DE102012203435B4

DE102012203435B4 - Ermittlung einer Materialeigenschaftsverteilung zur Berechnung der Ermüdungslebensdauer unter Verwendung eines Modells für den Dendritenarmabstand und eines porositätsbasierten Modells

Info

Publication number: DE102012203435B4
Application number: DE102012203435.8A
Authority: DE
Inventors: Xinyu Zhou; Paul N. Crepeau; Bing Li; Qigui Wang; Arunkumar R
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: CN103257214B; CN103257214A; KR101355839B1; KR20120102522A; DE102012203435A1; US8666706B2; MX2012001976A; US20120232858A1

Abstract

Verfahren zum Entwerfen einer knotenweisen Verteilung von Materialeigenschaften in einer Gusskomponente, wobei das Verfahren umfasst, dass:ein Computersystem (300) konfiguriert wird, damit dieses eine Dateneingabe, eine Datenausgabe, zumindest eine Verarbeitungseinheit (310) sowie einen Daten enthaltenden Speicher (340B) und/oder einen Anweisungen enthaltenden Speicher (340A) umfasst, welche über einen Datenkommunikationspfad miteinander zusammenwirken;Knotenkoordinaten als Eingabe für das Computersystem (300) empfangen werden, die sowohl einer Netzsimulation für ein endbearbeitetes Teil als auch einer Netzsimulation für ein Gussteil entsprechen;Materialeigenschaftsinformationen als Eingabe für das Computersystem (300) aus einer Materialeigenschaftsdatenbank (160) empfangen werden;Informationen als Eingabe für das Computersystem (300) empfangen werden, die zu Komponenten und/oder Randbedingungen einer Erstarrungssimulation gehören;Werte für eine Erstarrungszeit und/oder eine Erstarrungsrate basierend auf den empfangenen Komponenten und/oder Randbedingungen der Erstarrungssimulation und den empfangenen Materialeigenschaftsinformationen an jedem Knoten der Netzsimulation für das Gussteil ermittelt werden;die ermittelten Werte mit den Knotenkoordinaten aus der Netzsimulation für das endbearbeitete Teil integriert werden;zumindest eine Näherung der Materialeigenschaften durch einen Algorithmus berechnet wird, der die knotenweisen Differenzen in den empfangenen Materialeigenschaftsinformationen korrigiert; unddie angenäherten Materialeigenschaften auf entsprechende Knotenkoordinaten der Netzsimulation für das endbearbeitete Teil abgebildet werden; dadurch gekennzeichnet , dassder Algorithmus, der die knotenweisen Differenzen in den empfangenen Materialeigenschaftsinformationen korrigiert, umfasst, dass die Materialeigenschaften zwischen einem Bereich der Gusskomponente mit einem hohen Wert für einen Dendritenarmabstand und einem Bereich der Gusskomponente mit einem niedrigen Wert für den Dendritenarmabstand interpoliert werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein vorausgesagte mechanische Eigenschaften von Gusskomponenten und insbesondere Verfahren, um eine Voraussage von Dehnungseigenschaften und Ermüdungslebensdauern von gegossenen Aluminiumlegierungen zu unterstützen, indem die Verteilung von Materialeigenschaften über die gesamten Gusskomponenten basierend auf einer Gussprozesssimulation ermittelt wird, die Werte für einen Dendritenarmabstand (DAS) oder Porositätswerte oder beides berücksichtigt.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Entwerfen einer knotenweisen Verteilung von Materialeigenschaften in einer Gusskomponente geht der Art nach im Wesentlichen aus dem Artikel von DANNBAUER, H. [et al.] mit dem Titel „Integrating the Results from Process Simulation into Fatigue Life Prediction" (SAE Technical Paper 2007-26-071, 2007, DOI: 10.4271/2007-26-071, abrufbar über URL: https://citeseerx.ist.psu.edu) hervor. Weitergehender Stand der Technik ergibt sich ferner aus der US 2006 / 0 282 186 A1 .
Numerische Simulationstechniken (wie beispielsweise eine Analyse mit finiten Elementen (FEA, manchmal mit FE abgekürzt) und mit finiten Differenzen (FD)) werden verwendet, um das thermische, mechanische und damit verbundene Verhalten eines Objekts vorauszusagen, das simuliert werden soll, indem große, oft komplexe Objekte in diskrete einfache Formen aufgebrochen werden, von denen angenommen wird, dass sie mathematisch homogene Eigenschaften besitzen. Von bestimmten Eigenschaften, wie beispielsweise von den Materialeigenschaften, wird üblicherweise angenommen, dass sie über das Objekt, das simuliert werden soll, im Wesentlichen einheitlich sind. Unglücklicherweise zeigen viele solcher Objekte nicht eine solche Einheitlichkeit in ihren Materialeigenschaften. Dies ist insbesondere bei Gusskomponenten vorherrschend, für die gezeigt wurde, dass (beispielsweise) der DAS einen signifikanten Einfluss auf solche Materialeigenschaften aufweist, da das Material mit einem kleineren DAS dazu neigt, bessere mechanische Eigenschaften aufzuweisen. Bezogen auf Motorblöcke von Kraftfahrzeugen weisen die DAS-Werte, die Indizien für Erstarrungsraten der Gusskomponenten liefern, einen Neigung auf, in dünnen Bereichen oder in Bereichen mit Kokillen (wie beispielsweise in der Trennwand des Blocks) vergleichsweise niedrig und in dickeren Bereichen (wie beispielsweise diejenigen, die den Schraubenvorsprüngen am Kopf des Blocks benachbart sind) relativ hoch zu sein. Somit kann eine Haltbarkeitsanalyse und eine Voraussage der Lebensdauer (wie beispielsweise eine Ermüdungsanalyse oder -simulation; oder eine Voraussage der Ermüdungslebensdauer) der Gusskomponenten ohne eine Korrektur solcher Materialschwankungen beeinträchtigt seien.
Bezüglich der DAS-basierten Modellierung von Zug- und Ermüdungseigenschaften tritt die inhärente Schwankung in den Eigenschaften des Gussteils zumindest teilweise auf, da eine gerichtete Erstarrung, die zum Auffüllen eines Erstarrungsschwunds erforderlich ist, Temperaturgradienten erfordert, die Differenzen in der Erstarrungsrate und -zeit bewirken. Da die Mikrostruktur gegenüber der Erstarrungsrate und -zeit empfindlich ist und die Eigenschaften gegenüber der Mikrostruktur empfindlich sind, wird eine sogenannte „gute“ Gussteilkonstruktion stets einen Gradienten der Eigenschaften erzeugen. Eine herkömmliche Erstarrungsanalysesoftware liefert die mechanischen Eigenschaften für verschiedene gegossene Metalllegierungen nur in dem Zustand wie gegossen, oder sie wird verwendet, um die Mikrostruktur basierend auf einer funktionalen Beziehung mit empirischen Messwerten zu ermitteln, welche wiederum verwendet wird, um die mechanischen Eigenschaften basierend auf den Ergebnissen einer Erstarrungssimulation kombiniert mit speziellen geometrischen und Verarbeitungseingaben vorauszusagen.
Da alle Gussteile in einem gewissen Ausmaß unterschiedlich verarbeitet werden, teilweise basierend auf der Metallvorbereitung (einschließlich beispielsweise eines Wasserstoff- und Einschlussgehalts), speziellen Gussprozessmerkmalen (wie beispielsweise Kokille oder keine Kokille), dem Abkühlen nach dem Guss, der Wärmebehandlung, der Geometrie oder dergleichen, wird jedes Gussteil durch einen Entwicklungszyklus geführt, der in einem eindeutigen Satz von Eigenschaften endet. Ferner ist ein Voraussagen der Eigenschaften anhand fundamentaler Prinzipien computertechnisch sehr intensiv. Bei einer Form der Software zur Ermüdungsmodulierung oder -berechnung listet die Materialeigenschaftsdatenbank Faktoren auf, welche die nominelle Ermüdungsfestigkeit basierend auf dem lokalen Mikrostrukturparameter DAS verringern oder erhöhen. Die Software liest eine Datei ein, die den DAS-Wert an jedem Knoten in einem FEA-Netz enthält, und sie berechnet anschließend eine angepasste Ermüdungsfestigkeit an jedem Knoten. Eine solche Lösung zeigt jedoch nicht, wie die Ermüdungsfestigkeit durch den DAS kontrolliert wird, und sie zeigt stattdessen, wie die Ermüdungsfestigkeit durch einen Porositätsgehalt kontrolliert wird, der nur schwach mit dem DAS korreliert.
Somit fehlen Systeme, Verfahren und Herstellungserzeugnisse, um die Schwankungen in den Materialeigenschaften von Gusskomponenten genau zu berücksichtigen. Eine Analyse mit finiten Elementen und eine dazugehörende Spannungsanalyse könnten ebenso davon profitieren, dass ein realistischeres Feld von mechanischen Eigenschaften an jedem Knoten in dem FEA-Netz einer Gusskomponente als ein Weg bereitgestellt wird, um die Simulationsgenauigkeit zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zum Entwerfen einer knotenweisen Verteilung von Materialeigenschaften in einer Gusskomponente vorgestellt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine genauere Voraussage der Haltbarkeit und des Leistungsverhaltens von Gusskomponenten, indem Schwankungen der Materialeigenschaften über die gesamte Komponente berücksichtigt werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht einem Modellierer, Standardeigenschaften aus einer Materialeigenschaftsdatenbank mit DAS- oder Erstarrungszeitdaten zu kombinieren, die von einer Erstarrungssimulation ausgegeben werden, und auch die Eigenschaften auf einfache und direkte Weise in ein FEA-Netz abzubilden. In dem vorliegenden Kontext umfasst das Abbilden, dass Daten (wie beispielsweise der DAS oder dergleichen), die von der Erstarrungssimulation ausgegeben werden, an jedem Knoten in dem FEA- oder FD-Netz des Gussteils erfasst werden und dass diese Daten in das FEA-Netz eines endbearbeiteten Teils eingekoppelt werden. Dies ist nicht einfach, da (wie nachstehend diskutiert wird) die Knotenkoordinaten und das geometrische Nebeneinanderliegen in den zwei Netzen unterschiedlich sind, was auch für die Gesamtgeometrien des Teils gilt. Auf diese Weise werden Saatdaten, die zu speziellen DAS- oder Porositätswerten einer Gusskomponente gehören, die modelliert wird, zum Berechnen der Eigenschaften über die gesamte Komponente basierend auf dem lokalen DAS- oder Porositätswert verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Voraussagen einer Verteilung der Materialeigenschaften in einer solchen Gusskomponente offenbart, bei dem Schwankungen in den Materialeigenschaften über die gesamte Komponente abgebildet werden. Das Verfahren umfasst, dass DAS- oder Porositätsdaten oder beide aufgenommen werden, wobei solche Daten anhand einer Berechnung ermittelt wurden, die ausgebildet ist, um Gussqualitätsdaten, Gussfehlerdaten und/oder Mikrostrukturdaten des Materials zu liefern. Ein Beispiel für etwas, das eine solche Berechnung bereitstellen kann, ist eine Gussprozess-Simulationssoftware (die auch als Gussteilmodellierung, Gusssimulation oder dergleichen bezeichnet wird). Kommerziell verfügbare Beispiele einer solchen Gussprozesssimulation umfassen MAGMA, ProCAST, EKK, WRAFTS, Anycasting oder dergleichen. Eine solche Software weist typischerweise mehrere Module auf, die das Füllen einer Gussform, die Erstarrung, das Formen eines Kerns (Blasen) und dazugehörige Funktionen simulieren können, die kombiniert werden, um die Verteilung der Mikrostrukturen in einem Gussteil zu ermitteln. Die vorliegenden Erfinder verwendeten MAGMA, um DAS-Daten für die Gussteile von Interesse bereitzustellen. Das Verfahren umfasst zusätzlich, dass Knotennummern und auch deren entsprechende Knotenkoordinaten (beispielsweise x-, y- und z-Koordinaten aus einem kartesischen Koordinatensystem) aus der Gusssimulation aufgenommen werden. Die vorliegenden Erfinder koppelten auch Erstarrungsergebnisse und zusätzliche Parameter in einen Gussfehler-Simulationscode ein, um Porengrößen vorauszusagen. In dem vorliegenden Kontext verwendet ein Gussfehler-Simulationscode im Allgemeinen die Ergebnisse einer Erstarrungssimulation (wie beispielsweise das Voranschreiten einer Temperaturänderung während des Abkühlens und dazugehörende Dichteänderungen von der Flüssigkeit zu dem Festkörper) als eine Eingabe, um Details wie etwa die Keimbildung und das Wachstum der Porosität zu berechnen. Dieser Gussfehler-Simulationscode ist der Gegenstand der US 2011 / 0 144 788 A1 . Das Verfahren umfasst auch, dass Geometriedaten des Gussteils aufgenommen werden, wobei solche Geometriedaten verwendet werden, um verschiedenen Knoten eines FEA- oder FD-Netzes zu entsprechen, das eine geometrische Darstellung der Gusskomponente mit entsprechenden Koordinaten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem umfasst. Beispielsweise kann dieses jeden der Knoten aufweisen, dem eine eindeutige Koordinate {x, y, z} in einem kartesischen Koordinatensystem entspricht. Das Verfahren umfasst auch, dass Materialeigenschaften des Gussteils an den verschiedenen Knoten berechnet werden, in dem die Erstarrungszeit oder die Erstarrungsrate oder beides berücksichtigt wird (die wiederum verwendet werden können, um DAS- und Porositätsdaten zu liefern), und auch, dass die berechneten Materialeigenschaften auf die Knoten in dem FEA-Netz abgebildet werden. In dem vorliegenden Kontext können die berechneten Materialeigenschaften mechanische Eigenschaften umfassen (wie beispielsweise Zug- und Ermüdungseigenschaften). Ebenso bedeutet das Abbilden der DAS- und Porositätsdaten von dem FEA- oder FD-Netz des Gussteils auf ein FEA-Netz eines endbearbeiteten Teils in dem vorliegenden Kontext, die DAS- und Porositätswerte für jeden Knoten in dem FEA-Netz des endbearbeiteten Teils anhand des FEA- oder FD-Netzes des Gussteils zu finden. Das Abbilden der DAS- und Eigenschaftswerte, die von der Gusssimulation ausgegeben werden, in das FEA-Netz des endbearbeiteten Teils ist nicht trivial, da (1) sich die Geometrien unterscheiden, da Metall des Gussteils zur Herstellung des endbearbeiteten Teils maschinell bearbeitet wird und (2) sich die Netze für die strukturelle FEA und die Erstarrungssimulation unterscheiden. Beispielsweise verwendet MAGMA ein FD-Netz, das aus identischen kubischen Elementen zusammengesetzt ist; FEA-Strukturanalysecodes verwenden typischerweise ein Netz aus Tetraederelementen mit unregelmäßigen Abmessungen.
Um die Ergebnisse von dem Netz des Gusssimulationscodes auf das Netz des Strukturanalysecodes zu übertragen, müssen Bestanpassungen zwischen den Koordinaten der entsprechenden Knoten gefunden werden. Unvermeidbare Differenzen zwischen den Koordinaten müssen abgeglichen werden. Ein Teil des Verfahrens, das hierin beschrieben ist, deckt einen solchen Abgleich ab. Ein anderer Teil betrifft die Verwendung der Erstarrungsergebnisse, wie sie auf das Netz des Strukturanalysecodes übertragen werden, als Eingabe für Gleichungen zur Berechnung der mechanischen Eigenschaften. Auf diese Weise werden die verteilten Erstarrungsergebniswerte verwendet, um knotenweise Eigenschaften auf das gesamte Netz des Strukturanalysecodes abzubilden.
Ein Teil des Verfahrens gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung führt zwei Hauptfunktionen aus: (1) Das Abbilden von Werten des DAS, der Porosität und/oder von Daten aus einer Erstarrungssimulation an den Knoten in ein FEA-Netz eines endbearbeiteten Teils und das Korrigieren von Abweichungen, die aus den Differenzen zwischen den Knotennetzgeometrien entstehen können, und (2) das Kalibrieren einer Abbildungsgleichung mit Daten aus einer Materialeigenschaftsdatenbank und das Verwenden der kalibrierten Gleichung, um Eigenschaften an den Knoten über das gesamte Teil basierend auf der Erstarrungszeit, der Erstarrungsrate, dem DAS oder der Porosität an den Knoten zu berechnen. Diese Abbildungs- und Kalibrierungsfunktion (die hierin manchmal als MATerial GENeration oder MATGEN bezeichnet wird) umfasst als ein Teil dieser ersten Funktion, dass die Knotennummer und die entsprechenden Knotenkoordinaten gelesen werden (wie beispielsweise die zuvor erwähnten Koordinaten {x, y, z} in einem kartesischen System). Zusätzlich liest MATGEN DAS-, Porositäts- oder Erstarrungsinformationen aus der Datendatei, die von dem Gussprozess-Simulationscode ausgegeben wird. In der Zwischenzeit liest MATGEN die Knotennummer, die Knotenkoordinaten und eine Elementkonnektivität des strukturellen FEA-Netzes. Für jeden Knoten in dem strukturellen FEA-Netz sucht MATGEN den entsprechenden Knoten in dem FEA- oder FD-Netz des Gussteils, wobei die Elementkonnektivität verwendet wird, um den Suchprozess zu beschleunigen. Bei einer Optionsform für MATGEN kann der Code anweisen, wenn ein Knoten des Elements von dem Zielknoten weit entfernt ist, dass der Rest der Knoten in dem Element nicht durchsucht wird. Wenn der entsprechende Knoten nicht existiert, verwendet das Programm die Informationen über die Elementkonnektivität, um einen Satz von Knoten in der Nähe zu finden, um die DAS- und Porositätswerte zu interpolieren. Gemäß einer Form ermöglicht das Verfahren gemäß einem Aspekt dieser Erfindung, dass Erstarrungssimulationsdaten auf ein FEA-Netz eines endbearbeiteten Teils abgebildet werden, wonach die Eigenschaften in dem FEA-Netz des endbearbeiteten Teils basierend auf den lokalen DAS-, Porositäts- oder dazugehörigen Werten berechnet oder abgebildet werden können. Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass die Reihenfolge, in der diese zwei Funktionen ausgeführt werden, für eine korrekte Berechnung nicht kritisch ist, und daher können sie derart umgekehrt werden, dass die Berechnung der Eigenschaften basierend auf den Erstarrungsergebnisdaten in dem Erstarrungsnetz ausgeführt werden könnte, wonach die berechneten Eigenschaften an jedem Knoten des Erstarrungsnetzes in das Netz des endbearbeiteten Teils abgebildet werden könnten. In der zweiten dieser Funktionen werden die mechanischen Eigenschaften für jeden Knoten dann, wenn die entsprechende Knotennummer und die jeweiligen DAS- und Porositätsdaten für das strukturelle FEA-Netz erhalten werden, anschließend anhand von Gleichungen berechnet, die beispielsweise den DAS und die Porosität mit den mechanischen Eigenschaften in Beziehung setzen, und in eine Ergebnisdatei mit der entsprechenden Knotennummer und den entsprechenden Koordinaten {x, y, z} ausgegeben. Diese Ergebnisdatei kann anschließend als eine Eingabedatei mit Materialeigenschaften an den Knoten für die strukturelle FEA-Analyse verwendet werden, um die Ermüdungslebensdauer an jedem Knoten in dem Teil genau zu berechnen.
Gemäß einer optionalen Form werden die abgebildeten angenäherten Materialeigenschaften, die den jeweiligen Knotenkoordinaten der Netzsimulation für das endbearbeitete Teil entsprechen, mit den ermittelten Spannungen und Dehnungen kombiniert, bevor die Ermüdungsanalyse durchgeführt wird, während gemäß einer anderen Form die abgebildeten angenäherten Materialeigenschaften separat von den ermittelten Spannungen und Dehnungen in die Ermüdungsanalyse eingeführt werden. Anders ausgedrückt kann die Reihenfolge der Netzintegration und der Abbildung unter MATGEN umgekehrt werden, was davon abhängt, ob die MATGEN-Abbildung mit den Spannungen und Dehnungen an den Knoten vereinigt wird. In der Situation, in der die Abbildung unter MATGEN zuerst ausgeführt wird, werden der DAS und die dazugehörigen Nummern an den Knoten in dem Erstarrungsnetz in Eigenschaften an den Knoten umgeformt, wonach sie in das Netz des endbearbeiteten Teils abgebildet oder auf andere Weise integriert werden. Daher können die Daten der Erstarrungssimulation gemäß einer Form auf ein FEA-Netz des endbearbeiteten Teils abgebildet werden, wonach die Eigenschaften in dem FEA-Netz des entbearbeiteten Teils basierend auf den lokalen DAS-, Porositäts- und dazugehörigen Werten berechnet oder abgebildet werden können.
Wie es momentan konfiguriert ist, kann das Programm die DAS-Daten verwenden, um sowohl Ermüdungs- als auch Zugeigenschaften vorauszusagen, während die Porositätsdaten verwendet werden können, um lediglich die Ermüdung vorauszusagen, da sie einen besseren Prädiktor der Ermüdung als der DAS darstellen. In dem vorliegenden Kontext soll ein Modell als eine Berechnung verstanden werden, die auf einer mathematischen Darstellung eines Datensatzes basiert, die zur Ermittlung der Wirkung verwendet werden kann, die ein spezieller Prozess (wie beispielsweise ein Gussprozess) auf mechanische Eigenschaften eines Objekts aufweist, das studiert werden soll. Ein solches Modell kann einen Algorithmus, ein Programm oder eine verwandte Berechnung umfassen, die ausgeführt, abgearbeitet oder auf andere Weise durchgeführt wird, um die resultierende Datendarstellung zu erzeugen. Gemäß einer bevorzugten Form kann das Modell auf einem Digitalcomputer ausgeführt werden. Wie Fachleute einsehen werden, umfassen ein Datenverarbeitungs- oder Computersystem im Allgemeinen und ein Digitalcomputer im Besonderen vorzugsweise eine Eingabe, eine Ausgabe, eine Verarbeitungseinheit (die oft als eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) bezeichnet wird) und einen Speicher, der einen solchen Code, ein solches Programm oder einen solchen Algorithmus in dem Speicher des Computers vorübergehend oder permanent speichern kann, so dass die Anweisungen, in dem Code enthalten sind, basierend auf Eingabedaten durch die Verarbeitungseinheit derart abgearbeitet werden, dass Ausgabedaten, die durch den Code und die Verarbeitungseinheit erzeugt werden, zu einem anderen Programm oder zu einem Benutzer mittels einer Ausgabe übertragen werden können. Gemäß einer Form wird der Daten enthaltende Teil des Speichers (der auch als Arbeitsspeicher bezeichnet wird) als ein Speicher mit zufälligem Zugriff (RAM) bezeichnet, während ein Anweisungen enthaltender Teil des Speichers (der auch als ein Permanentspeicher bezeichnet wird) als ein Festwertspeicher (ROM) bezeichnet wird. Ein Datenbus oder ein dazugehörender Satz von Kabeln und zugeordnete Schaltungen bilden einen geeigneten Datenkommunikationspfad, der die Eingabe, die Ausgabe, die CPU und den Speicher und auch eine beliebige periphere Ausrüstung auf eine solche Weise verbinden kann, dass ermöglicht wird, dass das System als ein integriertes Ganzes arbeitet. Ein solches Computersystem wird derart bezeichnet, dass es eine von-Neumann-Architektur aufweist (wobei es auch als ein Allzweckcomputer oder Computer mit gespeichertem Programm bezeichnet wird).
Die Ausgabeinformationen von MATGEN können durch einen strukturellen Analysecode (einschließlich einer Ermüdungsanalyse) oder durch einen Code zur computerunterstützten Konstruktion (CAD-Code) gelesen werden (von denen Beispiele FESAFE, ABAQUS oder Hypermesh umfassen), um die berechneten Eigenschaften an jedem Knoten zu zeigen. Gemäß einem Beispiel kann das Verfahren des vorliegenden Programms eine Hypermesh-Visualisierungsdatei in einem Textformat erzeugen, indem die berechneten Materialeigenschaften auf ein FEA-Netz abgebildet werden. Diese Visualisierungsdatei kann anschließend eingelesen werden, um die Eigenschaften für jeden Knoten zu zeigen, wobei leicht erkennbar Indizien verwendet werden, wie beispielsweise Farbkonturen oder dergleichen. Auf ähnliche Weise kann MATGEN auch die eingegebenen DAS- und Porositätseingabedaten auf ein FEA-Netz abbilden.
Optional umfasst das Verfahren, dass sowohl die DAS- als auch die Porositätswerte verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Form umfasst das Aufnehmen sowohl der Gussteil-Geometriedaten als auch der DAS- oder der Porositätsdaten oder beider, dass solche Daten zusätzlich auf verschiedenen Knoten in einem geometrischen Modell abgebildet werden, das üblicherweise durch ein FEA-Netz dargestellt wird. Gemäß einer anderen Option umfasst das zuvor erwähnte Kombinieren der Gusssimulationsergebnisse mit dem geometrischen Modell in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, dass die Gusssimulationsergebnisse aus einer zuvor durchgeführten Gusssimulation empfangen werden und dass diese Ergebnisse mit entsprechenden Koordinaten aus dem geometrischen Modell kombiniert werden. Gemäß einer anderen Option kann das Kombinieren umfassen, dass die Gusssimulationsergebnisse vorher erzeugt werden (beispielsweise durch die Verwendung einer eigenständigen Gussprozesssimulation) und dass solche Ergebnisse anschließend in das Verfahren importiert werden, um mit der Knotendarstellung der Form, der Geometrie oder der dazugehörigen Struktureigenschaften der Gusskomponente kombiniert zu werden. Wie vorstehend festgestellt wurde, kann das dreidimensionale Koordinatensystem verwendet werden, um ein herkömmliches kartesisches Koordinatensystem {x, y, z} darzustellen. Das Verfahren kann ferner umfassen, dass eine Strukturanalyse des Gussteils basierend auf der Abbildung der berechneten Materialeigenschaften durchgeführt wird, um dessen Ermüdungs- und/oder Zugeigenschaften zu ermitteln.
Das Verfahren kann ferner derart ausgebildet sein, dass verschiedene Modelle auf verschiedenen Formen der Materialeigenschaftsinformationen aus der Materialeigenschaftsdatenbank beruhen können. Beispielsweise kann ein erster Satz der Materialeigenschaftsinformationen für die Berechnungen der Erstarrungssimulation benötigt werden, welche die Zeit und die Rate umfassen, während ein zweiter Satz der Materialeigenschaftsinformationen für die Knotenkoordinaten der Strukturanalyse des endbearbeiteten Teils verwendet werden kann. Auf ähnliche Weise kann ein Teil der Materialeigenschaftsinformationen derart gemeinsam genutzt werden, dass eine Überlappung in den Datensätzen existiert. Gemäß einer Form kann die Erstarrungssimulation thermophysikalische Daten für die Legierung verwenden (wie beispielsweise Cp, die thermische Leitfähigkeit, die Schmelzwärme, die Viskosität oder dergleichen), während die Strukturanalyse Kriterien, die dem Spannungs-Dehnungsverhalten zugeordnet sind, (wie beispielsweise den Elastizitätsmodul, v, die Spannungs-Dehnungskurve, den Koeffizienten der thermischen Ausdehnung oder dergleichen) und die Ermüdungsanalyse verwenden kann, die auf Ausfallkriterien beruht (wie beispielsweise auf der Fließgrenze, der ultimativen Zugfestigkeit, S-N-Kurvendaten, Dehnungslebensdauer-Ermüdungsdaten oder dergleichen). In dem vorliegenden Fall werden Eigenschaftsdaten der Ausfallkriterien in der Materialeigenschaftsdatenbank für eine begrenzte Anzahl von Positionen (üblicherweise zwei) definiert; das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst, dass die berechneten Eigenschaftsdaten der Ausfallkriterien anderen Positionen in dem endbearbeiteten Teil zugewiesen werden, das die Strukturanalyse durchläuft. Gemäß einer anderen Form kann es möglich sein, die Abbildung der Eigenschaften auf eine solche Weise auszuführen, dass Werte des Spannungs-Dehnungsverhaltens auf die Knoten abgebildet werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Durchführen einer Ermüdungsanalyse für eine Gusskomponente vorgestellt, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 8 auszeichnet. Eine solche Analyse dient als ein nützlicher Weg für eine Voraussage, wo sich in einer Gusskomponente Bereiche mit Spannungen befinden, die sowohl hoch genug sein können als auch oft genug wiederholt werden können, so dass sie mit der Zeit zu einem Ausfall der Komponente führen. Das Spannungs-Lebensdauerverfahren (das die wohlbekannte S-N-Kurve verwendet) ist ein weithin verwendeter Ansatz, um die Ermüdung in Kraftfahrzeug- und verwandten Industrien zu ermitteln, wobei ein solcher Ansatz Varianten in der Zeitdomäne und in der Frequenzdomäne umfassen kann. Zusätzlich zu den Domänen kann eine Ermüdungsanalyse auf einer Anzahl von anderen Faktoren basieren, wie beispielsweise einer Rissauslösung und -ausbreitung (beispielsweise unter Verwendung von Annahmen entweder einer uniaxialen oder multiaxialen Spannungsbelastung) als ein Weg, um zu zeigen, wie die schlechte Übertragung von Spannungen, die sich an lokalen Diskontinuitäten entwickeln, zu einem Ermüdungsausfall führen kann. In dem vorliegenden Kontext verwendet eine Analyse, ein Modell, eine Kalkulation oder dergleichen für die Ermüdungslebensdauer, welche bzw. welches auf der Mikromechanik basiert, vorzugsweise einen Digitalcomputer (wie er beispielsweise vorstehend diskutiert wurde), um einen Knotenansatz mit finiten Elementen oder einen verwandten Knotenansatz zum Simulieren des Verhaltens eines Teils zu verwenden, wobei sich „Mikromechanik“ im Allgemeinen auf mathematische Berechnungen basierend auf einer oder mehreren einzelnen Phasen oder chemischen Komponenten bezieht, die kumulativ eine Legierung oder eine Zusammensetzung bilden. Somit betrachten die Modelle für die Ermüdungslebensdauer (d.h. die Gleichungen), die auf der Mikromechanik basieren und hierin beschrieben sind, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Fehlern und Mikrostruktureigenschaften in der Aluminiumlegierung, wenn eine Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung unter einer multiaxialen Last an dieser vorausgesagt wird. Das Verfahren umfasst, dass eine Materialeigenschaftsverteilung in einem Gussteil ermittelt wird, dass eine auf die Ermüdung bezogene Parametereingabe in das Ermüdungsanalyseverfahren eingegeben wird und dass eine oder mehrere Ermüdungseigenschaften der Komponente berechnet werden. Die Materialeigenschaftsverteilung kann ermittelt werden, indem Gusssimulationsergebnisse aus einer vorhergehenden Gussprozesssimulation mit einer mehrdimensionalen Simulation der thermischen Struktur kombiniert werden, um eine Abbildung der Materialeigenschaften der Komponente, die gegossen wird, zu erzeugen, und indem diese mit DAS- oder Porositätswerten oder mit beidem kombiniert wird, die für eine entsprechende Materialeigenschaftsberechnung verwendet wurden. Anhand dessen wird eine Verteilung der Materialeigenschaften in der Abbildung ausgeführt, indem die geeigneten DAS- oder Porositätswerte auf die Gusssimulationsergebnisse angewendet werden, wonach die Verteilung der Materialeigenschaften in eine Struktursimulation mit Gebrauchslast eingegeben werden kann, um eine Ermüdungs-Haltbarkeitsanalyse durchzuführen, durch die einer oder mehrere Ermüdungs-Haltbarkeitswerte, wie beispielsweise ein Sicherheitsfaktor, welcher der Gusskomponente zugeordnet ist, basierend auf der Verteilung der Materialeigenschaften ermittelt werden können.
Optional können die DAS-basierten Gleichungen der Materialeigenschaften einfach unter Verwendung von gemessenen Materialeigenschaften an zwei Positionen des Teils kalibriert werden, die unterschiedliche DAS-Werte zeigen. Eine solche Komponente, auf welche die Einrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung insbesondere angewendet werden können, ist ein Motorblock, bei dem sowohl dünne Bereiche (und ihre begleitenden niedrigen DAS-Werte) und dicke Bereiche (mit entsprechend hohen DAS-Werten) vorhanden sind. Gemäß einer spezielleren Option werden die abgetasteten Werte (oder Saatwerte) an einem Abschnitt der Komponente erfasst, der den kleinsten DAS und die höchsten Materialeigenschaften besitzt, und auch an einem Ort, der die geringsten Materialeigenschaften und den größten DAS zeigt. Auf diese Weise können die Konstanten des DAS-basierten Modells für die Materialeigenschaften unter Verwendung der Werte an diesen zwei extremen Positionen kalibriert (oder ansonsten Weise interpoliert) werden. Gemäß einer anderen Option können Eigenschaften an Schlüsselpositionen in dem Teil angenommen werden, beispielsweise basierend auf einer Spezifikation von minimalen Eigenschaften an Positionen, an denen diese bequem gemessen werden. Ein solches Merkmal ermöglicht Modellierern, die Ermüdungshaltbarkeit der Komponente bei den niedrigsten zulässigen Eigenschaften zu ermitteln, die in dieser existieren können. Die Abbildungsprozedur der Eigenschaften, die in den vorstehenden Absätzen beschrieben ist, wird dementsprechend verwendet, um die Eigenschaften an Knoten über das gesamte Teil zu berechnen, welche mit den angenommenen Eigenschaften an solchen Schlüsselpositionen konsistent sind. Fachleute werden einsehen, dass die Merkmale der vorliegenden Erfindung, obwohl sie hierin derart beschrieben sind, dass sie bei einem Motorblock anwendbar sind, ebenso zur Ermittlung von Materialeigenschaftsverteilungen für andere Gusskomponenten verwendbar sind.
Ferner wird ein Herstellungserzeugnis beschrieben. Da Erzeugnis umfasst ein mit einem Computer verwendbares Medium mit einem computerlesbaren Programmcode, der auf diesem verkörpert ist, um eine Verteilung von Materialeigenschaften einer Gusslegierung vorauszusagen, so dass diese in einem Allzweckcomputer verwendet werden kann, wie er vorstehend diskutiert wurde. Speziell umfasst ein solcher computerlesbarer Programmcode Abschnitte, um zu bewirken, dass der Computer: Knotenkoordinaten einer geometrischen Darstellung des Gussobjekts aufnimmt; Gussteil-Legierungsdaten für das Gussobjekt aufnimmt; DAS- und Porositätswerte oder beides aufnimmt, die anhand einer Simulation, eines Programms oder einer verwandten Berechnung der Erstarrung des Gussteils ermittelt wurden; die Simulationsergebnisse des Gussteils (DAS- oder Porositätswerte oder beides) auf die Knotenkoordinaten abbildet; Materialeigenschaftsmodelle (d.h. Gleichungen) für ein Material aufnimmt, das der Gusslegierung entspricht, und die Materialeigenschaften für die Gusslegierung an jeder der Knotenkoordinaten ermittelt. Durch die vorliegende Konstruktion des Erzeugnisses können die verschiedenen Abschnitte zusammenwirken, um eine Abbildung des Gussobjekts zu bilden, die wiederum verwendet werden kann, um verteilte Materialeigenschaften (an den Knoten) zu erzeugen, die anschließend bei einer Ermüdungsanalyse oder einem anderen Ansatz zur strukturellen oder mechanischen Voraussage verwendet werden können.
Optional ist der computerlesbare Programmcodeabschnitt des Herstellungserzeugnisses zusätzlich in der Lage, zu bewirken, dass der Computer die ermittelten Materialeigenschaften an ein Programm zur Ermüdungsvoraussage (d.h. zur Ermüdungsanalyse) liefert. Auf diese Weise wird der Betrieb der Ermüdungs-Voraussageprogramms anschließend verwendet, um die Ermüdungseigenschaften der Gusslegierung und des Gussobjekts basierend auf den verteilten Materialeigenschaften zu ermitteln, die durch den computerlesbaren Programmcode der vorliegenden Erfindung berechnet wurden. Fachleute werden einsehen, dass eine Computersystem (wie beispielsweise dasjenige, das vorstehend in Verbindung mit den verschiedenen Aspekten diskutiert wurde) zum Zusammenwirken mit dem Erzeugnis zu dem Zweck veranlasst werden kann, Materialeigenschaften eines Gussteils zu ermitteln oder auf andere Weise vorauszusagen und Ermüdungsanalysen an einem solchen Gussteil oder andere Berechnungen durchzuführen. Im Allgemeinen sagt ein Ermüdungs-Haltbarkeitsmodell (d.h. eine Gleichung), das bzw. die in Verbindung mit den abgebildeten Materialeigenschaften verwendet wird, die hierin diskutiert werden, die lokale Ermüdungslebensdauer oder Sicherheitsfaktoren in der Komponente voraus.
Eine andere Option ist es, als eine Eingabe für das Abbildungsverfahren der Eigenschaften verteilte Materialeigenschaften zu behandeln, die durch ein unabhängiges Computerprogrammverfahren vorausgesagt werden. Ein Beispiel eines solchen Programmverfahrens ergibt sich aus der US 2010 / 0 030 537 A1 . Dieses kann verwendbar sein, wenn das Verfahren zur Voraussage der Materialeigenschaften die Beziehung zwischen den Eigenschaften an verschiedenen Positionen in dem Teil voraussagt, aber der Absolutwert der vorausgesagten Eigenschaften zweifelhaft ist. Das Abbildungsverfahren der Eigenschaften, das in den anderen Absätzen beschrieben ist, kann dementsprechend verwendet werden, um die unabhängig simulierten oder auf andere Weise ermittelten Eigenschaften basierend auf gemessenen, spezifizierten, angenommenen oder auf andere Weise willkürlichen Eigenschaften erneut zu kalibrieren, die an Schlüsselpositionen über das gesamte Teil ermittelt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die nachfolgende ausführliche Beschreibung spezieller Ausführungsformen kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen gelesen wird, wobei eine gleiche Struktur mit gleichen Bezugszeichen angegeben ist.

1 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Ermitteln von Materialeigenschaften in einer Aluminiumlegierungs-Gusskomponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A zeigt einen fiktiven Computerbildschirm, auf dem ein Benutzer verschiedene Dateien eingeben kann, die Gusssimulationen, FEA-Geometrien, dem DAS an zwei Positionen in der Komponente, die simuliert werden soll, Materialeigenschaftsdatenbanken oder anderen Informationen zu dem Zweck der Ermittlung von Materialeigenschaften auf eine Weise in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung entsprechen;
2B zeigt eine fiktive Materialeigenschaftsdatenbank für eine spezielle Komponente, in der die ultimative Zugfestigkeit (UTS) und die Ermüdungsfestigkeit an zwei Positionen identifiziert werden, die den DAS-Eingaben von 2A entsprechen;
3 zeigt ein System und ein mit einem Computer verwendbares Medium, die zusammen verwendet werden können, um Materialeigenschaften in einer Aluminiumlegierungs-Gusskomponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu ermitteln;
4 zeigt Gleichungen zur Abbildung von Eigenschaften für die UTS oder die Ermüdungsfestigkeit über dem knotenweisen DAS.

Die Ausführungsformen, die in den Zeichnungen dargelegt sind, sind darstellender Natur und sollen die Ausführungsformen nicht einschränken, die durch die Ansprüche definiert sind. Darüber hinaus werden einzelne Aspekte der Zeichnungen und der Ausführungsformen aus der Sicht der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung vollständiger offensichtlich und verständlich.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegenden Erfinder haben das Programm MATGEN zur Erzeugung von Materialeigenschaften entwickelt, das Niveauwerte an Knoten aus einer Gussprozess-Simulationssoftware (wie beispielsweise aus einer oder mehreren von denjenigen, die vorstehend erwähnt sind) einliest (oder auf andere Weise erfasst, wie beispielsweise im Textformat), die Routinen umfassen kann, um Merkmale wie etwa Gussfehler und die Mikrostruktur zu berücksichtigen. Gemäß einer Form können die Werte den DAS und die Porosität angeben, während die Werte gemäß einer anderen Form Vorläuferquantitäten sein können, wie beispielsweise die Erstarrungsrate und die Erstarrungszeit, die mit dem DAS und der Porosität algorithmisch in Beziehung stehen. MATGEN koppelt diese Werte mit einem dreidimensionalen FEA-Netz oder verwandten Anwendungen eines geometrischen Modells (wie beispielsweise denjenigen, die in der computergestützten Konstruktion (CAD) oder bei der Strukturanalyse verwendet werden, beispielsweise ABAQUS, Hypermesh oder dergleichen), um Knotennummern und auch dreidimensionale Koordinaten {x, y, z} zu erhalten, die denjenigen Knotennummern der Komponente entsprechen, die studiert wird (beispielsweise ein Kraftfahrzeug-Motorblock oder ein Zylinderkopf), um eine knotenweise Verteilung der Materialeigenschaften der Komponente zu entwerfen. Das MATGEN-Programm kann zusätzlich die DAS- und die Porositätsinformationen auf jeden Knoten in dem FEA-Netz abbilden. Auf ähnliche Weise und zusätzlich zu dem DAS- und Porositätswerten kann auch ein knotenweises Feld von unabhängig entweder durch Simulation oder empirisch vorausgesagten Eigenschaften als Eingabe verwendet werden. Die unabhängig simulierten oder auf andere Weise ermittelten mechanischen Eigenschaften des Materials können Zugeigenschaften, die Härte, die Ermüdungsfestigkeit und die Bruchfestigkeit umfassen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Somit können Simulationen mit einer Ausgabe in der Form der mechanischen Eigenschaften selbst wiederum als eine Eingabe in das Programm der vorliegenden Erfindung verwendet werden. In diesem letzteren Fall wirkt das MATGEN-Programm der vorliegenden Erfindung, um die Simulationen von mechanischen Eigenschaften zu kalibrieren, wobei letztere Simulationen relative Differenzen zwischen einem Abschnitt und einem anderen genau erfassen, aber üblicherweise die Absolutwerte der Eigenschaften nicht voraussagen. Darüber hinaus kann eine beliebige Eigenschaft, die mit den mechanischen Eigenschaften in einer Komponente oder einem dazugehörenden Teil korreliert und die knotenweise ausgedrückt werden kann, als Eingabe für das Programm der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wobei sie nur einem konstanten Korrekturfaktor unterworfen wird.
Da das Netzgeometriemodell, das in der Prozesssimulationssoftware verwendet wird, typischerweise von demjenigen verschieden ist, das in der Strukturanalyse mit finiten Elementen verwendet wird, können Abweichungen sogar bei Simulationen auftreten, bei denen ein Verbindungsprogramm verwendet wird, um die Abfrage von FE-basierten Netzen und Netzen zu vereinfachen, die in der Gussprozesssimulation verwendet werden. Das MATGEN-Programm der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um diese Verbindungen zu überbrücken, um eine genauere Basis zum Studieren von Ermüdungsausfallmodi von gegossenen Aluminiumkomponenten zu schaffen. Dementsprechend ist die vorliegenden Erfindung besonders nützlich (wenn sie mit geeigneten Ermüdungsanalysealgorithmen kombiniert wird), um die Ermüdungslebensdauer von gegossenem Aluminiumlegierungen und auch eines beliebigen Teils, Produkts oder einer dazugehörenden Komponente vorauszusagen, das bzw. die zumindest teilweise aus einer solchen Legierung gebildet ist.
Wie vorstehend diskutiert wurde, können die Porosität und der DAS die Ermüdungslebensdauern von gegossenem Aluminiumkomponenten beeinflussen. Wenn man zuerst die Porosität betrachtet, hängen die Ermüdungseigenschaften von gegossenen Aluminiumkomponenten für gegebene Spannungszustände hauptsächlich von der Anwesenheit von Diskontinuitäten und insbesondere von deren Größe in den Materialien ab. Die Ermüdungsfestigkeit und -lebensdauer können geschätzt werden, indem porositätsbasierte Eigenschaften berücksichtigt werden, die geschätzt werden können durch: $σ_{a} = σ_{L} + exp (\frac{ln (a_{ECD} N_{f}) - C_{0}}{C_{1}})$
wobei Co und C₁ empirische Konstanten sind, die materialabhängig sind, a_ECD der Durchmesser eines Fehleräquivalenzkreises (Porenäquivalenzkreises) ist (typischerweise in Metern gemessen), σ_a die ausgeübte Spannung ist (gemessen in MPa) und σ_L die Ermüdungsgrenze bei unbegrenzter Lebensdauer der Probe ist (ebenfalls gemessen in MPa). Die Ermüdungsfestigkeit σ_L bei unbegrenzter Lebensdauer in Gleichung (1) wird ermittelt unter Verwendung von: $σ_{L} = \frac{Δ K_{e f f, t h}}{2 Y (a_{E C D}) U_{R} (a_{E C D}) \sqrt{π a_{E C D}}}$
wobei Y(a_ECD) ein Geometriekorrekturfaktor ist, U_R(a_ECD) eine Rissverschlusskorrektur ist und K_eff,th der effektive Schwellenwert-Spannungsintensitätsfaktor des Materials ist. Von der Ermüdungsfestigkeit σ_L bei unbegrenzter Lebensdauer wird auch angenommen, dass sie einer Weibull-Verteilung folgt, die gegeben ist durch: $PF = 1 - exp {(\frac{- σ_{L}}{σ_{0}})}^{β}$
wobei PF die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls ist (bei einer unbegrenzten Anzahl von Zyklen) und σ₀ sowie β die Weibull-Parameter der Verteilung der Ermüdungsgrenze bei unbegrenzter Lebensdauer ist. In gegossenen Aluminiumlegierungen folgt die Fehlergröße (Porengröße) gut der verallgemeinerten Extremwertverteilung: $F (a_{ECD}) = exp {- {[1 + ξ (\frac{a_{ECD} - μ}{μ_{0}})]}^{- \frac{1}{ξ}}}$
wobei µ der Positionsparameter, µ₀ ein Skalierungsparameter und ξ ein Formparameter ist. Dieser Ansatz zum Voraussagen von Ermüdungseigenschaften ist Gegenstand der US 2010 / 0 030 537 A1 .
Ermüdungseigenschaften werden oft in S-N-Diagrammen dargestellt; solche Diagramme können auch verwendet werden, um die Effizienz verschiedener Voraussagen aus verschiedenen Modellen zu vergleichen, von denen ein Beispiel auf mittleren Porengrößen basiert, die an Testproben für die porositätsbasierte Ermüdungsfestigkeit gemessen werden. Wenn die maximale Porengröße in dem Ermüdungsmodell verwendet wird, kann eine untere Grenze der S-N-Kurve vorausgesagt werden, in welchem Fall ein Großteil der Testdatenpunkte oberhalb der vorausgesagten Kurve liegen sollte. Wenn die minimale Porengröße in dem Ermüdungsmodell verwendet wird, kann auf ähnliche Weise eine obere Grenze der S-N-Kurve derart vorausgesagt werden, dass ein Großteil der Testdatenpunkte unterhalb der vorausgesagten Kurve liegen sollte. Es ist einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung, dass sie einem Modellierer ermöglicht, willkürliche Eigenschaften an ungleichen Kontrollpositionen (beispielsweise an einer Trennwand und einem Schraubenvorsprung in einem Motorblock) als eine Basis zur Abbildung selbstkonsistenter Eigenschaften über das gesamte Teil oder die gesamte Komponente anzunehmen, die simuliert wird. Die Daten, die in diesen Figuren gezeigt sind, vergegenständlichen, dass die Eigenschaften aus porositätsbasierten Modellen (die als unabhängig modellierte Eigenschaften bezeichnet werden können) mit Testdaten übereinstimmen, die durch die Erfinder erzeugt werden.
Solche Diagramme oder verwandte graphische Darstellungen dienen daher als eine bequeme Weise, um Voraussagen (beispielsweise auf der Porosität basierte Modelle für die Ermüdungsfestigkeit/Lebensdauer) mit Testdaten zu vergleichen; darüber hinaus können diese bei Bedingungen mit Raumtemperatur und bei Bedingungen mit erhöhter Temperatur durchgeführt werden, und auch anhand von unterschiedlichen Positionen für Komponenten, die durch unterschiedliche Prozesse gegossen werden. Die resultierenden Informationen zeigen im Allgemeinen die Beziehung zwischen der Porosität und der Ermüdung, und insbesondere dann, wenn eine gute Übereinstimmung zwischen der Theorie und den Daten vorliegt.
Bezüglich des DAS können Voraussagen für solche Werte ebenso durch die Verwendung geeigneter Modelle ermittelt werden. Es ist bekannt, dass die Materialeigenschaften von gegossenen Aluminiumlegierungen stark von dem DAS abhängen. Wie vorstehend festgestellt wurde, befinden sich kleinere DAS-Werte offensichtlich an einer Position einer Trennwand eines simulierten Motorblocks, und größere DAS-Werte befinden sich an dem Schraubenvorsprung des Blocks. Die vorliegenden Erfinder verwenden DAS-Werte und Materialeigenschaftswerte, die in diesen zwei Bereichen gemessen wurden, als ein Weg zum Ermitteln eines oberen und eines unteren DAS-Grenzwerts, um eine Anpassung für ein beliebiges DAS-basiertes Materialeigenschaftsmodell in dazwischenliegenden Bereichen des Motorblocks zu erleichtern, welche sich zwischen diesen zwei Extremen befinden. Wie vorstehend festgestellt wurde, können solche Ermittlungen in Zwischenbereichen durchgeführt werden, indem die Saat-DAS-Werte an den äußeren Grenzen basierend auf bekannten Materialeigenschaften innerhalb des Gussteils interpoliert werden. Solche bekannte Materialeigenschaften können aus einer Materialeigenschaftsdatenbank entnommen werden (die beispielsweise in der Form einer Nachschlagetabelle vorliegt), welche die gemessenen oder spezifizierten Materialeigenschaften für verschiedene Legierungen enthält. Dies ermöglicht, dass eine beliebige Position innerhalb des simulierten Motorblocks (oder einer beliebigen anderen Komponente) mit einem größeren Grad an Genauigkeit berechnet werden kann als mit einer Simulation, die insgesamt konstante oder relativ konstante Materialeigenschaften annimmt. Dies ist dadurch vorteilhaft, dass es die Konstruktionslebensdauer einer Komponente verlängert, die aus Aluminiumlegierungen hergestellt ist, indem eine genauere Voraussage der Ermüdungseigenschaften ermöglicht wird. Dies kann wiederum zu einer verbesserten Produktqualität und zu verringerten Garantie- und verwandten Kosten führen. Werkzeuge wie diejenigen der vorliegenden Erfindung können ferner Entwicklungs- und Produktionskosten solcher Aluminiumlegierungen verringern, zusätzlich dazu, dass eine Ermüdungsmessung und ein Testen solcher Komponenten vereinfacht wird.
Als Nächstes auf 4 Bezug nehmend, können Eigenschaftsabbildungsgleichungen verwendet werden, um die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit basierend auf dem DAS zu schätzen, wie es gezeigt ist. Gemäß einer rein empirischen Alternative zu der unabhängigen Modellierung einer gegossenen Komponente zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften kann eine Datenbank verwendet werden, welche die Materialeigenschaften von Interesse an bezeichneten Positionen in Teilen tabelliert. Anhand dessen kann ein Feld von Erstarrungs- oder anderen Parametern, die von einem Erstarrungsmodell ausgegeben oder auf andere Weise durch dieses ermittelt werden, mit den tabellierten Eigenschaften in der Materialeigenschaftsdatenbank als eine Basis zur Interpolation oder Extrapolation geschätzter Eigenschaften zwischen den bezeichneten Positionen oder über diese hinaus kombiniert werden, welche Datenbank die tabellierten Eigenschaften enthält. Solche tabellierte Eigenschaften können selbst Schätzungen sein, die auf experimentellen Daten, Spezifikationen oder der Erfahrung des Modellierers basieren. Gemäß einem Beispiel könnte ein Erstarrungsparameter die Erstarrungszeit sein (die Zeit zum Abkühlen einer Komponente vom Liquidus zum Solidus), die verwendet werden kann, um den DAS vorauszusagen. In einem solchen Fall könnte die Erstarrungszeit (in den DAS umgewandelt) über eine gesamte spezielle Komponente abgebildet werden (wie beispielsweise einen Motorkopf, einen Motorblock oder eine andere solche Komponente, für die eine Datenbank mit tabellierten mechanischen Eigenschaften abgerufen werden kann), und es könnte die tabellierte Ermüdungsfestigkeit mit dem DAS an den bezeichneten Positionen in Übereinstimmung gebracht werden (wie beispielsweise an denjenigen, die in den Figuren gezeigt sind), um eine Abbildung der Ermüdungsfestigkeit über das gesamte Teil zu erzeugen. Gemäß einer alternativen Form könnten auch andere übliche Ausgaben thermischer Parameter verwendet werden, wie beispielsweise eine Abkühlungsrate (R) und ein Temperaturgradient (G). Wie vorstehend festgestellt wurde, kann ein knotenweises Feld von unabhängig simulierten oder auf andere Weise ermittelten Eigenschaften (wie beispielsweise die Zugfestigkeit, die Härte, die Ermüdungsfestigkeit oder die Bruchfestigkeit) in einem Teil, das simuliert wird, als Eingabe verwendet werden. Solche simulierte Eigenschaften können sich von den tatsächlichen Eigenschaften nur durch einen konstanten Kalibrierungsbetrag unterscheiden, zu dessen Korrektur die vorliegende Erfindung dient. Anhand eines solchen empirischen Ansatzes haben die vorliegenden Erfinder den DAS als eine Basis zur Abbildung der Eigenschaften einer simulierten Gusskomponente verwendet. Die abgebildete Materialeigenschaft „P“ an einem Knoten, der einen DAS-Wert von „D“ aufweist, kann durch die zwei Gleichungen wie folgt ausgedrückt werden: $P = \frac{ρ_{2}}{δ_{2}^{b}} D^{b}$
$P = \frac{ρ_{2}}{δ_{2}^{b}} δ_{1}^{b - 1} (D - δ_{1}) + ρ_{1}$
wobei die erste (Gleichung 5a) für Situationen dient, in denen D größer als oder gleich □₁ ist, und die zweite (Gleichung 5b) für Situationen dient, in denen D kleiner als □₁ ist. Wie in der Figur zu sehen ist, entspricht die Gleichung 5a einem geradlinigen Abschnitt an dem linken Ende der Graphik, während Gleichung 5b dem krummlinigen Abschnitt an dem rechten Ende der Graphik entspricht. Die exponentielle Größe „b“ wird folgendermaßen dargestellt: $b = \frac{log (ρ_{2} / ρ_{1})}{log (δ_{2} / δ_{1})}$
Für Kraftfahrzeug-Motoranwendungen kann die Position (□₁, □₁) derart erzeugt werden, dass sie der Eigenschaft an den Motorblock-Trennwänden entspricht, währen die Position (□₂, □₂) derart erzeugt werden kann, dass sie der Eigenschaft an den Motorblock-Schraubenvorsprüngen entspricht. Der vorliegende Ansatz ermöglicht die Anpassung der zwei vorbestimmten Punkte mit einer Potenzgesetz-Gleichung. Für die Extrapolation über den Datenpunkt mit dem kleineren DAS/der höheren Eigenschaft hinaus wird die Funktion eine gerade Linie mit derselben Steigung wie die Potenzgesetz-Gleichung an diesem Punkt, wie vorstehenderwähnt wurde. Diese Kombination von Gleichungen passt die nachfolgend beobachteten UTS- und HCF-Festigkeitseigenschaften an, da sich diese insbesondere auf eine Abflachung der linearen Kurve bei großen DAS-Werten beziehen, und sie vermeidet auch eine unrealistisch hohe Voraussage von Eigenschaften bei kleinen DAS-Werten. Fachleute werden einsehen, dass die Mikrostruktur eutektischer und hypereutektischer Legierungen (die nicht-dendritisch sind, so dass der DAS möglicherweise nicht angewendet werden kann) mit anderen Faktoren modelliert werden kann, wie beispielsweise der Kubikwurzel der Erstarrungszeit, die, wie sie in einer bestimmten Erstarrungssoftware für hypereutektische Legierungen (beispielsweise MAGMASoft) verwendet wird, proportional zu dem DAS ist. Somit ist die Kenntnis der Erstarrungszeit ein Vorläufer für die Kenntnis des DAS. In einigen Fällen kann es bevorzugt sein, die Erstarrungszeit anstelle der Erstarrungsrate zu verwenden, da die erstere weniger willkürlich als die letztere sein kann, bei der die Daten, die der fraglichen Komponente zugeordnet sind, zu zwei unterschiedlichen Zeiten als ein Maß der Rate erfasst werden können. In Situationen, in denen die Raten nicht konstant sind, können Temperaturschwankungen auftreten (die beispielsweise ansteigen, wenn sie abfallen sollten).
Als Nächstes auf 1 Bezug nehmend, ist ein Blockdiagramm gezeigt, das eine Sequenz 100 von Ereignissen darstellt, die zur Ermittlung einer Verteilung von Materialeigenschaften in einem Gussteil verwendet werden können. Eine solche Sequenz kann auf einem Computersystem oder einer verwandten Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt werden. Ein Teil beginnt als ein dreidimensionales geometrisches Modell 110 (oder als geometrisches Modell für das Teil), das in einem kommerziell verfügbaren Code erzeugt wird (wie beispielsweise Unigraphics NX, Autocad 3D oder dergleichen). Auf ähnliche Weise wird ein geometrisches Modell 115 für ein Gussteil auf übliche Weise erzeugt; ein solches Modell umfasst, dass zusätzliches Material vorgesehen ist, das letztlich in dem endbearbeiteten Teil maschinell entfernt ist, das durch das geometrische Modell 110 repräsentiert wird. Gemäß einer typischen Form ist das geometrische Modell 115 für das Gussteil eine Abspaltung oder ein Nebenprodukt des geometrischen Modells 110 für das Teil. Wie in der Figur zu sehen ist, teilt sich der Prozess in zwei Pfade, von denen ein erster sicherstellt, dass das geometrische Modell 115 für das Gussteil durch einen kommerziell verfügbaren Code auf ein Netz von Punkten oder Knoten transformiert wird, das durch Knotenkoordinaten 120A für das Netz des Gussteils charakterisiert ist, die typischerweise ein FEA- oder FD-Netz sind, das durch Würfel repräsentiert wird. Ein Erstarrungscode 130 nimmt das FEA- oder FD-Netz 120A für das Gussteil zusammen mit dem Netz von zusätzlichen Gusskomponenten (beispielsweise einer Gussform) und Randbedingungen 125 plus thermophysikalische Eigenschaftsdaten aus einer Materialeigenschaftsdatenbank 150 auf. Wie vorstehend diskutiert wurde, liefert die Materialeigenschaftsdatenbank 150 in dem vorliegenden Verfahren dreimal Daten, die thermophysikalische Daten für die Erstarrungssimulation 130, Spannungs-Dehnungsdaten für die Strukturanalyse 180 und Daten für Ausfallkriterien umfassen, die an zwei separaten Komponentenpositionen für eine Ermüdungsanalyse definiert werden, wie es beispielsweise in 2B gezeigt ist. Fachleute werden einsehen, dass das Verhalten jedes Knotens in einem FEA-Netz durch das Verhalten von benachbarten Knoten bestimmt wird. Die Randbedingungen sind solche Knoten in dem FEA-Netz, auf die Stimulatoren außerhalb der simulierten Komponente einwirken. Bei der Erstarrung eines Gussteils könnte dies beispielsweise der Widerstand gegenüber einer Übertragung von Wärme von dem Gussteil auf die Form sein. Eine Randbedingung könnte ein Anfangszustand eines Knotens sein, von denen Beispiele Temperaturen des Metalls und verschiedene Punkte in der Form bei dem Start der Erstarrung, Schraubenspannungen, eine Trägheitsbelastung anderer Komponenten, Verbrennungsereignisse oder dergleichen umfassen. Der Erstarrungssimulation 130 geht üblicherweise eine Simulation des Füllens des Hohlraums der Gussform voraus, um thermische Bedingungen zu Beginn des Gusses herzustellen. Sowohl die Füllsimulation als auch die Erstarrungssimulation 130 können durch einen kommerziell verfügbaren Code ausgeführt werden (wie beispielsweise MAGMA, ProCAST, EKK, WRAFTS, Anycasting oder dergleichen). Die Erstarrungssimulation 130 wird üblicherweise verwendet, um die Auswahlen bei der Konstruktion des Teils aus dem dreidimensionalen geometrischen Modell 110, den dazugehörenden Gussteilkomponenten und den Randbedingungen 125 und der Materialeigenschaftsdatenbank 150 zu evaluieren. Die thermischen Parameter, die während der Erstarrungssimulation 130 erzeugt werden, ermöglichen eine Schätzung von Messwerten der Gussteileigenschaften, wie beispielsweise des DAS, der Porosität und anderer Mikrostrukturmerkmale. Solche Ergebnisse werden gegen die nummerierten Knoten in der Gusssimulation 120A tabelliert, beispielsweise in einer computerlesbaren Textdatei. Die Erstarrung wird aus zwei Gründen simuliert. Erstens wird sie zur Evaluierung der Gussteilkonstruktion verwendet, die zusätzlich zu dem speziell maschinell bearbeiteten Teil Zuführungen, Kanäle und Speiser aufweisen würde und ebenso die Konstruktion der Form beeinflussen würde. Zweitens wird sie zur Evaluierung der Teilkonstruktion verwendet, da häufig die Geometrie des Teils verändert wird, da optionale Merkmale in dem Gussteil nicht immer von sich aus alle nachteiligen Fehler beseitigen, die entstehen können, wenn ein Konstrukteur einer Komponente die Grenze des speziellen Gusses erreicht.
In dem zweiten der zwei Pfade, die vorstehend diskutiert wurden, wird ein Netz von Punkten oder Knoten für das endbearbeitete Gussteil erzeugt, das durch Knotenkoordinaten 120B mit einer üblicherweise nicht-kubischen räumlichen Geometrie für eine FEA-Simulation charakterisiert ist. Diese Knotenkoordinaten 120B des FEA-Netzes für das endbearbeitete Teil können von den Knotenkoordinaten 120A des FEA- oder FD-Netzes für das Gussteil ziemlich verschieden sein. Beispielsweise umfasst das FEA-Netz 120B für das endbearbeitete Teil Knotenkoordinateninformationen der Komponente, sobald alle Arbeitsschritte des Gusses und nach dem Guss ausgeführt wurden. Wie nachstehend diskutiert wird, führt das Abgleichen dieser zwei unterschiedlichen Netz-Knotenkoordinaten 120A, 120B Abweichungen ein, die korrigiert werden müssen. Ein Strukturmodellierungscode in der Form einer strukturellen FEA oder einer Strukturanalyse 180 nimmt als Eingabe die Knotenkoordinaten 120B des Netzes für das endbearbeitete Teil zusammen mit den Teilbelastungs- und den thermischen Randbedingungen 185 plus den Daten aus der Materialeigenschaftsdatenbank 150 auf. Das Ergebnis der Strukturanalyse 180 ist eine Darstellung von Spannungen und Dehnungen 190, die gegen die Knotenkoordinaten in dem Netz 120B des endbearbeiteten Teils tabelliert werden. Die Strukturanalyse 180 wird üblicherweise unter mehrfachen Belastungs- und thermischen Randbedingungen des Gussteils wiederholt, die beispielsweise unterschiedliche Segmente des Arbeitszyklus eines Motors darstellen. Die maximalen und minimalen Spannungen und Dehnungen aus den wiederholten Simulationen unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen dienen dazu, Ermüdungs-Lastbedingungen herzustellen, die implizit in den Spannungen und Dehnungen 190 umfasst sind. Die Strukturanalyse 180 nimmt das Netz 120B des endbearbeiteten Teils zusammen mit den Belastungs- und den thermischen Randbedingungen 185 plus mechanischen Eigenschaftsdaten aus der Materialeigenschaftsdatenbank 150 auf. Das Ergebnis ist eine Darstellung von Spannungen und Dehnungen 190, die gegen die Knotenkoordinaten in dem Netz 120B des endbearbeiteten Teils tabelliert werden.
Ein Netzintegrationscode 140 (wie beispielsweise MAGMALink oder eine verwandte kommerziell verfügbare Software) nimmt die Knotenkoordinaten 120B des Netzes für das endbearbeitete Teil und die Knotenkoordinaten 120A des Netzes für das Gussteil auf (wobei die Erstarrungssimulation 130 auf dem letzteren gearbeitet hat, um die entsprechenden DAS- und Porositätsergebnisse zu erzeugen), und sie berechnet Werte des DAS und der Porosität, die den Knotenkoordinaten des endbearbeiteten Teils entsprechen. Wie vorstehend diskutiert wurde, enthält diese Berechnung üblicherweise Abweichungen, da die Knotenkoordinaten des Gussteilnetzes 120A etwas von den Knotenkoordinaten des Netzes 120B für das endbearbeitete Teil abweichen können; eine solche Ungleichheit kann (beispielsweise) durch die geometrische Vereinfachung durch eine Darstellung des Gussteils als eine Zusammenstellung von Würfeln bedingt sein. Diese Differenz kann, auch wenn sie gering ist, an bestimmten Knoten dennoch Ausreißerwerte erzeugen. Somit ist es vorteilhaft, die Werte an diesen Knoten zu korrigieren, indem der Abbildungsalgorithmus verwendet wird, der zumindest einen Teil der vorliegenden Erfindung bildet.
Das Abbildungsprogramm für Simulationsergebnisse (d.h. MATGEN) 160 nimmt die Ergebnisse des Netzintegrationscodes 140 auf, die DAS-Werte (und verwandte Werte) an den Knoten enthalten, und korrigiert die Integrationsabweichungen, die aufgrund der Unterschiede in den Knotenkoordinaten 120A des FEA- oder FD-Netzes des Gussteils und der Knotenkoordinaten 120B des FEA-Netzes des endbearbeiteten Teils entstehen können. MATGEN 160 nimmt auch Daten aus der Materialeigenschaftsdatenbank 150 auf und berechnet Eigenschaften an den Knoten, deren Ausgabe gegen die nummerierten Knoten in den Knotenkoordinaten 120B des Netzes für das endbearbeitete Teil tabelliert wird. Sowohl die korrigierten Knotenkoordinaten als auch die Eigenschaften an den Knoten werden als 200A dargestellt, und sie können als die Kumulierung der Berechnung zumindest einer Näherung der Materialeigenschaften angesehen werden, um die knotenweisen Differenzen in den empfangenen Materialeigenschaftsinformationen zu korrigieren, und auch als die Abbildung dieser angenäherten Materialeigenschaften auf die entsprechenden Knotenkoordinaten der Netzsimulation für das endbearbeitete Teil. Diese Knoteneigenschaften können anschließend in eine Ermüdungsanalyse 170 oder einen verwandten Nachbearbeitungsschritt eingegeben werden, der verwendet wird, um die Wahrscheinlichkeit zu ermitteln, dass der fragliche Knoten ausfallen wird. Die Ermüdungsanalyse 170 nimmt alle diese Daten und auch die Spannungen und Dehnungen 190 an den Knoten aus der Strukturanalyse 180 auf, und sie berechnet Sicherheitsfaktoren an den Knoten, wie sie bei 200B gezeigt sind. Somit umfassen die Knotenkoordinaten von 200B für das endbearbeitete Teil sämtliche korrigierten DAS- und Porositätsinformationen an den Knoten sowie die Knoteneigenschaften von 200A.
Der Ermüdungsanalysecode 170, eine CAD-Code oder ein verwandtes FEbasiertes Programm können verwendet werden, um zu ermöglichen, dass die simulierten Spannungen und Dehnungen 190 an jedem Knoten des endbearbeiteten Teils durch einen Konstrukteur einer Komponente oder einen anderen Benutzer interpretiert werden. Ein übliches Verfahren zur Interpretation ist es, die Ermüdungs-Sicherheitsfaktoren zu berechnen, die bei 200B erzeugt werden. Gemäß einem Beispiel können die Abbildungsfähigkeiten von MATGEN 160 für Simulationsergebnisse eine Hypermesh-Visualisierungsdatei in einem Textformat erzeugen, indem die berechneten mechanischen Eigenschaften auf ein FEA-Netz abgebildet werden. Der Hypermesh-Code kann anschließend die Datei einlesen und die mechanischen Eigenschaften für jeden Knoten durch bestimmte leicht erkennbare Visualisierungsindizien zeigen, wie beispielsweise durch eine Farbkontur oder durch einen beliebigen verwandten Ansatz. Wie vorstehend beschrieben wurde, weist MATGEN 160 die Fähigkeit auf, die Ergebnisse an den Knoten von einem FEA- oder FD-Netz auf ein anderes abzubilden, obgleich in einigen Fällen das Netzintegrationsprogramm 140 bereits einen Teil der Arbeit ausgeführt haben kann. In einigen Fällen (nicht gezeigt) können die Ergebnisse aus MATGEN 160 mit denjenigen der berechneten Spannungen und Dehnungen 190 vereinigt werden, bevor die Ermüdungsanalyse 170 ausgeführt wird, während sie in anderen Fällen (wie es in der Figur gezeigt ist), separat in die Ermüdungsanalyse 170 eingeführt werden können. Mit anderen Worten kann die Reihenfolge der Netzintegration 140 und der Abbildung unter MATGEN 160 umgekehrt werden, was davon abhängt, ob MATGEN 160 mit den Spannungen und Dehnungen 190 an den Knoten vereinigt wird. Bei der Simulation, bei der MATGEN 160 zuerst ausgeführt wird, werden die DAS- und die dazugehörenden Werte an den Knoten in dem Erstarrungsnetz in Eigenschaften an den Knoten transformiert, wonach sie in das Netz des endbearbeiteten Teils abgebildet oder auf andere Weise integriert werden.
Als Nächstes auf 3 Bezug nehmend, ist ein System 300 gezeigt (das als ein Computersystem, Datenverarbeitungssystem oder dergleichen bezeichnet werden kann), das zum Ausführen der Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Zusätzlich zu der Ermittlung einer Verteilung von Material- oder verwandten mechanischen oder strukturellen Eigenschaften in einer Komponente, die aus einer gegossenen Aluminiumlegierung hergestellt ist, kann das System 300 eine Ermüdungslebensdauer der Komponente voraussagen. Das System 300 umfasst eine Verarbeitungseinheit 310 (die in der Form eines oder mehrerer Mikroprozessoren vorliegen kann), einen oder mehrere Mechanismen zur Informationseingabe 320 (die eine Tastatur 320A, eine Maus 320B oder eine andere Einrichtung umfassen, wie beispielsweise einen Spracherkennungsempfänger (nicht gezeigt)), einen Anzeigebildschirm oder eine verwandte Informationsausgabe 330, ein computerlesbares Medium 340, das einen Informationsspeicher in der Form eines Arbeitsspeichers (RAM) 340A (der auch als Massenspeicher bezeichnet wird, der für die temporäre Speicherung von Daten verwendet werden kann) und einen Speicher zur Speicherung von Anweisungen in der Form eines Festwertspeichers (ROM) 340B umfassen kann, und ein computerlesbares Programmcodemittel (nicht gezeigt), um zumindest einen Teil der empfangenen Informationen zu verarbeiten, die sich auf die Aluminiumlegierung beziehen. Gemäß einer speziellen Form ist das computerlesbare Programmcodemittel ein auf der Mikromechanik basiertes Modell der Ermüdungslebensdauer, das in den ROM 340B geladen wird. Die Verarbeitungseinheit 310 kann die Anweisungen aus dem computerlesbaren Programmcodemittel interpretieren und auch die Daten verarbeiten sowie andere Einrichtungen in dem System 300 steuern. Wie Fachleute der Computertechnik verstehen werden, kann das System 300 zusätzlich weitere Chipsätze aufweisen, und auch einen Bus sowie eine dazugehörende Verkabelung zum Übertragen von Daten und verwandter Informationen zwischen der Verarbeitungseinheit 310 und anderen Einrichtungen (wie beispielsweise den zuvor erwähnten Eingabe-, Ausgabe- und Speichereinrichtungen) innerhalb des Systems 300. Nachdem das Programmcodemittel in den ROM 340B geladen ist, wird das System 300 zu einer Maschine für einen speziellen Zweck, die ausgebildet ist, um die verschiedenen Materialeigenschaftsverteilungen für eine Komponente auf eine Weise gemäß der vorliegenden Erfindung vorauszusagen.
Das System 300 ist durch die Eingabe 320 ausgebildet, um Informationen, die sich auf die Aluminiumlegierung beziehen, und/oder Informationen zu empfangen, die sich auf einen Spannungszustand beziehen, der in der Aluminiumlegierung vorliegt, wobei diese Informationen kumulativ als „empfangene Informationen“ bezeichnet werden. Solche Informationen können sich auf detaillierte Mikrostruktureigenschaften der Aluminiumlegierung beziehen, die Wahrscheinlichkeitsverteilungen solcher Eigenschaften in dem Fall umfassen, dass diese von Parametern abhängen, die statistischen Schwankungen der Legierungszusammensetzungen, des Gussteils, der Erstarrung oder dergleichen zugeordnet sind. In jedem Fall kann diese Information durch verschiedene Mittel zur Messung geliefert werden, die herkömmliche metallographische Messungen umfassen, die mit einer Extremwertstatistik (EVS) und kumulativen Verteilungsfunktionen verwendet werden können, um Gussfehler und Mikrostruktureigenschaften zu charakterisieren. Fachleute werden einsehen, dass es außer dem Ansatz der manuellen Eingabe, der durch die Eingabe 320 dargestellt ist, andere Wege zum Empfangen von Daten und verwandten Informationen gibt (insbesondere in Situationen, in denen große Datenmengen einzugeben sind) und dass ein beliebiges herkömmliches Mittel zum Liefern solcher Daten, um der Verarbeitungseinheit 310 zu ermöglichen, mit diesen Daten zu arbeiten, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Die Informationsausgabe 330 ist ausgebildet, um Informationen, die sich auf die Aluminiumlegierung beziehen, an einen Benutzer (wenn die Informationsausgabe 330 beispielsweise in der Form eines Bildschirms vorliegt, wie es gezeigt ist) oder an ein anderes Programm oder eine andere Simulation zu übertragen. Das computerlesbare Medium 340 wirkt mit der Verarbeitungseinheit 310 und dem auf der Mikromechanik basierten Modell für die Ermüdungslebensdauer zusammen, um die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung vorauszusagen, indem die empfangenen Informationen verarbeitet werden. Die Informationen, die sich auf die Aluminiumlegierung beziehen und die durch die Informationsausgabe 330 übertragen werden, umfassen die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung, die durch das Modell für die Ermüdungslebensdauer vorausgesagt wird.
Als Nächstes auf 2A und 2B in Verbindung mit 1 Bezug nehmend, zeigt die Ausgabe 330 (in der Form eines Computerbildschirms oder eines verwandten Dateneingangsbildschirms) die Ergebnisse einer Form von Informationen, die eingegeben werden. Zusätzlich zu der herkömmlichen Eingabe mit der Maus 320B oder der Tastatur 320A (wie es in 3 gezeigt ist) kann eine bevorzugte Ausführungsform umfassen, dass die Informationen in der Form einer graphischen Benutzerschnittstelle (GUI) eingegeben werden, die zusätzlich zu der manuellen Dateneingabe durch das Tippen von Buchstaben, das Anklicken von Menüs oder dergleichen einen Dateneingang mittels Berührbildschirm direkt auf der Ausgabe 330 ermöglichen kann. Unter besonderer Bezugnahme auf 2A können die empfangenen Informationen, welche in die Simulation das Programm geladen werden können, Gusssimulationsergebnisse 330A (welche die DAS- und die Porositätswerte sowie die Knoteninformationen aus der Erstarrungssimulation 130 enthalten), eine strukturelle FEA-Datei 330B (mit Knoten- und dreidimensionalen Koordinaten sowie Informationen über die Elementkonnektivität, wie sie in 1 als Knotenkoordinaten des Teils sowie als Spannungen und Dehnungen 190 an den Knoten gezeigt sind, die aus der Strukturanalyse 180 stammen), Porositäts-Eingabedateien 330C und DAS-Eigenschaften an verschiedenen Positionen in dem Gussteil 330D umfassen, sowie auch eine Möglichkeit, eine Liste von Dateien zu durchsuchen, die mit jedem von zumindest der Gusssimulation, der Geometrie und der Porosität in Beziehung stehen. Gemäß einer Form können die DAS-Eigenschaften an verschiedenen Positionen in dem Gussteil 330D manuell eingegeben werden und die geeigneten DAS-Werte (oder Porositätswerte oder die Erstarrungszeit oder dergleichen) an den zwei Komponentenpositionen von Interesse identifizieren, welche die definierten Materialeigenschaften aufweisen (wie beispielsweise die Materialeigenschaften für die Ausfallkriterien). Dies kann in Verbindung mit anderen Schritten ausgeführt werden, wie beispielsweise, dass ein Benutzer die Ergebnisse der Erstarrungssimulation 130 inspiziert und ermittelt, wie hoch der DAS an den zwei Positionen von Interesse ist. Auf ähnliche Weise können Aluminiumlegierungs-Materialtypen 330F und Materialeigenschaftsdatenbanken 330G (welche die Ausgabe aus der Materialeigenschaftsdatenbank 150 sind) ebenso eingegeben werden, und es kann auch die Möglichkeit vorgesehen sein, eine Materialeigenschaftsdatenbank zu importieren 330H oder zu editieren 330l. Von diesen letzten zwei funktioniert der Import der Materialeigenschaftsdatenbank 330H als ein „GO“-Knopf, der bewirkt, dass MATGEN 160 die Daten für die Ausfallkriterien der Materialeigenschaftsdatenbank 330G einliest, während die Fähigkeit des Editierens der Materialdaten 3301 die Funktionalität bietet, die Materialeigenschaftswerte manuell zu modifizieren. Alle Felder, die sowohl in 2A als auch in 2B dargestellt sind, werden als Eingabe für die Ermüdungsanalyse 170 von 1 verwendet.
Als Nächstes auf 2B Bezug nehmend, kann die Berechnung der DAS-basierten Materialeigenschaftsgleichungen erreicht werden, indem vorbestimmte Materialeigenschaften an zwei Positionen eines Motorblocks aus gegossenem Aluminium oder eines anderen Teils mit unterschiedlichen DAS-Werten verwendet werden. Wie angegeben ist, können die UTS- und Ermüdungsfestigkeit an diesen zwei Positionen experimentell oder auf andere Weise ermittelt werden. Der höchste DAS-Wert beträgt ungefähr 56 an dem Ort des Schraubenvorsprungs, während der niedrigste ungefähr 22 an dem Ort der Trennwand beträgt. Wenn diese zwei DAS-Werte und die Materialeigenschaften berücksichtigt werden, die an diesen zwei Positionen gemessen werden, wie es in 2B gezeigt ist, können die Konstanten der DAS-basierten Gleichungen leicht kalibriert werden.
Wie vorstehend in Verbindung mit 3 festgestellt wurde, dienen die Eigenschaftswerte aus der Materialeigenschaftsdatenbank 150 und der simulierte DAS 330D an den entsprechenden Positionen als Konstanten in den Eigenschaftsabbildungsgleichungen von 4, welche die DAS-Werte an den Knoten aus der Gussteil-Erstarrungssimulation 130 von 1 in Eigenschaften transformieren, die auf die Knotenkoordinaten abgebildet werden. Unter erneuter Bezugnahme auf 2A können diese, sobald eine spezielle Komponente und ihre entsprechenden Eigenschaften zur Eingabe in das System 300 ausgewählt wurden, zur Analyse der strukturellen Haltbarkeit und der Ermüdung verwendet werden, indem ein geeigneter Satz von Materialeigenschaften für jeden Knoten ausgewählt wird, der in dem FEA-Netz mit Spannungen und Dehnungen erzeugt wird und in 1 als 190 identifiziert ist. Wie Fachleute einsehen werden, können die verschiedenen Materialeigenschaften, die in den Simulationscode aus der Materialeigenschaftsdatenbank 150 eingelesen werden, Datenpunkte für den Elastizitätsmodul, das Poisson'sche-Verhältnis, die UTS, die Fließgrenze, die Ermüdungsfestigkeitskoeffizienten, die Ermüdungsfestigkeitsexponenten, die Ermüdungsfestigkeitssteigungen, die Ermüdungsdehnbarkeitskoeffizienten, die Ermüdungsdehnbarkeitsexponenten und die Spannungslebensdauer sowie temperaturabhängige Informationen umfassen.
Die hierin diskutierten Verfahren und Herstellungserzeugnisse, die Computerroutinen, -programme oder -Simulationen gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen, können zusätzlich ausgebildet sein, um mit einem computerlesbaren Programmcodemittel zusammenzuwirken oder dieses zu umfassen, um eine Ermüdungslebensdauer einer Aluminiumlegierung unter zyklischer Belastung vorauszusagen. Beispielsweise können sie, wie vorstehend diskutiert wurde, ferner umfassen, dass die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung mit dem computerbasierten System gemäß den Prozessen des computerlesbaren Programmcodemittels vorausgesagt wird. Bei einer Ausführungsform kann das computerlesbare Programmcodemittel, das zum Simulieren der Verteilung der Materialeigenschaften der Gusskomponente verwendet wird, mit einem Ermüdungsmodell verwendet werden. Ein solches Ermüdungsmodell kann Codesegmente oder Module umfassen, die eine Berechnung einer Niedrigzyklus-Ermüdung, einer Hochzyklus-Ermüdung (beide in der Form von Varianten mit einzelner Achse oder mit mehreren Achsen) oder anderer auf die Ermüdung bezogener Phänomene ermöglichen. Zusätzliche auf die Ermüdung bezogene Betrachtungen können ebenso evaluiert oder auf andere Weise berücksichtigt werden, einschließlich von kritischen Scherebenen und dazugehörenden maximalen Scherspannungsamplituden, Beschädigungsfaktoren, Normaldehnungsamplituden, Scherspannungsamplituden, Normalspannungsamplituden, Aushärtungsfaktoren, Ermüdungsfestigkeitskoeffizienten, Ermüdungsdehnbarkeitskoeffizienten, Ermüdungsfestigkeitsexponenten und einem Ermüdungsdehnbarkeitsexponenten, Nichtproportionalitätswerten, mikrostrukturellen, thermophysikalischen und mechanischen Eigenschaften, Korngrößen, Fehlergrößen, eines Fehlervolumenanteils, eines Schermodulwerts, des Poisson'schen Verhältnisses und von Werten des Young'schen Moduls.
Wieder auf 1 Bezug nehmend, wird im Folgenden erläutert, wie die Daten aus MATGEN 160 verwendet werden können, um die Ermüdungsanalyse 170 auszuführen. Zu Beginn werden verschiedene Typen von Materialdaten in der momentanen Ermüdungsanalyse 170 der Strukturkomponenten angefordert. Solche Daten können (beispielsweise) aus der Materialeigenschaftsdatenbank 160 entnommen werden, die vorstehend diskutiert wurde. Diese Daten können die UTS, den Zyklusfestigkeitskoeffizienten (K'), den Zyklusfestigkeits-Aushärtungsexponenten (n'), den Ermüdungsfestigkeitskoeffizienten (σ'_f), den Ermüdungsfestigkeitsexponenten (b) und S-N-Kurvendaten umfassen (die Ermüdungsfestigkeiten sowohl bei zehntausend als auch bei zehn Millionen Zyklen umfassen können). In der Praxis stammen die verfügbaren Materialtestdaten aufgrund des erforderlichen Materialvolumens für das Testen nur von den begrenzten Positionen in einer Komponente. Beispielsweise stammen die Testdaten in einer Materialeigenschaftsdatenbank, die typischerweise durch den Rechtsinhaber der vorliegenden Erfindung verwendet wird, üblicherweise von zwei typischen Positionen, wie beispielsweise dem Schraubenvorsprung eines Kopfs und dem Deck für einen Kraftfahrzeug-Motorzylinderkopf sowie von dem Schraubenvorsprung des Kopfs und der Trennwand (wie beispielsweise in einem Kurbelwellen-Zapfenbereich) für einen Kraftfahrzeug-Motorzylinderblock. Diese zwei Positionen repräsentieren üblicherweise einen hohen bzw. einen niedrigen DAS-Wert. Materialdaten für eine dritte typische Position, die einen mittleren DAS-Wert repräsentiert, können ebenso für bestimmte Komponenten in dem Gussteil verwendet werden, und eine beispielhafte Situation könnte ein Bereich eines Wassermantels sein, der in einem Kraftfahrzeug-Motorblock gebildet wird.
Bei einer herkömmlichen Ermüdungsanalyse ist es für einen Analysten erforderlich, auf subjektive Weise eine Verbindung zwischen speziellen Komponentenpositionen und den Materialidentifikationen zu identifizieren und anschließend eine der verschiedenen Prozeduren anzupassen, die in der Analyse verwendet werden.
Solche Prozeduren umfassen, dass eine Ermüdungsanalyse einmal mit gruppierten Knotensätzen in dem FEA-Netz des endbearbeiteten Teils basierend auf dem identifizierten Material durchgeführt wird. In einer solchen Prozedur wird auf nicht korrekte Weise angenommen, dass das Materialverhalten für die Knoten in jeder der verschiedenen Zonen dasselbe ist. Bei einer andere Prozedur wird die Ermüdungsanalyse mehrere Male ausgeführt, indem dieselben Materialeigenschaftsdaten jedes Mal jedem Knoten in dem gesamten FEA-Netz zugewiesen werden; indem auf nicht korrekte Weise angenommen wird, dass jeder Knoten dasselbe Materialverhalten besitzt, leidet dieser Ansatz unter demselben Problem wie der erste. Darüber hinaus würde ein solcher Ansatz mehrere Analyseiterationen und auch einen gleichzeitigen Zuwachs bei der Nachverarbeitung und der Darstellung der Ergebnisse der Ermüdungsanalyse erfordern.
Im Gegensatz dazu nimmt der Ansatz der vorliegenden Erfindung Eingaben von Materialdaten auf, die zwei Positionen repräsentieren, die den niedrigen und den hohen Extremwert für die Erstarrungsrate und die Erstarrungszeit aufweisen (oder für den dazugehörenden DAS oder die dazugehörende Porosität), wie vorstehend in Verbindung mit 4 diskutiert wurde. Auf ähnliche Weise kann eine Verteilung verwendet werden, die durch einen Prozesssimulationscode erzeugt wird (wie beispielsweise eine DAS-Verteilung, die der Erstarrungssimulation 130 zugeordnet ist) und die solche Werte bei jeder der Knotenkoordinaten des FEA- oder FD-Netzes des Gussteils für die simulierte Komponente zeigt. MATGEN 160 empfängt diese knotenweisen Prozesssimulationsergebnisse und die Materialdaten (wie sie beispielsweise in 2B für zwei Positionen identifiziert werden) und berechnet knotenweise die Materialeigenschaftsdaten. Auf diese Weise verwendet MATGEN 160 essentiell eine Materialeigenschaftsdatenbank, die an zwei Knoten (oder Positionen des Teils) identifiziert wird, und es erweitert diese in eine Datenbank (die typischerweise zwischen einhunderttausend und eine Million Knoten enthält), wobei sich die Eigenschaften an jedem Knoten von denjenigen seines Nachbarn als eine Funktion von Differenzen in dem DAS, der Porosität oder dergleichen unterscheiden. In Situationen, in denen der DAS verwendet wird, können solche Differenzen mittels einer Interpolation basierend auf dem DAS-Wert für jeden Knoten gefunden werden, welcher in den Spannungen und Dehnungen an dem Knoten dargestellt wird, die gegen die Knotenkoordinaten 190 der Strukturanalyse 180 tabelliert sind.
Mit den abgebildeten Materialdaten, die in die Ermüdungsanalyse 170 und die Haltbarkeitsanalyse 200B eingelesen werden, können sowohl der Sicherheitsfaktor als auch die Ermüdungslebensdauer als eine Weise berechnet werden, um die Genauigkeit der Ermüdungsanalyse zu verbessern. Es ist möglich, die Verteilungen in einem Trennwandbereich eines Motorblocks in der Form von Farbkonturen der Ergebnisse für den DAS, die Porengröße, die UTS, die HCF-Festigkeit und den Sicherheitsfaktor zu zeigen. Beispielsweise stimmt der Sicherheitsfaktor, der mit dem neuen Ansatz vorausgesagt wird, für die Position mit den Testergebnissen gut überein, wobei die vorausgesagten Sicherheitsfaktoren von 0,87 und 0,95 auf dem DAS bzw. der Porengröße basieren. In einem begleitenden Test haben die vorliegenden Erfinder gefunden, dass kein Ausfall an der analysierten Position zu finden ist. Dies steht im Widerspruch zu einer herkömmlichen Analyse, die einen Sicherheitsfaktor von ungefähr 0,6 vorausgesagt haben würde, dem entsprechen würde, dass eine hohe Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls angegeben wird.
Obgleich die vorliegende Erfindung das Simulieren eines Gussteils betrifft, werden Fachleute einsehen, dass eine solche Simulation auf ein beliebiges hergestelltes Teil ausgedehnt werden kann. Auf diese Weise sind die unabhängig vorausgesagten oder simulierten Eigenschaften, die vorstehend diskutiert wurden, auf Teile unabhängig von deren Herstellungsverfahren anwendbar, solange eine (empirische oder simulierte) Kenntnis des Prozesses für die Verteilung einer eigenschaftsbezogenen Struktur oder der Eigenschaften selbst vorliegt. Beispielsweise können Simulationen der Verteilung der Porosität in Pulvermetallteilen als eine Basis zur Abbildung von Eigenschaften verwendet werden. Auf ähnliche Weise gibt es Simulationen für Pulvermetallteile, welche die Eigenschaften direkt voraussagen. Ein solches Feld von vorausgesagten Eigenschaften könnte als eine Eingabe für das Programm der vorliegenden Erfindung verwendet werden, das wiederum die vorausgesagten Eigenschaften kalibrieren und feinabstimmen würde.

Claims

Verfahren zum Entwerfen einer knotenweisen Verteilung von Materialeigenschaften in einer Gusskomponente, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Computersystem (300) konfiguriert wird, damit dieses eine Dateneingabe, eine Datenausgabe, zumindest eine Verarbeitungseinheit (310) sowie einen Daten enthaltenden Speicher (340B) und/oder einen Anweisungen enthaltenden Speicher (340A) umfasst, welche über einen Datenkommunikationspfad miteinander zusammenwirken; Knotenkoordinaten als Eingabe für das Computersystem (300) empfangen werden, die sowohl einer Netzsimulation für ein endbearbeitetes Teil als auch einer Netzsimulation für ein Gussteil entsprechen; Materialeigenschaftsinformationen als Eingabe für das Computersystem (300) aus einer Materialeigenschaftsdatenbank (160) empfangen werden; Informationen als Eingabe für das Computersystem (300) empfangen werden, die zu Komponenten und/oder Randbedingungen einer Erstarrungssimulation gehören; Werte für eine Erstarrungszeit und/oder eine Erstarrungsrate basierend auf den empfangenen Komponenten und/oder Randbedingungen der Erstarrungssimulation und den empfangenen Materialeigenschaftsinformationen an jedem Knoten der Netzsimulation für das Gussteil ermittelt werden; die ermittelten Werte mit den Knotenkoordinaten aus der Netzsimulation für das endbearbeitete Teil integriert werden; zumindest eine Näherung der Materialeigenschaften durch einen Algorithmus berechnet wird, der die knotenweisen Differenzen in den empfangenen Materialeigenschaftsinformationen korrigiert; und die angenäherten Materialeigenschaften auf entsprechende Knotenkoordinaten der Netzsimulation für das endbearbeitete Teil abgebildet werden; dadurch gekennzeichnet , dass der Algorithmus, der die knotenweisen Differenzen in den empfangenen Materialeigenschaftsinformationen korrigiert, umfasst, dass die Materialeigenschaften zwischen einem Bereich der Gusskomponente mit einem hohen Wert für einen Dendritenarmabstand und einem Bereich der Gusskomponente mit einem niedrigen Wert für den Dendritenarmabstand interpoliert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln der Werte für die Erstarrungszeit und/oder die Erstarrungsrate umfasst, das ein Dendritenarmabstand und/oder eine Porosität basierend auf den ermittelten Werten der Erstarrungszeit und der Erstarrungsrate ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die empfangenen Materialeigenschaftsinformationen auch als Eingabe bei der Ermittlung von Spannungen und Dehnungen an den Knoten in einer Strukturanalyse der Netzsimulation für das endbearbeitete Teil verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, das ferner umfasst, dass die abgebildeten angenäherten Materialeigenschaften, die den jeweiligen Knotenkoordinaten der Netzsimulation für das endbearbeitete Teil entsprechen, mit den ermittelten Spannungen und Dehnungen als Teil einer Ermüdungsanalyse kombiniert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die abgebildeten angenäherten Materialeigenschaften, die den jeweiligen Knotenkoordinaten der Netzsimulation für das endbearbeitete Teil entsprechen, mit den ermittelten Spannungen und Dehnungen kombiniert werden, bevor die Ermüdungsanalyse durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die abgebildeten angenäherten Materialeigenschaften, die den jeweiligen Knotenkoordinaten der Netzsimulation für das endbearbeitete Teil entsprechen, separat von den ermittelten Spannungen und Dehnungen in die Ermüdungsanalyse eingeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Algorithmus, der die knotenweisen Differenzen in den empfangenen Materialeigenschaftsinformationen korrigiert, eine erste Gleichung für den Bereich mit dem hohen Wert für den Dendritenarmabstand und eine zweite Gleichung für den Bereich mit dem niedrigen Wert für den Dendritenarmabstand verwendet.
Verfahren zum Durchführen einer Ermüdungsanalyse für eine gegossene Aluminiumlegierungskomponente, wobei das Verfahren umfasst, dass: Knoteninformationen aus einer Gusssimulation der gegossenen Komponente aufgenommen werden; Materialeigenschaftsinformationen aus einer Materialeigenschaftsdatenbank (160) aufgenommen werden; Werte für eine Erstarrungsrate und/oder eine Erstarrungszeit für die aufgenommenen Materialeigenschaftsinformationen an jedem Knoten der Knoteninformationen der Gusssimulation ermittelt werden; Knoteninformationen aus einer Darstellung eines endbearbeiteten Teils der gegossenen Komponente aufgenommen werden; Materialeigenschaften der entsprechenden Knotenkoordinaten der Knotendarstellung des endbearbeiteten Teils basierend auf den ermittelten Werten der Gusssimulation angenähert werden; ein Algorithmus verwendet wird, der einen Dendritenarmabstand als einen Weg berücksichtigt, um Abweichungen zu korrigieren, die in den angenäherten Materialeigenschaften vorhanden sind; die korrigierten Materialeigenschaften den Knoten in der Knotendarstellung des endbearbeiteten Teils zugewiesen werden; die korrigierten Materialeigenschaften in ein Ermüdungsmodell eingegeben werden; und zumindest ein Ermüdungswert für die gegossene Komponente berechnet wird; dadurch gekennzeichnet , dass der Algorithmus den Dendritenarmabstand berücksichtigt, indem er die Materialeigenschaften zwischen einem Bereich der Gusskomponente mit einem hohen Wert für einen Dendritenarmabstand und einem Bereich der Gusskomponente mit einem niedrigen Wert für den Dendritenarmabstand interpoliert.