專利名稱：用于預測金屬合金的特高循環(huán)疲勞特性的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及用于預測金屬合金疲勞壽命的方法和系統(tǒng)，并且更具體地，涉及利用概率模型和高循環(huán)疲勞行為來預測鋁及相關金屬的特高循環(huán)疲勞壽命。再更具體地，本發(fā)明涉及預測鑄鋁合金物體在特高循環(huán)疲勞水平下的疲勞壽命。
背景技術：
汽車設計中對改善燃料效率的增長的要求包括強調(diào)通過在車輛構(gòu)件(包括在動力系和相關構(gòu)件部分中)的零件制造中使用輕質(zhì)材料來減小構(gòu)件質(zhì)量?？傮w而言，鑄造輕質(zhì)非鐵合金，特別是鋁合金，正在被越來越多地用在、但不限于，發(fā)動機缸體、汽缸蓋、活塞、進氣歧管、支架、殼體、車輪、底盤和懸架系統(tǒng)中。除了使這些構(gòu)件更輕，鑄造和相關可擴展工藝的使用也幫助保持低的生產(chǎn)成本。
由于鑄鋁和其它輕質(zhì)金屬合金在車輛構(gòu)件中的很多應用涉及到非
常高的循環(huán)(通常，多于108次循環(huán)，并且經(jīng)常涉及1(^至10"次之間循環(huán))的加載，故合金的疲勞特性，尤其是特高循環(huán)疲勞(VHCF)特性，是這些結(jié)構(gòu)性應用的關鍵設計標準。鑄鋁構(gòu)件的疲勞特性極大地取決于在鑄造期間所產(chǎn)生的不連續(xù)處(其經(jīng)常萌生疲勞裂紋)，例如空隙和相關孔隙，或氧化膜等。此外，在鑄件的給定部分中具有鑄造不連續(xù)處的概率取決于很多因素，包括熔融物質(zhì)量、合金成分、鑄件幾何結(jié)構(gòu)和固化條件。由于這些因素，以及材料的固有非均勻性，可以理解，疲勞的本質(zhì)是概率性的，在這種情況下，對某一栽荷范圍上所期望行為的預測比試圖設立一個精確的、可再現(xiàn)的疲勞值更有意義。
盡管如此，存在提供對疲勞行為的良好指示的因素。例如，裂紋容易從位于構(gòu)件自由表面附近或構(gòu)件自由表面處且遭受循環(huán)加載的大的不連續(xù)處開始，這樣的開裂的尺寸對于確定構(gòu)件的疲勞壽命是重要的。一般而言，由此產(chǎn)生的對于給定次數(shù)的循環(huán)至破壞而言的疲勞強度，或?qū)τ诮o定栽荷而言的疲勞壽命，與萌生疲勞裂紋的不連續(xù)處的尺寸成反比。疲勞的一種具體形式，即公知為高循環(huán)疲勞(HCF)，涉及到很多 次地重復施加循環(huán)應力。這種"很多次"最普遍提及的值為大約上千萬 U07)。很多結(jié)構(gòu)材料(例如，鐵基合金或非鐵基合金)在HCF是重要 性的構(gòu)件和應用中使用的合適性通常由熟知的手段來衡量，例如從著名 的S-N曲線中的數(shù)椐來衡量，在圖1和圖2A中示出了S-N曲線的實例，其 中，材料能經(jīng)受的全交變應力循環(huán)的次數(shù)隨著應力水平的提高而減少。 特別參照圖l,很多材料(例如，鐵基合金)的疲勞強度和相應的S-N曲 線在一定的循環(huán)次數(shù)以上在公知為耐久極限的應力處趨于變平。 一般而 言，耐久極限是在不發(fā)生破壞的情況下向材料施加無限次這種全交變循 環(huán)的最大應力。
不幸的是，鋁基合金(也在圖l中示出)卻未顯示出清晰限定的耐 久極限，而是對于數(shù)百萬到數(shù)萬億次循環(huán)的疲勞壽命而言呈現(xiàn)出繼續(xù)的 更低水平的容許循環(huán)應力。認為這樣的合金通常不具有耐久極限，或即 使具有耐久極限，該耐久極限不是普遍可辨別出或者容易量化的u在任 一種情況下，在超出HCF極限或與特高循環(huán)疲勞(VHCF,通常從大約 10K到1011，或更多次循環(huán))相關聯(lián)的極限的情況下，很難確定鑄鋁合金 的合適的設計強度(在循環(huán)加栽下)和相關的材料特性。由于由這樣的 合金制成的構(gòu)件的長期性質(zhì)對于它們的成功十分關鍵且被認為是這些 構(gòu)件在結(jié)構(gòu)應用中的重要設計標準，因此，期望有另外的方法以大致類 似于預測鐵基合金疲勞行為所使用的方法來確定鑄鋁合金的強度和相 關性質(zhì)u
著名的W6hler測試(其結(jié)果可被用來產(chǎn)生前面提及的S-N曲線)和 階梯疲勞測試(staircase fatigue test)(其結(jié)果描繪在圖2B中)通常被 用來表征材料在常規(guī)HCF (例如，107)壽命循環(huán)內(nèi)的疲勞特性。對這兩 種疲勞測試的結(jié)果進行的統(tǒng)計學分析通?；谄趶姸瘸收龖B(tài)分布的 假設。因此，其結(jié)果一般與中值疲勞強度的估計一致，但在它們的標準 偏差中顯示出巨大的差異(例如，達到兩倍)。階梯疲勞測試的缺點之 一是，所測試和計算的疲勞強度限于固定的循環(huán)次數(shù)(例如，對于低循 環(huán)疲勞(LCF)而言，大約104次循環(huán)，以及對于HCF而言，大約107次循 環(huán))。與階梯疲勞測試相比，從W6hler測試獲得的S-N曲線能夠提供在 不同循環(huán)次數(shù)下直至斷裂的疲勞強度。無論是使用W6hler測試還是階梯 測試，常規(guī)的液壓伺服疲勞測試系統(tǒng)在不超過每秒大約一百次循環(huán)的標稱頻率下工作，這使得為VHCF應用(在該應用中，經(jīng)歷108至1011 (或 更多)次循環(huán))生成S-N或相關曲線在時間層面顯得不切實際。因此， 期望能夠估計在超出HCF極限(包括在VHCF范圍)的情況下鑄鋁合金 的強度和相關的材料特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明滿足了這些期望，其中公幵了采用概率學方法來估計鑄鋁和 其它非鐵合金的VHCF特性的改進方法和系統(tǒng)。這些方法可基于用于常 規(guī)HCF (即，高達107次循環(huán))的S-N和階梯疲勞數(shù)據(jù)以及所研究的材料 中的不連續(xù)處和微觀結(jié)構(gòu)組分的總體(population)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，使用一種用于預測金屬合金的VHCF強度 的方法。該方法包括選擇一種合金，其中推測或確定存在至少一個疲勞 裂紋萌生位置，且該合金通常不具有可辨認的耐久極限。該方法還包括 輸入表示疲勞裂紋萌生位置的不連續(xù)處或微觀結(jié)構(gòu)組分的尺寸。由此， 該方法可用來基于修改的隨機疲勞極限(MRFL)模型計算VHCF強度和 無限壽命疲勞強度。
可選地，MRFL模型包括利用方程2,將在下文詳細討論。在更具體 的版式中，萌生疲勞裂紋的不連續(xù)處或微觀結(jié)構(gòu)組分的尺寸被引入到該 模型中》這將MRFL模型擴展成可適用于具有不同的不連續(xù)處和微觀結(jié) 構(gòu)組分的總體的相同材料。在一種具體形式中，金屬合金包括鑄鋁合金。 本領域技術人員將理解，其它非鐵金屬合金也能 夠使用，包括鍛造及相 關的非鑄造合金，以及其它非鐵金屬(例如鎂)的合金。在另一種選擇 中，一個或多個疲勞裂紋萌生位置由直接測量和分析預測中的至少一種 確定，其中直接測量選自X射線計算斷層成像、單個剖面及連續(xù)剖面金 相分析和斷口金相學分析或相關方法中的一種。在另一種選擇中，無限 壽命疲勞極限遵循根據(jù)方程3的分布，將在下文詳細討論。在更加具體 的選擇中，不連續(xù)處或微觀結(jié)構(gòu)組分的尺寸遵循根據(jù)方程4的廣義極值 分布，將在下文詳細討論。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，鑄鋁構(gòu)件中的給定體積的 元件的疲勞性能受不連續(xù)處和微觀結(jié)構(gòu)組分的尺寸的極值控制，因而可 以受益于極值統(tǒng)計(EVS)在預測鋁基合金的疲勞壽命中的使用。在合 金的疲勞壽命擴展到超出常規(guī)的HCF值并進入VHCF工況(例如，至少 108次循環(huán))的情況下，施加的應力也用作來自方程2的VHCF強度，將在下文詳細"i寸論。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，公開了一種可用來預測金屬鑄件的疲勞壽 命的制造品。該制造品包括計算機可用的介質(zhì)，該計算機可用的介質(zhì)具 有適于這種疲勞壽命預測的計算機可執(zhí)行指令。計算機可執(zhí)行指令包括 用于基于各種常數(shù)、輸入條件和疲勞引發(fā)條件的性質(zhì)來確定疲勞壽命特 性的方程。該制造品特別適合用于預測VHCF疲勞壽命，其中與金屬鑄 件相關聯(lián)的耐久極限要么不存在，要么不易辨認。在本發(fā)明的上下文中， 在沒有大致固定的最大應力水平時，認為耐久極限不存在，其中材料在 低于該最大應力水平時能夠經(jīng)受住大致無限次的應力循環(huán)而不發(fā)生破 壞。同樣，如果在4艮多次應力循環(huán)之后，合適的測量(例如，S-N曲線) 沒有顯示出大致恒定的最大應力水平，則耐久極限為不易辨認的。
可選地，用于計算VHCF強度的計算機可讀程序代碼部分包括與 MRFL模型相關聯(lián)的方程相結(jié)合使用廣義極值分布。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，公開了一種用于預測金屬合金的VHCF壽 命的設備。該設備包括例如在先前方面中所討論的計算裝置，且可以額 外包括樣品感測設備，其實例可包括疲勞測量構(gòu)件，以及能夠在精確受 控的條件下引發(fā)和測量各種結(jié)構(gòu)材料的拉伸、壓縮、沖擊和硬度特性的 構(gòu)件。這樣的設備(它的很多實例可商業(yè)得到)可以可操作地聯(lián)接到計 算裝置，使得從該設備獲取的感測數(shù)據(jù)能夠由計算機可讀軟件運算以 便，除它用之外，計算取樣合金的疲勞特性。在其它形式中，樣品感測 設備可為傳感器，其構(gòu)造成以識別可能成為疲勞裂紋萌生位置的不連續(xù) 處、裂紋和相關缺陷。這樣的設備可利用機器視覺或本領域技術人員已 知的任何其它方法工作以檢測這些缺陷。計算部件包括基于一個或多個 下文討論的方程來影響無限壽命疲勞強度計算的程序代碼。
任.選地，該程序還包括至少一種極值統(tǒng)計學算法，以估計預期出現(xiàn) 在合金中的上界萌生位置尺寸。用于計算無限壽命疲勞強度的代碼部分 包括利用MRFL方程。


下面對本發(fā)明的詳細描述在結(jié)合下面的附圖閱讀時能夠最好地得 到理解
圖示出鐵合金和鋁合金這兩者的代表性S-N繪制線；圖2A示出對鑄造A356鋁合金進行的S-N測試的數(shù)椐繪制線； 圖2B示出對鑄造A356鋁合金進行的階梯疲勞測試的數(shù)據(jù)和程序的 繪制線；
圖3示出鑄造A356樣品的由孔隙面積表征的孔隙尺寸的廣義極值分
布；
圖4示出采用根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的MRFL模型對A3 56鋁合金 的消失模鑄件進行的VHCF估計，也示出該VHCF估計與圖2A的S-N數(shù)據(jù) 的比4吏；以及
圖5示出 一種制造品，其包含了采用 一個或多個在MRFL才莫型中所用 的方程的算法。
具體實施例方式
特別參照圖4，使用MRFL模型來預測鑄鋁構(gòu)件在特長壽命(108次 循環(huán)或更多)下的疲勞強度。在本發(fā)明中所提出的MRFL模型基于早期 隨機疲勞極限模型，在該隨機疲勞極限模型中，有限疲勞壽命可按下式 計算
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中，《代表疲勞壽命的分散(scatter) ， Bo和B!為常數(shù)，Sl是試祥的無 限疲勞極限。
對于給定的應力狀態(tài)，總體而言，鑄鋁構(gòu)件疲勞壽命的分散被認為 主要與不連續(xù)處和微觀結(jié)構(gòu)組分的存在相關，尤其與它們的尺寸相關。 如此一來，本發(fā)明人感覺到應該修改方程1的隨機疲勞極限;^莫型以合并 不連續(xù)處和微觀結(jié)構(gòu)組分的尺寸，由此提高模型的精度和對鑄造鋁合金 的適用性。方程2表示出了應該如何修改方程l的隨機疲勞極限模型
<formula>formula see original document page 10</formula>其中，C(,和C,是經(jīng)驗常數(shù)，a是一個常數(shù)(在1-10范圍內(nèi))，CTa是施加的 應力，以及ai是疲勞裂紋集結(jié)處的不連續(xù)處或微觀結(jié)構(gòu)組分的尺寸。在 本發(fā)明中，假定ai等于在體積含有缺陷的情形下的該缺陷的尺寸，等于第二相粒子尺寸，或等于在鋁基體中的平均自由行程的尺寸。和方程l 中的值SL—樣，CTL為試樣的無限壽命疲勞極限。本發(fā)明人相信，無限壽
命疲勞極限aL將遵循由方程(3)給出的Weibull分布
其中，P為在無限次循環(huán)下破壞的概率，以及ao和p是無限壽命疲勞極限 分布的Weilbull參數(shù)。
與方程1中早期隨機疲勞極限模型相比，方程2的MRFL模型不僅物 理上更合理，而且在壽命預測方面也更準確。例如，雖然當不連續(xù)處和 材料成分改變，甚至針對的是相同的合金和材料時，方程l的早期隨機 疲勞極限模型中的模型常數(shù)不得不重新擬合，但是在MRFL模型中不需 要這樣的改變。具體而言，對于相同材料和合金中的不連續(xù)處和微觀結(jié) 構(gòu)組分的不同總體(p叩ulation),模型參數(shù)不需要改變。其優(yōu)勢在于， 不連續(xù)處的總體能夠以正態(tài)過程變化而變化，例如季節(jié)性濕度變化，其 影響溶解在液態(tài)鋁中的氫的量，該氫的量轉(zhuǎn)而影響固化構(gòu)件中孔隙的尺 寸。
現(xiàn)在討論從一組數(shù)據(jù)估計出統(tǒng)計學分布的參數(shù)的方法，本發(fā)明人使 用的是最大似然(ML)法，因為它具有良好的統(tǒng)計特性。ML法的主要 優(yōu)勢在于，其能夠正確地處理經(jīng)過檢查的數(shù)據(jù)，以及任何分布都可使用 (只要似然方程已知)。似然方程是實驗數(shù)據(jù)和限定該分布的未知參數(shù) 的函數(shù)。
例如，在階梯疲勞測試中，如果在應力幅度CTa下測試的試樣在比如
說107次循環(huán)之后沒有發(fā)生破壞，那么可以認為該試樣的疲勞強度肯定大
于CJa。然而如果該試樣發(fā)生破壞了，那么其疲勞強度應該小于C7a。如果 F(《fc》是被選來表示階梯測試中疲勞強度變化性的分布的累積密度函
數(shù)，那么該階梯測試的似然函數(shù)定義成
其中，n對應于發(fā)生破壞的試樣的數(shù)量，m為未發(fā)生破壞(runout)的數(shù)量，(p)為確定針對具體循環(huán)次數(shù)的疲勞強度的分布的參數(shù)。在S-N測試 中，對于給定應力幅度aa的疲勞壽命的似然性可如下定義
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，n對應于破壞的試樣的數(shù)量，m為未發(fā)生破壞的數(shù)量，/(N纟,(rf)為 概率密度函數(shù)，^w,(rf)為累積密度函數(shù)，(p)為限定針對給定施加應力 的疲勞壽命的分布的參數(shù)。
接下來討論鑄鋁物體中的不連續(xù)處和微觀結(jié)構(gòu)組分的尺寸(圖2中 的aO的概率，使用的是廣義極值分布。眾所周知，疲勞裂紋在遭受循 環(huán)應力的材料的體積中最大的"薄弱環(huán)節(jié)"處萌生。因此，在選擇疲勞 裂紋萌生源候選者的尺度時，應該考慮可用總體的上界。這通過采用各 種EVS方法估計該上界來完成，或通過直接測量裂紋萌生位置來完成， 所迷裂紋萌生位置本身就代表給定體積中可用總體的上界。在直接從裂 紋萌生位置進行測量時，不連續(xù)處或微觀結(jié)構(gòu)組分的尺寸是如何遵循廣 義極值分布(GEVD)的表示如下
<formula>formula see original document page 12</formula>其中，c、 ao和p是代表ai的概率分布函數(shù)的形狀和尺度的GEVD參數(shù)。這 三個參數(shù)c、 ao和n的確定是采用ML法進行的。圖3示出了鑄造A356樣品 的采用了GEVD的孔隙尺寸(例如，表征為a,V孔隙面積)的例子。
金相學技術在實踐中被廣泛地用來表征二維(2D)的鑄造缺陷和微 觀結(jié)構(gòu)。使用常規(guī)的2D金相學數(shù)據(jù)，鑄造缺陷、夾雜物和其它微觀結(jié)構(gòu) 特征的尺寸分布可以4艮好地由EVS采用例如下式的累積分布函數(shù)來描 述<formula>formula see original document page 12</formula>其中，x為缺陷或微觀結(jié)構(gòu)特征的特性參數(shù)，以及入和S分別稱為EVS位置參數(shù)和尺度參數(shù)(也稱為分布參數(shù))。本領域技術人員將理解，雖然
在本發(fā)明中使用方程(7)來得到累積分布函數(shù)，但它僅僅是這種函數(shù) 的一個例子，可使用其它類似的分布函數(shù)來最佳地擬合實驗數(shù)據(jù)。
將一組缺陷或微觀結(jié)構(gòu)特征作為例子，可采用不同的方法來對分布
參數(shù)入和S進行估計，其中，最常用且最方便的方法是結(jié)合線性回歸的序
/秩統(tǒng)計法。將缺陷或微觀結(jié)構(gòu)特征的特性參數(shù)從小到大排序，并且按照
下式基于每個參數(shù)的秩j為其分配一個概率
F = ^i (8)
其中，n為數(shù)據(jù)點的總數(shù)目。通過兩次取其自然對數(shù)并將參數(shù)F (x)變 換成ln(-lnF(x))和參數(shù)x，可將方程7重整為如下的線性方程
-1n(-ln(柳)4.;c-垂 (9)
然后可用ML法、矩量法或最小二乘法計算EVS參數(shù)人和S。當樣本容 量小時(例如，大約30個缺陷或微觀結(jié)構(gòu)特征)，ML法能給出最有效 的估計。對于大量的樣本(例如，方程8中的n大于約50) ， ML法、矩 量法或最小二乘法的精度相似。
由E V S預測的缺陷或微觀結(jié)構(gòu)特征的特性參數(shù)取決于尋求預測的 材料的體積。體積效應由重現(xiàn)期T體現(xiàn)，其中考慮了兩個這樣的周期， 即T和Tb。 T代表取樣體積與一個零件的體積的比。在給定鑄件中最大的 缺陷或微觀結(jié)構(gòu)特征的重現(xiàn)期T通常由下式確定
,4 (10)r。
其中，V為鑄件的體積，Vo為用于測量缺陷或微觀結(jié)構(gòu)特征的試樣的體積。
接下來，外推該體積效應以表現(xiàn)該總體。該總體由一批N個鑄件表 示。在一批N個鑄件中出現(xiàn)一次的極限缺陷或微觀結(jié)構(gòu)特征的重現(xiàn)期為一旦考慮了體積效應，缺陷或微觀結(jié)構(gòu)特征的特性參數(shù)可采用下式
進行估計
x(r6) = ;i_(5in
一ln
、」、 V K乂
(12)
且可對最大缺陷或微觀結(jié)構(gòu)特征的特性參數(shù)進行3西格瑪(即，最 小理論值99.94%)估計。標準偏差由Cramer-Rao下界來估算
5D[x(7;)〗=冬々0.60793/ +0.51404^ + 1.10866 ( 13 )
其中，示為下式的y:
少二一(ln(I-+)) U4)
為EVS的約化變量，以及n為所分析的缺陷或微觀結(jié)構(gòu)特征的數(shù)量。 x (Tb)的3西才各瑪標準偏差置信區(qū)間由下式給出
x(7;)+3.幼[x(7;)] ( 15)
并且由下式給出對一定數(shù)量的鑄件中的最大的缺陷或微觀結(jié)構(gòu)特 征的特性參數(shù)的x+3cr估計
ltvG-+)]+3 ]) ( 16 )
EVS能夠從容易獲取的2D測量值估計出最大的3D特性尺寸，而用其 它方法去獲得該3D特性尺寸是困難的且代價高昂的。將理解，如果鑄造 樣品的任何給定部分的真實3D尺寸都已確定，那么可不需要EVS。
再次參照圖4，與S-N曲線中的實馬t測量值相比，MRF1^莫型的預測 顯示出，將由方程6計算的不連續(xù)處(例如，孔隙)的尺寸引入MRFL模型提供了良好的疲勞特性預測，尤其是在VHCF工況。具體地，與S-N曲 線中的實驗測量值相比，MRFL模型的預測顯示出，將利用方程6估算的 第二相粒子尺寸引入MRFI^莫型提供了良好的疲勞特性預測。
接下來參照圖5,以上討論的MRFL模型可由能在計算裝置200上運 行的算法實施。計算裝置200 (示出的是臺式電腦的形式，但本領域技 術人員可以理解，其也能夠是大型機、筆記本電腦、便攜式、單元機或 其它相關的微處理器控制的裝置)包括中央處理單元210、輸入220、輸 出230和存儲器240,存儲器240可包括隨機存取存儲器(RAM) 240A和 只讀存儲器(ROM) 240B,其中前者通常指易失的、可改變的存儲器， 后者指更永久的、不可改動的存儲器。隨著最新的發(fā)展，RAM240A和 ROM240B之間的這種差異正在變得越來越小，并且雖然ROM240B或 RAM240A都可被用作計算機可讀介質(zhì)，通過該介質(zhì)能夠運行表示一些 或全部前面提及的疲勞壽命預測方程的程序代碼，但本領域技術人員將 理解，當這樣的程序代碼被加載到計算裝置200中以便由中央處理單元 210后續(xù)讀取和運行時，它將通常駐存在RAM240A中。因此，在一種優(yōu) 選形式中，算法可構(gòu)造成計算機可讀的軟件，使得當其被加載到存儲器 240中時，其促使計算機基于用戶的輸入來計算疲勞壽命。含有算法的 計算機可讀介質(zhì)還能夠通過其它便攜裝置，例如光盤、數(shù)字^L盤(DVD )、 閃存、軟盤等，引入計算裝置200中。無論哪種形式，加載后，計算機 可讀介質(zhì)中包含了適于實現(xiàn)MRFL模型的決策過程的計算機可執(zhí)行指 令。如本領域技術人員將理解的，計算裝置200可任選地包含外圍設備。 此外，計算裝置200可形成能夠被用來預測鋁鑄件疲勞壽命的系統(tǒng)的基 礎。該系統(tǒng)還可包含測量、測試和取樣i殳備(未示出)，^_得從樣品鑄 件中直接獲取的疲勞數(shù)據(jù)可被加載到存儲器240中或其它地方以便隨后 與預測數(shù)據(jù)等比較。
盡管出于說明本發(fā)明的目的而示出了某些代表性的實施例和細節(jié)， 但對本領域技術人員來說顯而易見的是，可在不偏離所附權(quán)利要求中限 定的本發(fā)明范圍的情況下做出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種預測金屬合金的特高循環(huán)疲勞強度的方法，所述方法包括選擇一種合金，其中，推測或確定至少一個疲勞裂紋萌生位置在合金中存在且所述合金通常不具有可辨認的耐久極限；輸入表示所述至少一個疲勞裂紋萌生位置的不連續(xù)處或微觀結(jié)構(gòu)組分的尺寸；輸入對應于所述合金的有限壽命疲勞強度；以及利用修改的隨機疲勞極限模型來計算無限壽命疲勞強度和所述特高循環(huán)疲勞強度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述修改的隨機疲勞極限模 型包括利用以下方程ln W,) - C0 + C，, ln(cr。 - crL)其中，ai為不連續(xù)處或微觀結(jié)構(gòu)組分的所述尺寸，Nf為疲勞壽命，Co和 Cj為常數(shù)，OC為1至10之間的范圍內(nèi)的常數(shù)，CTa為施加的應力，以及CTL為所述無限壽命疲勞強度的度量。
3. 根椐權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述施加的應力包括在所述 疲勞壽命為至少108次循環(huán)的情況下的所迷特高循環(huán)疲勞強度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述無限壽命疲勞強度的分 布大致遵循以下方程<formula>formula see original document page 2</formula>其中，P為在無限次循環(huán)下破壞的概率，以及CTo和P是所述無限壽命疲勞 強度的分布的參數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述有限壽命疲勞強度包括 在高達千萬次循環(huán)的疲勞壽命下的疲勞強度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述金屬合金包括鑄造金屬 合金。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述鑄造金屬合金包括鑄造鋁合金。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述金屬合金包括鍛造非鐵 合金。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，至少一個疲勞裂紋萌生位置 由直接測量和分析預測中的至少 一種確定。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述直接測量包括X射線計 算斷層成像、單個剖面及連續(xù)剖面金相學和斷口金相學分析中的至少一 種。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所迷不連續(xù)處或微觀結(jié)構(gòu) 組分的所述尺寸遵循根據(jù)以下方程的廣義極值分布<formula>formula see original document page 3</formula>其中，c、 ao和n是廣義極值參數(shù)，用來代表ai的概率性分布函數(shù)的形狀 和尺度中的至少一個。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中，所述極值分布與2D金相學 技術、斷口金相學分析技術、X射線計算斷層成像、以及計算模擬和建 模中的至少一種相結(jié)合使用，以估計代表不連續(xù)處或微觀結(jié)構(gòu)組分的所 述尺寸的總體的多個值。
13. —種制造品，包括計算機可用的介質(zhì)，該計算機可用的介質(zhì)具 有在其中實施的計算機可讀程序代碼，用于計算金屬鑄件的特高循環(huán)疲 勞強度和無限壽命疲勞強度中的至少一個，其中與所述金屬鑄件相關聯(lián) 的耐久極限要么不存在，要么不易辨認，在所述制造品中的所述計算機 可讀程序代碼包括用于使計算機確定所述金屬鑄件的無限壽命疲勞強度的計算機可 讀程序代碼部分，其中，至少一個疲勞裂紋萌生位置#:推測或確定為在 所述金屬鑄件中存在；用于接收與所述至少一個疲勞裂紋萌生位置相關聯(lián)的不連續(xù)處尺 寸的代表的計算機可讀程序代碼部分；用于基于修改的隨機疲勞極限模型計算所述疲勞強度的計算機可 讀程序代碼部分；以及構(gòu)造成將由所述修改的隨機疲勞壽命模型計算的結(jié)果輸出為機器可讀格式或人可讀格式中的至少一種的計算機可讀程序代碼部分。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的制造品，其中，用于計算所迷特高循環(huán)疲勞強度和無限壽命疲勞強度中的至少一個的所述計算機可讀程序代碼部分包括利用以下方程<formula>formula see original document page 4</formula>來實現(xiàn)所述修改的隨機疲勞極限模型，其中，ai為所述不連續(xù)處和微觀結(jié)構(gòu)組分的尺寸，Nf為疲勞壽命，Co和C!為經(jīng)驗常數(shù)，oc為l至10之間的范圍內(nèi)的常數(shù)，CTa為施加的應力，以及C7L為所述無限壽命疲勞強度的度量。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的制造品，其中，用于計算所述疲勞強度的所述計算機可讀程序代碼部分包括與修改的隨機疲勞極限模型相結(jié)合使用廣義極值分布。
16. —種用于預測金屬合金的疲勞壽命的設備，其中與該合金相關聯(lián)的耐久極限要么不存在，要么不易辨認，所述設備包括構(gòu)造成獲取測量到的或預測到的疲勞裂紋萌生位置信息中的至少一種的裝置；以及計算部件，其構(gòu)造成接受從所述裝置收集到的疲勞特性數(shù)據(jù)，且進一步構(gòu)造成根據(jù)由計算機可讀程序提供的指令來計算合金的特高循環(huán)疲勞強度和無限壽命疲勞強度中的至少一個，所述程序包括用于使所述計算部件確定合金的特高循環(huán)疲勞強度和無限壽命疲勞強度中的所述至少一個的代碼部分，其中，推測或確定至少一個疲勞裂紋萌生位置在所述合金中存在；用于接收與所述至少一個疲勞裂紋萌生位置相關聯(lián)的不連續(xù)處的尺寸和微觀結(jié)構(gòu)組分的尺寸中的至少一個的代碼部分；用于基于修改的隨機疲勞極限模型計算特高循環(huán)疲勞強度和無限壽命疲勞強度中的所述至少一個的代碼部分；以及構(gòu)造成將由所述MRFL模型計算的結(jié)果輸出為機器可讀格式或人可讀格式中的至少一種的代碼部分。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所迷的設備，其中，所述程序還包括至少一種極值統(tǒng)計算法，以估計預期出現(xiàn)在合金中的上界萌生位置尺寸。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設備，其中，用于計算特高循環(huán)疲勞強度和無限壽命疲勞強度中的所述至少一個的所述計算機可讀程序代碼部分包括利用以下方程ln(《iV,) = C。 + C' ln(CT。 — c^)來實現(xiàn)所述修改的隨機疲勞極限模型，其中，ai為所述不連續(xù)處和微觀結(jié)構(gòu)組分的尺寸，Nf為疲勞壽命，Co和C!為經(jīng)驗常數(shù)，a為l至10之間的范圍內(nèi)的常數(shù)，CJa為施加的應力，以及CJL為所述無限壽命疲勞強度的度量。
全文摘要
用于預測金屬合金在特高循環(huán)疲勞應用中的疲勞壽命的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)和方法對鑄造金屬合金，例如鑄造鋁合金尤其有用，在該金屬合金中，疲勞耐久極限要么不存在，要么不易辨認。疲勞特性，例如在特高循環(huán)疲勞區(qū)域的疲勞強度，基于修改的隨機疲勞極限模型，其中，特高疲勞強度和無限壽命疲勞強度被精細處理以考慮不連續(xù)處和微觀結(jié)構(gòu)組分的尺寸，因為疲勞壽命分散取決于不連續(xù)處和微觀結(jié)構(gòu)組分的存在。能萌生疲勞裂紋的不連續(xù)處和微觀結(jié)構(gòu)組分的尺寸可用極值統(tǒng)計來確定，然后輸入到修改的隨機疲勞極限模型中。
文檔編號G06F17/50GK101639872SQ20091016506
公開日2010年2月3日 申請日期2009年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月30日
發(fā)明者B·R·小鮑威爾, C·-C·張, P·E·瓊斯, Q·王 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司