在物理地实际铸造而成的样品142和/或有代表性的部件144的哪些位置上需要进行哪些测量工作140，才能确保要生产的铸件100的工作能力。例如可以借助在检验符号中进行标记可以实现这一点。在图中可以显示出局部的部件特性，和/或在计算机屏幕上输出。为了查明局部的静态强度134以及局部的抗振强度138，例如可能从单独的试验体或牢固铸造的样品中提取主体。

如果没有达到需要的局部硬度102，就可以通过以下方法优化铸件100，即降低应力和/或提高局部的抗应力性。也可以对物理意义上实际铸造完成的样品或要生产的铸件进行事后的珠光体化，从而达到足够的局部硬度。在此，“珠光体化”表示通过热处理在铸铁合金和/或钢中实现尽可能完全的珠光组织结构。其中，可能对铸件的个别合金组成部分（例如碳或钠的含量）的组成进行改变。

如果物理地实际铸造完成的样品的局部强度102，108，134，136，138的所有测得的特征值都很好地与计算机辅助的计算132的结果和计算机辅助的模拟104的结果和已经已知的、从有代表性的铸件144上获得的值保持一致，那么在生产该铸件100时可以在批量生产时实现明显减小的检验范围。

本发明的实施方式的另一个优点是，例如对铸件的质量控制可以减少到只需局部检验铸件中的关键位置，在这些关键位置上存在高的局部机械应力。因为正是例如由铸铁制成的结构部件经常只在少数的局部小范围上承受高应力。因此，铸件的承受应力较低的区域实际上仅需要更少的质量检验。本发明的实施方式能够以有利的方式确保这一点。

对大尺寸的铸件的设计的计算也能够减少到铸件的几个少数相对关键的位置上。在几何形状仅略微变化的大批量零件或部件中，通过本发明的实施方式能够通过借助凝固模拟来模拟铸造过程代替耗费大的测量。其中，又可能强制性地要求验证对样品的铸造模拟结果。

借助计算机辅助优化几何形状和局部的组织结构，本发明的实施方式能够实现改进功能和强度，以及提高在生产时材料效率的最高极限。

Claims (12)

1.一种用于在考虑到在局部硬度（102）方面的要求的情况下优化具有不均匀组织的铸件（100）的方法，目的是生产所述铸件（100），所述方法具有以下方法步骤：

a．在预先给定所述铸件（100）的机械应力（108）和需要的局部硬度（102）的特征值的情况下对所述铸件的样品（106）进行计算机辅助的模拟（104），

b．为了查明所述铸件（100）的被模拟的局部硬度（112），对所述铸件（100）的被模拟的样品（106）进行虚拟的应力分析（110），其中，对所述样品（106）的局部点的屈服极限（114）和抗拉强度（116）进行模拟，其中，从所述屈服极限（114）和/或所述抗拉强度（116）中得出所述被模拟的局部硬度（112），其中，通过将所述局部硬度（102）和所述被模拟的局部硬度（112）进行比较确定所述样品（106）中的薄弱部位（118），其中，由此识别出所述薄弱部位，即超过所述局部硬度（112）的第一公差极限（120），

c．重复所述步骤a至b，直到符合预定义的极限值，其中，在所述局部硬度（112）方面优化所述样品（106），

d．在机械应力（122）起作用后，计算被优化的样品的局部的结构变化，其中，所述被模拟的局部硬度（112）参与到计算中，其中，为了避免结构变化（124），通过调整所述样品（106）的需要的局部硬度（112）和/或组织结构（126）和/或几何形状（128）来进一步优化所述被优化的样品（106），

e．重复所述步骤a至d，直到所有的结构变化（124）都处于预定义的第二公差极限内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，还借助计算机辅助的凝固模拟（130）优化用于铸造所述样品（106）的过程，其中，在进行优化时，通过重复进行模拟这样调整所述组织结构（126），使得所述样品（106）的所述局部硬度（112）处于所述第一公差极限（120）内。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述组织结构（126）具有局部组织，其中，借助所述计算机辅助的凝固模拟（130）从所述组织结构（126）的组织不连续部位的分布和大小中直接计算出所述样品（106）的所述局部组织。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述机械应力（108）的预先给定的特征值在应力方面包括机械特征值、形状参数、负载参数和/或尺寸参数，并且在抗应力性方面包括组织结构参数、局部的抗疲劳强度的参数、质量等级的参数和/或预定义的参考面积的参数。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括对从所述步骤e）中获得的所述样品（106）的局部强度进行计算机辅助的计算，其中，计算所述局部强度包括计算局部的静态强度（134）、局部的工作强度（136）和/或局部的抗振强度（138），其中，对所述局部强度的计算基于为所述机械应力（108）所测得的特征值的值，所述值通过对实际铸造的、从所述步骤e）中获得的样品（142）和/或对有代表性的铸件（144）进行测量（140）获得。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过对实际铸造的、从所述步骤e）中获得的所述样品（142）和/或对所述有代表性的铸件（144）进行测量（140），验证对局部强度（132）的和/或对虚拟的应力分析（110）的计算机辅助的计算，其中，在借助测量（140）进行的验证失败的情况下，获得的测量值用作为在对局部强度（132）的和/或对虚拟的应力分析（110）的计算机辅助的计算中纠正式地调整机械应力（146）的特征值和/或抗应力性（148）的特征值的基础。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，通过所述凝固模拟（130）计算所述被模拟的样品（106）的所述局部的静态强度（134）的值、所述局部的工作强度（136）的值和/或所述局部的抗振强度（138）的值，其中，所述值通过在局部的硬度测量中、抗振强度测试中和/或局部的微结构检查中对从所述凝固模拟中导出的并且铸造的物理上实际的样品（142）和/或对所述有代表性的铸件（144）测得的测量值（140）来验证，其中，在借助测量（140）进行验证失败的情况下，从所述局部的硬度测量、所述抗振强度测试和/或所述局部的微结构检查中获得的测量值用作为纠正式地调整通过所述凝固模拟（130）计算出的、所述局部的静态强度（134）、所述局部的工作强度（136）和/或所述局部的抗振强度（138）的值的基础。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还具有对包括所述被模拟的样品（106）的局部的机械应力的数据库（152）进行计算机辅助的询问的步骤，其中，作为询问的回答得到的是合适的检验方案（150），用于检验物理地实际铸造的、从所述步骤e）中获得的所述样品（142）和/或所述有代表性的铸件（144）的局部的抗疲劳强度，其中，所述方法还包括确定在物理上实际的、从所述步骤e）中获得的所述样品（142）和/或所述有代表性的铸件（144）上的哪个位置上借助所述检验方案（150）对所述局部的抗疲劳强度进行检验。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，

-其中，从实际铸造的、从所述步骤e）中获得的所述样品（142）和/或所述有代表性的铸件（144）的所述屈服极限（114）和/或所述抗拉强度（116）和所述硬度（112）之间的相互关系中计算出所述局部的静态强度（134），

-其中，借助韦勒疲劳曲线模型实现所述局部的工作强度（136）的计算，所述韦勒疲劳曲线模型与铸造的、从所述步骤e）中获得的所述样品（142）和/或所述有代表性的铸件（144）的组织相关联，其中，考虑到组织不连续部位对于所述抗振强度（138）造成的影响，和/或

-其中，相关于所述抗振强度（138）的测量值参与到对从所述步骤e）中获得的所述样品（142）的和/或所述有代表性的铸件（144）的所述局部的抗振强度（138）的计算中，所述测量值借助合适的检验方法（146）在从所述步骤e）中获得的所述样品（142）上测得，以用于检验所述抗振强度（138）。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在计算机辅助进行计算（104，132）时和在计算机辅助进行凝固模拟（130）时，为从所述步骤e）中获得的所述样品（142）的所述组织结构（126）的状态和/或所述组织结构（126）的组织不连续部位预先给定了预定义的第三公差极限，其中，在不符合所述第三公差极限的情况下，重复所述步骤a至e、测量和/或凝固模拟，直到所述组织结构的状态和/或所述组织结构的组织不连续部位处于所述预定的第三公差极限内。

11.一种计算机程序产品，具有能由处理器执行的指令，用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法步骤。

12.一种用于在考虑到在局部硬度（102）方面的要求的情况下优化具有不均匀组织的铸件（100）的计算机系统，目的是生产所述铸件（100），具有以下方法步骤：

a．在预先给定所述铸件（100）的机械应力（108）和需要的局部硬度（102）的特征值的情况下对所述铸件的样品（106）进行计算机辅助的模拟（104），

b．为了查明所述铸件（100）的被模拟的局部硬度（112），对所述铸件（100）的被模拟的样品（106）进行虚拟的应力分析（110），其中，对所述样品（106）的局部点的屈服极限（114）和抗拉强度（116）进行模拟，其中，从所述屈服极限（114）和/或所述抗拉强度（116）中得出被模拟的局部硬度（112），其中，通过将所述局部硬度（102）和所述被模拟的局部硬度（112）进行比较确定所述样品（106）中的薄弱部位（118），其中，由此识别出所述薄弱部位，即超过所述局部硬度（112）的第一公差极限（120），

c．重复所述步骤a至b，直到符合预定义的极限值，其中，在所述局部硬度（112）方面优化所述样品（106），

d．在机械应力（122）起作用后，计算被优化的样品的局部的结构变化，其中，所述被模拟的局部硬度（112）参与到计算中，其中，为了避免结构变化（124），通过调整所述样品（106）的需要的局部硬度（112）和/或组织结构（126）和/或几何形状（128）来进一步优化所述被优化的样品（106），

e．重复所述步骤a至d，直到所有的结构变化（124）都处于预定义的第二公差极限内。

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