鑄鋁構(gòu)件中的殘余應(yīng)力和變形的快速分析的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上設(shè)及計(jì)算和預(yù)測(cè)在澤火或冷卻過(guò)程期間鑄侶構(gòu)件中的殘余應(yīng)力和 變形，并且更具體地設(shè)及快速地執(zhí)行此計(jì)算和預(yù)測(cè)使得在不使用常規(guī)的時(shí)間密集預(yù)測(cè)方法 的情況下獲得準(zhǔn)確結(jié)果。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著對(duì)減輕重量和改善汽車(chē)燃料效率的需求增長(zhǎng)，侶鑄件更廣泛用于關(guān)鍵的汽車(chē) 構(gòu)件，如，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、氣缸蓋和懸架部分。此侶鑄件通常經(jīng)歷循環(huán)負(fù)載從而在設(shè)計(jì)此構(gòu) 件時(shí)必須考慮疲勞性能。運(yùn)些疲勞特性總體上可顯著地且不利地由殘余應(yīng)力（即，在制造、 處理等之后保留在構(gòu)件中的那些）的存在影響，且尤其由表面層中的拉伸殘余應(yīng)力影響， 包括圍繞圓角、尖角等的那些。運(yùn)些應(yīng)力可源于多種來(lái)源。例如，宏觀殘余應(yīng)力可由熱處 理、機(jī)加工、輔助熱和機(jī)械處理和組裝程序引起，而微觀結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力通常由相位與組分之 間的熱膨脹或收縮失配W及從相變引起。
[0003] 侶鑄件通常經(jīng)歷T6/T7熱處理W提高其機(jī)械特性；此類(lèi)處理大體上包括在相對(duì)高 溫度下的溶液處理，隨后是冷或冷卻介質(zhì)（如，水或強(qiáng)制空氣）中的快速澤火，然后在中等 溫度下時(shí)效硬化。大的殘余應(yīng)力和變形可尤其出現(xiàn)在具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的那些鑄件中，因 為典型地在澤火過(guò)程期間鑄件中的溫度分布的高不均勻性；此不均勻性尤其在快速澤火期 間明顯。在任何情況下，侶基鑄件中的殘余應(yīng)力、變形等的存在可顯著地和不利地影響所制 造構(gòu)件的尺寸公差和隨后的性能。
[0004] 通?？纱_定所制造構(gòu)件中的殘余應(yīng)力水平，W及測(cè)量此構(gòu)件中的運(yùn)些應(yīng)力的各種 方式。機(jī)械技術(shù)如鉆孔、曲率測(cè)量和裂紋柔度方法是測(cè)量此類(lèi)應(yīng)力的一些方式，衍射技術(shù)， 如，電子、X射線和中子，W及磁性、超聲波、壓電頻譜、光測(cè)彈性和熱測(cè)彈性技術(shù)也是(測(cè)量 此類(lèi)應(yīng)力的一些方式)。然而，機(jī)械技術(shù)通常破壞構(gòu)件，而衍射和其它非破壞性技術(shù)測(cè)量殘 余應(yīng)力的準(zhǔn)確性大體上取決于構(gòu)件結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)變化和幾何復(fù)雜性的程度。此外，大體 上難W測(cè)量構(gòu)件的每個(gè)位置中的殘余應(yīng)力，不但因?yàn)閹缀渭s束，而且因?yàn)檫\(yùn)樣做需要的時(shí) 間和成本。
[0005] 計(jì)算模擬是預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力的一種替代方式，其中分析或數(shù)值方法可用于替代上文 提到的機(jī)械或非破壞性方法。有限元分析（FEA)為一種常規(guī)數(shù)值方法，其中闡釋連續(xù)介 質(zhì)的機(jī)械性質(zhì)的大型偏微分方程可被建模作為介質(zhì)內(nèi)的離散點(diǎn)的集合。W良好的準(zhǔn)確性 執(zhí)行殘余應(yīng)力和變形預(yù)測(cè)的一種此類(lèi)系統(tǒng)可在由本發(fā)明的受讓人擁有且通過(guò)引用并入本 文中的題為MET冊(cè)DSOFPR邸ICTINGRESIDUALSTRESSESANDDISTORTIONINQ肥NC肥D ALUMINUMCASTINGS的美國(guó)專(zhuān)利 8, 214, 182 中找到。
[0006] 取決于被建模的構(gòu)件的復(fù)雜性，基于FEA的模擬需要非常長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間（通常W數(shù)小時(shí)或甚至數(shù)天計(jì)），W確定已經(jīng)經(jīng)歷上述冷卻步驟的鑄侶構(gòu)件中的殘余應(yīng)力。將有利的 是如果此計(jì)算可快速完成-具體地?cái)?shù)分鐘，W便加快此構(gòu)件的早期設(shè)計(jì)過(guò)程迭代周轉(zhuǎn)，W 及縮短和降低運(yùn)些構(gòu)件的開(kāi)發(fā)周期的成本（運(yùn)可包括汽車(chē)構(gòu)件，如，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、氣缸蓋 和需要熱處理的其它侶鑄件）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 與W上背景相反，本發(fā)明的實(shí)施例大體上設(shè)及比通過(guò)常規(guī)基于陽(yáng)A的方法更快地 預(yù)測(cè)澤火侶鑄件的殘余應(yīng)力和/或變形、同時(shí)保持預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的系統(tǒng)、方法及制品。如本文 使用的用語(yǔ)"侶鑄件"及其變型大體上是指大致由侶或其合金構(gòu)成的任何鑄造構(gòu)件、部件 或其它制品。當(dāng)前公開(kāi)的侶鑄件分析方法的快速本質(zhì)通過(guò)使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN，本文中 也簡(jiǎn)單地稱(chēng)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），且更具體而言多層前饋（MFF，也稱(chēng)為前饋）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)實(shí) 現(xiàn)，其使用連同部分的復(fù)雜FEA模型預(yù)測(cè)的分析殘余應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)，（a)幾何信息如曲率 和最大二面角，化）拓?fù)洌矗匦危┨卣魅绻?jié)點(diǎn)相鄰?fù)負(fù)?，W及（C)澤火參數(shù)如澤火溫度 和澤火介質(zhì)。顯著地，本發(fā)明利用了W下事實(shí)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用訓(xùn)練方法，使得可"學(xué)到"應(yīng) 力和變形預(yù)測(cè)計(jì)算；一旦訓(xùn)練好網(wǎng)絡(luò)，則其可通過(guò)輸入數(shù)據(jù)集上的簡(jiǎn)單直接算術(shù)操作來(lái)在 微不足道的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生計(jì)算輸出，從而避免與常規(guī)分析工具相關(guān)聯(lián)的顯著延遲。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的方面，公開(kāi)了一種快速預(yù)測(cè)澤火侶鑄件的殘余應(yīng)力和變形中的至少 一者的計(jì)算機(jī)執(zhí)行的方法。該方法包括接收對(duì)應(yīng)于與鑄件相關(guān)聯(lián)的拓?fù)涮卣?、幾何特征?澤火工藝參數(shù)中的至少一者的計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)，且然后將計(jì)算機(jī)操作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)確定對(duì) 應(yīng)于殘余應(yīng)力和變形值中至少一者的輸出數(shù)據(jù)。操作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)來(lái)確定數(shù) 據(jù)有效性，W及在數(shù)據(jù)中超過(guò)誤差闊值時(shí)再訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。如上文所述，通過(guò)操作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)， 將生成快速準(zhǔn)確的結(jié)果，而沒(méi)有與傳統(tǒng)基于有限元的計(jì)算相關(guān)聯(lián)的延遲、成本和復(fù)雜性。實(shí) 際上，預(yù)測(cè)的快速優(yōu)選包括大致實(shí)時(shí)（例如，主要W分鐘計(jì)）輸出應(yīng)變或變形標(biāo)記中的一者 或兩者，而非由傳統(tǒng)基于有限元的計(jì)算消耗的數(shù)小時(shí)或數(shù)天。在本文上下文內(nèi)舉例來(lái)說(shuō)，使 用本發(fā)明的大多數(shù)鑄侶汽車(chē)構(gòu)件的殘余應(yīng)力和變形的快速分析的大致實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)間小于 10分鐘。通過(guò)更具體的實(shí)例，具有一百萬(wàn)節(jié)點(diǎn)的對(duì)于汽車(chē)氣缸蓋的此運(yùn)行時(shí)間為大約5分 鐘。在優(yōu)選形式中，該方法基于節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，使得互連節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)可用于模擬由實(shí)際鑄造構(gòu)件限 定的連續(xù)介質(zhì)，其中應(yīng)力或變形的計(jì)算時(shí)間隨網(wǎng)中的表面節(jié)點(diǎn)的尺寸線性變化。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，公開(kāi)了一種提供大致實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)澤火侶鑄件的殘余應(yīng)力 和變形中的至少一者的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括構(gòu)造成接收關(guān)于與鑄件相關(guān)聯(lián)的拓?fù)涮?征、幾何特征和澤火工藝參數(shù)中的至少一者的數(shù)據(jù)的輸入、構(gòu)造成傳送由系統(tǒng)預(yù)測(cè)的侶鑄 件的殘余應(yīng)力和變形中的至少一者的數(shù)據(jù)的信息輸出、處理單元（例如，一個(gè)或多個(gè)微處 理器）、W及具有體現(xiàn)于其中的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)與 輸入、輸出和處理單元協(xié)作W操作為ANNW提供大致實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。在相關(guān)形式中，系統(tǒng)（如， 計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)）的一部分可配置為預(yù)測(cè)侶鑄件的殘余應(yīng)力和變形中的至少一者的制品， 包括信息輸入、信息輸出和至少一個(gè)計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)。
[0010] 本發(fā)明還提供如下方案： 1. 一種快速預(yù)測(cè)澤火侶鑄件的殘余應(yīng)力和變形中的至少一者的計(jì)算機(jī)執(zhí)行的方法， 所述方法包括： 將對(duì)應(yīng)于與所述鑄件相關(guān)聯(lián)的拓?fù)涮卣鳌缀翁卣骱蜐苫鸸に噮?shù)中的至少一者的輸 入數(shù)據(jù)接收到所述計(jì)算機(jī)中；W及 將所述計(jì)算機(jī)操作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)基于所述輸入數(shù)據(jù)來(lái)確定對(duì)應(yīng)于所述殘余應(yīng)力和變 形中的至少一者的輸出數(shù)據(jù)，所述操作構(gòu)造成訓(xùn)練所述網(wǎng)絡(luò)來(lái)確定所述輸入數(shù)據(jù)和所述輸 出數(shù)據(jù)中的至少一者的有效性W及在超過(guò)誤差闊值時(shí)再訓(xùn)練所述網(wǎng)絡(luò)。
[0011] 2.根據(jù)方案1所述的方法，其特征在于，對(duì)應(yīng)于與所述鑄件相關(guān)聯(lián)的拓?fù)涮卣鳌?幾何特征和澤火工藝參數(shù)中的至少一者的所述輸入數(shù)據(jù)包括對(duì)應(yīng)于所述拓?fù)涮卣?、幾何?征和澤火工藝參數(shù)中的各個(gè)的輸入數(shù)據(jù)。
[0012] 3.根據(jù)方案2所述的方法，其特征在于，所述幾何特征至少包括由W下公式確定 的高斯曲率：
[0013] 4.根據(jù)方案3所述的方法，其特征在于，所述幾何特征至少包括使用W下公式計(jì) 算的最大二面角：
[0014] 5.根據(jù)方案2所述的方法，其特征在于，所述澤火工藝參數(shù)包括在所述鑄件的澤 火期間發(fā)生的節(jié)點(diǎn)溫度變化。
[001引 6.根據(jù)方案2所述的方法，其特征在于，所述拓?fù)涮卣靼ㄍㄟ^(guò)使用W下函數(shù)由 廣度優(yōu)先捜索確定的至少一組最近鄰節(jié)點(diǎn)：
[0016] 7.根據(jù)方案2所述的方法，其特征在于，所述輸入數(shù)據(jù)基于所述鑄件的網(wǎng)模擬來(lái) W節(jié)點(diǎn)形式接收。
[0017] 8.根據(jù)方案1所述的方法，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)由至少一個(gè)輸入層、至少一個(gè) 隱藏層和至少一個(gè)輸出層限定，使得所述網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練通過(guò)由所述網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所述隱藏層和所 述輸出層中的至少一者計(jì)算的加權(quán)值實(shí)現(xiàn)。
[0018] 9.根據(jù)方案8所述的方法，其特征在于，加權(quán)值可在所述操