專利名稱：模擬水淬火期間的鋁鑄件的瞬時熱傳遞和溫度分布的方法
技術領域：
本發明總體涉及用于精確地計算鋁合金的瞬時熱傳遞和溫度分布的方法，更具體地，涉及用于計算在水淬火期間的鑄造鋁合金的瞬時熱傳遞和溫度分布的方法。
背景技術：
鋁合金鑄件廣泛用于汽車工業以減小重量并改進燃料效率。為了改進機械性能， 鋁鑄件經常受到全T6/T7溫度處理，其包括以相對高溫的固溶處理，在例如水的冷介質中淬火，然后在中間溫度時效硬化。大量殘余應力能夠在鋁鑄件淬火時(尤其是在水中)在鋁禱件中產生。如 2007 年在 Metallurgical and Materials Transactions B, 38(4) pp. 505-515 上的 Li, P. , Mai jer, D. Μ. , Lindley, Τ. C.的 “Simulating the Residual Stress in An A356 Automotive Wheel and its Impact on Fatigue Life，，;2009年在 SAE International Journal of Materials & Manufacturing， 1(1) pp. 725-731 JlStJ Li, K. , Xiao, B.禾口 Wang, Q.的"Residual in As-Quenched Aluminum Castings，，。殘余應力的存在，尤其是拉伸殘余應力的存在會對結構部件的性能產生很大的不利影響。在很多情況下，高拉伸殘余應力還會導致部件的嚴重扭曲，并且它們甚至會導致淬火期間或隨后的制造工藝期間的破裂。如 2007 年的 Metallurgical and Materials Transactions B, 38(4) pp. 505-515 上的 Li, P. , Mai jer, D. Μ. , Lindley, Τ. C.的 “Simulating the Residual Stress in An A356 Automotive Wheel and Its Impact on Fatigue Life，，;2005 年的 Elsevier Butterworth-Heinemann, pp. 402 上的 Lee, Y. L. , Pan, J. , Hathaway, R.的"Fatigue Testing and Analysis: Theory and Practice，，。鑄造鋁部件在淬火期間產生的殘余應力和扭曲量顯著地取決于淬火期間的淬火速度和鑄造的溫度分布的不均勻程度。淬火期間鋁鑄件的熱傳遞包含傳導、對流、輻射甚至相變，這取決于淬火介質。在水淬火工藝中，鋁鑄件的熱傳遞包含至少三個主要階段，其包括膜狀沸騰(1)，泡核沸騰(2)和對流(3)，如
圖1所示。如2002年的McGraw-Hill，New York, pp. 665 上的 Holman, J. P.的"Heat Transfer，，。這些階段的每個都具有非常不同的特性。第一階段冷卻的特征在于在部件周圍形成氣相膜(蒸氣)。這是相對緩慢的冷卻時段，在這期間熱傳遞由輻射和通過氣相(蒸氣)覆蓋層發生。然而，隨著氣相(蒸氣)膜的厚度增加，穩定的蒸氣膜最終破壞，并且水與熱金屬表面接觸，導致泡核沸騰和高熱排熱速度。隨著連續沸騰，金屬表面溫度快速降低到沸騰停止的點并且熱量通過對流到水中而除去。結果，在該階段期間熱量被非常緩慢地除去。圖2示出了熱傳遞速度α和溫差Δ T之間的一般關系(淬火工藝在箭頭方向上進行(從右到左))。當熱金屬表面在淬火開始時接觸水時，△ T太高使得蒸氣產生變得太快并且大部分金屬表面被蒸氣泡覆蓋(膜狀沸騰(1))。結果，沒有更多與金屬表面直接接觸的水被攪動。因此，產生了不良影響(因為低α蒸氣，熱傳遞速度是水的1/20)并且其變成金屬表面和蒸氣之間主要通過對流的熱傳遞的問題。隨著蒸氣覆蓋層厚度的增加和ΔΤ的減小，相對緩慢的冷卻繼續，如圖2所示。當α和(1在α-Δ T曲線(圖2)中降低到點a，穩
8定的蒸氣膜最終破壞，并且水與熱鑄造表面直接接觸，導致泡核沸騰(2)和排熱速度的快速增加(在圖2中α-ΔΤ曲線的3到力之間)。在該階段，水完全被產生的蒸氣泡攪動。最大熱傳遞通過增加的α和減小的ΔΤ的組合效果在α-ΔΤ曲線中的點力達到。在點辦之后，沸騰繼續但是變得輕微，并且金屬表面溫度快速降低。結果，攪動和熱傳遞速度α在圖2的α-ΔΤ曲線中隨著b_c劇烈減小。當鑄件表面溫度降低到一定點時，沸騰停止，并且熱量通過對流(3)到水中而除去。在這種情況下，熱傳遞速度α較低。因為沸騰現象太復雜，即使利用了最先進精密的計算流體動力學(CFD)算法，沸騰熱傳遞的理論分析長期都是一個有挑戰性的問題。盡管α或^？在ΔΤ上的關聯函數在圖 2中展示，其中a和力是7的最小和最大值的點，曲線的abc部分(將在后面討論)太不穩定使得難以在實際中獲得。膜狀沸騰
膜狀沸騰能夠作為單相邊界問題來處理。如1984年的hternational Journal of Heat and Mass Transfer, 27(7) pp. 959-970 Nukiyama, S.的 “The Maximum and Minimum Values of the Heat Q Transmitted from Metal to Boiling Water Under Atmospheric Pressured膜狀沸騰期間的熱傳遞簡單描述為 ^= ΦΤ) (Tmetal > 約 500°C)(1)
其中7是每單位時間每單位面積從鑄件表面傳遞到水的熱量；α是傳熱系數，ΔΤ是鑄件表面和水之間的溫差，如圖3所示。對于在540°C固溶處理的然后在水(<100°C)中淬火的鑄造鋁部件，膜狀沸騰在相對高溫(>50(TC)發生。泡核沸騰
在泡核沸騰期間的熱傳遞能夠基于經驗公式計算
q =ClIKTf2 (Tmetal〈約 500°C)(2)
其中C1和C2是常數，其能夠以材料和淬火條件校準，如圖3所示。如1952年的Trans. ASME vol. 74，969-976 上的 Rohsenow, W.的"A method of correlating heat transfer data for surface boiling of liquids，，。由于相變，尤其是泡成核和相互作用的復雜性在水淬火中的鑄造鋁合金的熱傳遞的精確建模保持了極大的挑戰性。在計算熱傳遞和界面熱傳遞系數的文獻中報告了很多經典經驗公式。然而，它們的應用非常有限，因為它們中的大部分在某些特定實驗條件下被校準，這會與實際生產情況有很大不同。近年來，流體流和熱傳遞的CFD模擬已經取得了很大進步。但是，在水淬火期間的鋁鑄件的熱傳遞和溫度分布的當前CFD預測是不精確的，因為水和熱鋁鑄件之間的復雜的相互作用和熱傳遞現象不能完全地被理解并在最先進的流體流和熱傳遞代碼中展現。圖4A-B示出了使用最先進的流體流和熱傳遞代碼相比于實驗測量在熱模擬中觀察的顯著差異的例子。為了精確地預測在淬火期間鑄造鋁部件中誘發的殘余應力和扭曲量以及淬火的鑄造鋁部件在維修期間的機械性能和耐用性，至關重要的是理解熱傳遞并計算在鑄件淬火期間精確的溫度分布。因此，需要開發改進的方法和系統，其能夠精確地預測在水淬火期間鑄造鋁部件中的熱傳遞和溫度分布。
發明內容
本發明提供了改進的計算流體動力學方法和技術以精確地模擬在淬火期間從熱 鑄造鋁部件到水的熱傳遞。本發明可用于所有可時效硬化的鋁合金，其包括鍛造和鑄造鋁
合金 o對于鑄造鋁合金，發現了來自泡核沸騰，尤其是來自過渡沸騰的熱傳遞是主導的。 然而，通過膜狀沸騰的熱傳遞是非常有限的，如圖5A所示的。在鑄件淬火期間從位置到另 一位置的大量熱通量和冷卻速度變化能夠歸因于泡形成，運動及其相互作用。在過渡階段期間從熱鑄造鋁部件傳遞到水的熱通量能夠通過圖6所示的兩個函 數描述ー個稱作“臨界點函數”，其定義了最大熱通量‘(公式3)，另ー個稱作過渡沸騰 函數(公式4)。本發明的ー個方面涉及ー種用于估算在鋁零件的水淬火期間的熱傳遞的方法，所 述方法包括
當零件的溫度大于500°C吋，使用下列公式估算所述鋁零件的熱傳遞
權利要求
1. 一種用于估算在鋁零件的水淬火期間的熱傳遞的方法，包括 當零件的溫度大于500°C時，使用下列公式估算所述鋁零件的熱傳遞 q = a{hT)(1)；當零件的溫度大于T2且小于500°C時，使用下列公式估算所述鋁零件的熱傳遞 q ^klKIk2(4)；當零件的溫度大于T1且小于T2時，使用從下列公式選擇的臨界點函數公式估算所述鋁零件的熱傳遞
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述臨界點函數公式為
3.一種預測淬火的鋁鑄件的瞬時熱傳遞或溫度分布，或者其二者的系統，所述系統包括信息輸入部，其配置成接收信息，該信息與在鋁鑄件淬火期間所述鋁鑄件的至少一個節點和元件的多個中的至少一個相關；信息輸出部，其配置成傳送信息，該信息與由所述系統預測的所述鋁鑄件的瞬時熱傳遞或溫度分布，或者其二者相關；處理單元；以及計算機可讀介質，所述計算機可讀介質包括編入其中的計算機可讀程序代碼，所述計算機可讀介質與所述處理單元，所述信息輸入部和所述信息輸出部協作，使得所接收的信息由所述處理單元和計算機可讀程序代碼操作從而作為所述鋁鑄件的瞬時熱傳遞或溫度分布，或者其二者提供到所述信息輸出部，所述計算機可讀程序代碼包括流體流模擬模塊， 湍流沸騰流模塊和熱傳遞模塊，其中所述流體流模擬模塊模擬所述鋁鑄件復制的虛擬鋁鑄件的淬火工藝和所述鋁鑄件的淬火，所述虛擬鋁鑄件包括與所述鋁鑄件的表面幾何形狀相關的至少一個虛擬表面節點和元件的多個，所述虛擬鋁鑄件分別包括至少一個空間節點和元件的多個；所述湍流沸騰流模塊模擬液相的速度分布，壓力分布和蒸氣/水相的相互作用中的一個或多個；所述熱傳遞模塊計算相應的虛擬表面節點和元件特定的多個熱傳遞系數； 當零件的溫度大于500°C時，所述熱傳遞模塊使用下列公式估算所述鋁零件的熱傳遞
4.如權利要求3所述的系統，其特征在于，所述臨界點函數公式為
5.如權利要求3所述的系統，其特征在于，所接收的信息包括與所述鋁鑄件的多個材料屬性的至少一個相關的信息。
6.如權利要求5所述的系統，其特征在于，所述材料屬性包括密度，熱導率和粘度。
7.如權利要求3所述的系統，其特征在于，所述湍流沸騰流模塊使用下列公式計算所述湍流沸騰流
8.如權利要求3所述的系統，其特征在于，所述虛擬鋁鑄件的虛擬表面元件和節點包括所述虛擬鋁鑄件的至少一個頂表面，至少一個側表面，和與淬火方向相關的所述虛擬鋁鑄件的至少一個底表面。
9.一種預測鋁鑄件的瞬時熱傳遞或溫度分布，或者其二者的方法，所述方法包括提供所述鋁鑄件，所述鋁鑄件包括至少一個節點和元件的多個中的至少一個，并且所述鋁鑄件已經通過淬火工藝淬火；模擬所述鋁鑄件復制的虛擬鋁鑄件的淬火工藝和所述鋁鑄件的淬火，其中所述虛擬鋁鑄件包括與節點相關的多個虛擬表面區域的至少一個，以及所述鋁鑄件的元件，所述虛擬表面區域分別包括多個空間元件，所述空間元件分別包括多個節點； 計算相應的虛擬節點和元件的湍流沸騰流； 當零件的溫度大于500°C時，使用下列公式估算所述鋁零件的熱傳遞q = α.(ΔΓ)(1)；當零件的溫度大于T2且小于500°C時，使用下列公式估算所述鋁零件的熱傳遞
10. 一種預測鋁鑄件的瞬時熱傳遞或溫度分布，或者其二者的制品，所述制品包括信息輸入部，信息輸出部和至少一個計算機可用介質，其中信息輸入部配置成接收信息，該信息與在鋁鑄件淬火期間所述鋁鑄件的至少一個節點和元件的多個中的至少一個相關；信息輸出部配置成傳送信息，該信息與由所述制品預測的所述鋁鑄件的瞬時熱傳遞或溫度分布，或者其二者相關；計算機可用介質，所述計算機可用介質包括編入其中的計算機可讀程序代碼裝置，其用于模擬所述鋁鑄件復制的虛擬鋁鑄件的淬火和所述鋁鑄件的淬火，所述虛擬鋁鑄件包括與所述鋁鑄件的至少一個節點和元件相關的多個虛擬表面節點和元件的至少一個，所述虛擬表面區域分別包括多個空間元件，虛擬空間元件分別包括多個節點；所述計算機可用介質包括編入其中的計算機可讀程序代碼裝置，其用于計算湍流沸騰流；所述計算機可用介質包括編入其中的計算機可讀程序代碼裝置，其用于 當零件的溫度大于500°C時，使用下列公式估算所述鋁零件的熱傳遞
全文摘要
本發明涉及模擬水淬火期間的鋁鑄件的瞬時熱傳遞和溫度分布的方法。具體地，本發明涉及用于估算在鋁零件的水淬火期間的熱傳遞的方法，所述方法包括當零件的溫度大于500℃時，使用下列公式估算所述鋁零件的熱傳遞(1)；當零件的溫度大于T2且小于500℃時，使用下列公式估算所述鋁零件的熱傳遞(4)；當零件的溫度大于T1且小于T2時，使用從下列公式選擇的臨界點函數公式估算所述鋁零件的熱傳遞(3)，(6)，)(7)，)(8)，或(9)；當零件的溫度小于T1時，使用下列公式估算所述鋁零件的熱傳遞(5)。還公開了預測淬火的鋁鑄件的瞬時熱傳遞或溫度分布，或者其二者的系統，方法和制品。
文檔編號C22F1/04GK102375931SQ20111023106
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月12日 優先權日2010年8月13日
發明者張 C-C., 西瓦庫馬 J., R. 哈珀 M., 王 Q. 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司