基于性能仿真的导线用铝合金成分优化方法及装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910699247.X (22)申请日 2019.07.31 (71)申请人 郑州大学 地址 450001 河南省郑州市高新技术开发 区科学大道100号 申请人 河南省锅炉压力容器安全检测研究 院 (72)发明人 张海营赵向南杜丹伟宁勤恒 董祥雷赵红亮李永刚 (74)专利代理机构 郑州大通专利商标代理有限 公司 41111 代理人 周艳巧 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) (54)发明名称 基于性能仿真的导线用铝合金成分优化方 法及装置 (57。

2、)摘要 本发明涉及铝合金技术领域， 特别涉及一种 基于性能仿真的导线用铝合金成分优化方法及 装置， 该方法包含： 收集合金元素参数数据， 该元 素参数数据包含合金元素种类， 每种合金元素含 量变化范围和变化增量， 及所有铝合金组分； 利 用性能仿真模型对元素参数数据进行性能模拟 仿真， 提取每组铝合金在设定温度下的电导率和 抗拉强度； 依据电导率和抗拉强度获取最佳铝合 金组分。 本发明综合考虑各个合金元素之间相互 作用， 获取仿真数据更加准确可靠， 对于本领域 技术人员而言， 能够在很短的时间内快速掌握， 在不做大量配料熔炼试验和数学计算下， 对导线 用铝合金成分做出合理优化， 使得导线用铝合。

3、金 成分优化设计周期和成本大为降低， 具有较强实 用性和应用前景。 权利要求书1页 说明书6页 附图1页 CN 111833972 A 2020.10.27 CN 111833972 A 1.一种基于性能仿真的导线用铝合金成分优化方法， 其特征在于， 包含如下内容： A)收集合金元素参数数据， 该元素参数数据包含合金元素种类， 每种合金元素含量变 化范围和变化增量， 及所有铝合金组分； B)利用性能仿真模型对元素参数数据进行性能模拟仿真， 提取每组铝合金在设定温度 下的电导率和抗拉强度； C)依据电导率和抗拉强度获取最佳铝合金组分。 2.根据权利要求1所述的基于性能仿真的导线用铝合金成分优化方。

4、法， 其特征在于， A) 中合金元素为Mg、 Si、 Zn、 Li、 Zr、 B、 Fe、 Cu、 Sr、 La、 Ce、 Ca、 V、 Mo、 Cr、 Ni、 Co、 Ti、 Pb、 Bi、 Sc、 Mn及 Sn中的一种或几种。 3.根据权利要求1或2所述的基于性能仿真的导线用铝合金成分优化方法， 其特征在 于， A)中合金元素含量采用质量百分数表示。 4.根据权利要求1所述的基于性能仿真的导线用铝合金成分优化方法， 其特征在于， B) 中， 设定温度依据导线实际应用环境进行设置。 5.根据权利要求1所述的基于性能仿真的导线用铝合金成分优化方法， 其特征在于， C) 中， 采用加权计算将各组。

5、铝合金电导率和抗拉强度优化为特征指标值， 通过获取特征指标 值最大值来获取最佳铝合金组分。 6.根据权利要求5所述的基于性能仿真的导线用铝合金成分优化方法， 其特征在于， 加 权计算公式表示为： ZbX1Ec10-6+X2 b， 其中， Zb为加权后的特征指标值， Ec为铝合金 在设定温度下的电导率， b为铝合金在设定温度下的抗拉强度， X1为铝合金电导率加权系 数， X2为铝合金抗拉强度加权系数。 7.根据权利要求6所述的基于性能仿真的导线用铝合金成分优化方法， 其特征在于， 加 权系数X1和X2根据应用中对铝合金电导率和抗拉强度偏重程度的要求来设置。 8.一种基于性能仿真的导线用铝合金成分。

6、优化装置， 其特征在于， 包含： 元素收集模 块、 性能仿真模块及最佳输出模块， 其中， 元素收集模块， 用于收集合金元素参数数据， 该元素参数数据包含合金元素种类， 每种 合金元素含量变化范围和变化增量， 及所有铝合金组分； 性能仿真模块， 用于利用性能仿真模型对元素参数数据进行性能模拟仿真， 提取每组 铝合金在设定温度下的电导率和抗拉强度； 最佳输出模块， 用于依据电导率和抗拉强度获取最佳铝合金组分。 9.根据权利要求8所述的基于性能仿真的导线用铝合金成分优化装置， 其特征在于， 最 佳输出模块包含加权计算子模块和数据输出子模块， 其中， 加权计算子模块， 用于通过加权计算将各组铝合金电导。

7、率和抗拉强度优化为特征指标 值； 数据输出子模块， 用于通过获取特征指标值最大值来获取最佳铝合金组分。 10.根据权利要求9所述的基于性能仿真的导线用铝合金成分优化装置， 其特征在于， 加权计算子模块中， 加权计算公式表示为： ZbX1Ec10-6+X2 b， 其中， Zb为加权后的特 征指标值， Ec为铝合金在设定温度下的电导率， b为铝合金在设定温度下的抗拉强度， X1为 铝合金电导率加权系数， X2为铝合金抗拉强度加权系数。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111833972 A 2 基于性能仿真的导线用铝合金成分优化方法及装置 技术领域 0001 本发明涉及铝合金技术领域， 特别涉及。

8、一种基于性能仿真的导线用铝合金成分优 化方法及装置。 背景技术 0002 近些年来， 我国电力、 通信、 轨道交通等领域的高速发展， 有效带动了导线这一配 套行业的飞速发展， 目前导线的市场需求量与日俱增。 常见的导线材料主要有铜合金和铝 合金两种， 铜合金的电导性能较为优良， 但是铜的价格昂贵， 约为同等质量铝价格的3倍之 多， 同时铜作为我国的一种重要战略储备资源， 其矿藏量远低于世界平均水平， 而我国的铝 矿藏资源十分丰富， 其生产加工技术成熟且生产能耗远低于铜， 因此在导线应用的诸多领 域， 以铝代铜大力发展铝合金导线是当前国家和企业共同的战略目标和努力方向。 导线除 了电导之外还需要。

9、能承受一定的载荷， 因此对于铝合金导线而言， 不仅需要其具有较佳的 电导性能， 而且还需要其具有较好的力学性能， 即需要铝合金导线的电导率和抗拉强度达 到良好的匹配。 影响铝合金导线电导率和抗拉强度的因素有很多， 如合金成分、 加工工艺和 热处理工艺等， 但是其中影响最大且起主导地位的因素是铝合金导线的合金成分。 因此， 要 获得电导率和抗拉强度均优异的铝合金导线， 首先是要设计合理的铝合金成分。 0003 目前， 关于铝合金成分设计的主要方法是试验试错法， 即小炉熔炼制作一系列具 有不同合金成分含量的铝合金试件， 然后进行电导性能和力学性能测试， 之后进行对比分 析选出其中最佳的铝合金成分。。

10、 但是这种优化方法不仅费料， 而且费时费力， 显然不是一种 经济高效的方法。 如今， 随着计算机模拟技术的发展， 仿真计算为导线用铝合金成分优化提 供了可能， 然而经检索发现， 目前有关基于仿真计算的导线用铝合金成分优化方法的报道 很少， 经检索， 与导线用铝合金成分优化较为相关的是公开号为CN104462798A的发明专利， 该专利涉及一种铝合金导线电阻的预测方法， 提供了一个铝合金导线电阻与合金元素含量 之间的计算模型， 但是该专利并没有考虑铝合金抗拉强度的预测方法， 所以这对导线用铝 合金成分的高效优化仍存在一定的不足， 因此， 研究开发同时考虑导线电导率及抗拉强度 的铝合金成分优化是很。

11、有必要的。 发明内容 0004 为此， 本发明提供一种基于性能仿真的导线用铝合金成分优化方法及装置， 以铝 合金在设定温度下的电导率和抗拉强度作为铝合金导线核心指标， 通过性能仿真， 能够高 效、 快捷的获取其最佳成分组合， 大大降低铝合金导线设计的周期和成本， 具有较强的应用 前景。 0005 按照本发明所提供的设计方案， 一种基于性能仿真的导线用铝合金成分优化方 法， 包含： 0006 收集合金元素参数数据， 该元素参数数据包含合金元素种类， 每种合金元素含量 变化范围和变化增量， 及所有铝合金组分； 说明书 1/6 页 3 CN 111833972 A 3 0007 利用性能仿真模型对元。

12、素参数数据进行性能模拟仿真， 提取每组铝合金在设定温 度下的电导率和抗拉强度； 0008 依据电导率和抗拉强度获取最佳铝合金组分。 0009 进一步地， 本发明中， 合金元素为Mg、 Si、 Zn、 Li、 Zr、 B、 Fe、 Cu、 Sr、 La、 Ce、 Ca、 V、 Mo、 Cr、 Ni、 Co、 Ti、 Pb、 Bi、 Sc、 Mn及Sn中的一种或几种。 0010 进一步地， 本发明中， 合金元素含量采用质量百分数表示。 0011 进一步地， 本发明中， 设定温度依据导线实际应用环境进行设置。 0012 进一步地， 本发明中， 采用加权计算将各组铝合金电导率和抗拉强度优化为特征 指标。

13、值， 通过获取特征指标值最大值来获取最佳铝合金组分。 0013 进一步地， 本发明中， 加权计算公式表示为： ZbX1Ec10-6+X2 b， 其中， Zb为 加权后的特征指标值， Ec为铝合金在设定温度下的电导率， b为铝合金在设定温度下的抗 拉强度， X1为铝合金电导率加权系数， X2为铝合金抗拉强度加权系数。 0014 进一步地， 本发明中， 加权系数X1和X2根据应用中对铝合金电导率和抗拉强度偏重 程度的要求来设置。 0015 进一步地， 本发明还提供一种基于性能仿真的导线用铝合金成分优化装置， 包含： 元素收集模块、 性能仿真模块及最佳输出模块， 其中， 0016 元素收集模块， 用。

14、于收集合金元素参数数据， 该元素参数数据包含合金元素种类， 每种合金元素含量变化范围和变化增量， 及所有铝合金组分； 0017 性能仿真模块， 用于利用性能仿真模型对元素参数数据进行性能模拟仿真， 提取 每组铝合金在设定温度下的电导率和抗拉强度； 0018 最佳输出模块， 用于依据电导率和抗拉强度获取最佳铝合金组分。 0019 本发明的有益效果： 0020 本发明通过成分组合和性能仿真， 可以对导线用铝合金可能涉及到的所有合金元 素进行优化设计； 同时考虑导线用铝合金的电导率和抗拉强度的重要指标， 可以根据拟研 究铝合金实际需要对该指标偏重程度进行设置， 进而进行最合理的优化设计； 此外， 关。

15、于对 铝合金电导率和抗拉强度进行仿真计算的铝合金性能计算模型综合考虑各个合金元素之 间的相互作用， 获取到的仿真数据更加准确可靠； 另外， 该方法简单易行， 对于本领域内的 技术人员而言， 能够在很短的时间内快速掌握， 可以使技术人员在不做大量配料熔炼试验 和数学计算的条件下， 对导线用铝合金的成分做出合理的优化， 使得导线用铝合金成分优 化设计的周期和成本大为降低， 具有较强的实用性和应用前景。 附图说明： 0021 图1为实施例中优化流程图； 0022 图2为实施例中装置示意图。 具体实施方式： 0023 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚、 明白， 下面结合附图和技术方案对 本发。

16、明作进一步详细的说明。 0024 为克服现有技术中铝合金成分设计费时费力费料、 效率不高等的缺陷和不足， 使 说明书 2/6 页 4 CN 111833972 A 4 得本领域的技术人员能够以一种高效快捷且相对经济的方式对导线用铝合金的成分做出 合理的优化， 本发明实施例中， 参见图1所示， 提供一种基于性能仿真的导线用铝合金成分 优化方法， 包含： 0025 S101、 收集合金元素参数数据， 该元素参数数据包含合金元素种类， 每种合金元素 含量变化范围和变化增量， 及所有铝合金组分； 0026 S102、 利用性能仿真模型对元素参数数据进行性能模拟仿真， 提取每组铝合金在 设定温度下的电导。

17、率和抗拉强度； 0027 S103、 依据电导率和抗拉强度获取最佳铝合金组分。 0028 通过成分组合和性能仿真， 可以对导线用铝合金可能涉及到的所有合金元素进行 优化设计； 同时考虑导线用铝合金的电导率和抗拉强度的重要指标， 可以根据拟研究铝合 金实际需要对该指标偏重程度进行设置， 进而进行最合理的优化设计， 大大提高铝合金成 分设计的效率， 缩减铝合金导线生成周期和成本。 0029 进一步地， 本发明实施例中， 合金元素为Mg、 Si、 Zn、 Li、 Zr、 B、 Fe、 Cu、 Sr、 La、 Ce、 Ca、 V、 Mo、 Cr、 Ni、 Co、 Ti、 Pb、 Bi、 Sc、 Mn及。

18、Sn中的一种或几种。 根据实际应用情况， 选择几种拟添 加的合金元素种类。 对每种选择的合金元素确定一个适宜的含量变化范围， 确定每种合金 元素含量的变化增量， 列出所有的铝合金组分。 0030 质量分数是指某物质中某种成分的质量与该样品中总物质质量之比的百分数， 进 一步地， 本发明实施例中， 合金元素含量采用质量百分数表示， 以获取较为准确合理的铝合 金组分数据。 0031 本发明实施例中的性能仿真模型可通过商用模拟软件来实现， 如选用广州中仿科 技代理的软件名称为Jmatpro/版本号为7.0来实现性能仿真模拟， 其软件实现原理介绍如 下： 首先， 计算材料在不同温度下的相组成情况； 计。

19、算表达式如下所示： 0032 0033式中， G为材料体系的吉布斯自由能； xi为材料体系中的i相的含量；为i单相的 吉布斯自由能； R为理想气态常数； T为温度； xj为j相的含量； ijv为i和j相的相互作用参 数； v为体系相数； 等号右边第一项为体系中各纯相的自由能之和， 第二项为体系理想混合 熵导致的吉布斯自由能， 第三项为体系中各相两两相互作用时导致的自由能。 然后， 根据不 同温度下每一相的合金成分计算该温度下该相的相关性能P； 计算表达式如下所示： 0034 0035 式中， P为单一相的相关性能； xi为单一相中的i元素的含量； Pi0为纯i元素时的相 关性能； xj为单一相。

20、中的j元素的含量； ijv为元素i和j的相互作用参数； v为单一相的元素 种数； 等号右边第一项为体系中各单一元素的相关性能之和， 第二项为体系中各元素两两 相互作用时导致的性能变化量。 最后， 根据材料在不同温度下的相组成及每个相的性能利 用混合定律计算出材料的整体性能； 其计算表达式可表示如下所示： 0036 说明书 3/6 页 5 CN 111833972 A 5 0037 式中， Pt为材料体系的相关性能； xi为i相的含量； Pi0为i单一相的相关性能； P为 相混合作用引起的性能变化； 等号右边第一项为体系中各纯相的相关性能之和， 第二项为 各相混合作用导致的性能变化量。 0038。

21、 进一步地， 本发明实施例中， 设定温度依据导线实际应用环境进行设置。 例如铝合 金在铸态等特定环境下的特定温度， 可根据经验值或者试验数据来设定。 0039 权即由测量值精度的不同在平差计算中所取的权重不同。 精度越高， 权越大。“加 权” 的即是 “乘以权重” 、“乘以系数” ， 通过权重或系数来分析各因素对精度或结果的影响。 进一步地， 本发明实施例中， 采用加权计算将各组铝合金电导率和抗拉强度优化为特征指 标值， 通过获取特征指标值最大值来获取最佳铝合金组分。 该最大值对应的铝合金组分即 为最佳铝合金组分。 0040 进一步地， 本发明实施例中， 加权计算公式表示为： ZbX1Ec10。

22、-6+X2 b， 其 中， Zb为加权后的特征指标值， Ec为铝合金在设定温度下的电导率， b为铝合金在设定温度 下的抗拉强度， X1为铝合金电导率加权系数， X2为铝合金抗拉强度加权系数。 0041 进一步地， 本发明实施例中， 加权系数X1和X2根据应用中对铝合金电导率和抗拉强 度偏重程度的要求来设置。 0042 基于上述的方法， 进一步地， 本发明实施例还提供一种基于性能仿真的导线用铝 合金成分优化装置， 参见图2所示， 包含： 元素收集模块101、 性能仿真模块102及最佳输出模 块103， 其中， 0043 元素收集模块101， 用于收集合金元素参数数据， 该元素参数数据包含合金元素。

23、种 类， 每种合金元素含量变化范围和变化增量， 及所有铝合金组分； 0044 性能仿真模块102， 用于利用性能仿真模型对元素参数数据进行性能模拟仿真， 提 取每组铝合金在设定温度下的电导率和抗拉强度； 0045 最佳输出模块103， 用于依据电导率和抗拉强度获取最佳铝合金组分。 0046 上述的， 最佳输出模块103包含加权计算子模块和数据输出子模块， 其中， 0047 加权计算子模块， 用于通过加权计算将各组铝合金电导率和抗拉强度优化为特征 指标值； 0048 数据输出子模块， 用于通过获取特征指标值最大值来获取最佳铝合金组分。 0049 为验证本发明实施例中技术方案的有效性， 下面通过某。

24、实际应用场合中涉及到的 铝合金元素进行举例说明： 0050 根据实际应用情况， 选择几种拟添加的合金元素种类： 选择Mg和Si这两种合金元 素。 对每种选择的合金元素确定一个适宜的含量变化范围： 确定Mg和Si的含量变化范围分 别为0.20.3和0.30.4。 0051 确定每种合金元素含量的变化增量， 列出所有的铝合金组分并给每组铝合金命名 编辑成表格文件： 确定合金元素Mg和Si的含量变化增量均为0.1， 各组铝合金依次命名为 Alloy01Alloy04， 各组铝合金如表1所示。 0052 表1铝合金组分的确定 0053 铝合金组分MgSiAl Alloy010.20.3余量 说明书 4。

25、/6 页 6 CN 111833972 A 6 Alloy020.20.4余量 Alloy030.30.3余量 Alloy040.30.4余量 0054 求解计算： 将表1中的各组铝合金组分导入集成化的铝合金性能仿真计算模型， 对 Alloy01Alloy04铝合金的电导率和抗拉强度进行求解计算。 提取各组铝合金在特定温度 (这里取室温20)下的电导率和抗拉强度： 计算得到的Alloy01Alloy04组铝合金的电导 率和抗拉强度如表2所示。 0055 表2各组铝合金的电导率和抗拉强度 0056 铝合金组分电导率/-1m-1抗拉强度/MPa Alloy0130.031117.53 Alloy0。

26、230.011116.24 Alloy0329.715120.66 Alloy0429.699119.23 0057 按照加权计算公式所示的加权计算法则将各组铝合金的电导率和抗拉强度化成 一个指标值： 本次实施例只考虑铝合金的电导率， 选取加权系数X1和X2分别为1和0， 铝合金 Alloy01Alloy04的特征指标值如表3所示。 0058 表3各组铝合金的特征指标值 0059 铝合金组分指标值 Alloy0130.031 Alloy0230.011 Alloy0329.715 Alloy0429.699 0060 确定最佳铝合金组分： 对比铝合金Alloy01Alloy04的特征指标值， 。

27、确定特征指 标值为最大值所对应的铝合金组Alloy01为最佳铝合金组分。 0061 基于以上内容， 关于对铝合金电导率和抗拉强度进行仿真计算的铝合金性能计算 模型综合考虑了各个合金元素之间的相互作用， 具有很强的理论支撑， 计算结果准确可靠、 方便快捷、 高效。 对于本领域内的技术人员而言， 能够在很短的时间内快速掌握， 可以使技 术人员在不做大量配料熔炼试验和数学计算的条件下， 对导线用铝合金的成分做出合理的 优化， 使得导线用铝合金成分优化设计的周期和成本大为降低。 0062 除非另外具体说明， 否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、 数字表 达式和数值并不限制本发明的范围。 所属。

28、领域的技术人员可以清楚地了解到， 为描述的方 便和简洁， 上述描述的系统和装置的具体工作过程， 可以参考前述方法实施例中的对应过 程， 在此不再赘述。 在这里示出和描述的所有示例中， 任何具体值应被解释为仅仅是示例性 的， 而不是作为限制， 因此， 示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。 0063 应注意到： 相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项， 因此， 一旦某一项在一 个附图中被定义， 则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。 除非上下文特别 规定或明显说明， 否则如本文所用的术语 “大致” 应理解为在本领域正常公差的范围之内， 说明书 5/6 页 7 CN 11183397。

29、2 A 7 例如在平均值的两个标准偏差之内。“大致” 可理解为在设定值10、 9、 8、 7、 6、 5、 4、 3、 2、 1、 0.5、 0.1、 0.05、 或0.01之内。 除非另有明确的上下文， 本文 提供的所有数值可通过术语 “大致” 来修正。 0064 附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、 方法和计算机程 序产品的可能实现的体系架构、 功能和操作。 在这点上， 流程图或框图中的每个方框可以代 表一个模块、 程序段或代码的一部分， 所述模块、 程序段或代码的一部分包含一个或多个用 于实现规定的逻辑功能的可执行指令。 也应当注意， 在有些作为替换的实现中， 方框中。

30、所标 注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。 例如， 两个连续的方框实际上可以基 本并行地执行， 它们有时也可以按相反的顺序执行， 这依所涉及的功能而定。 也要注意的 是， 框图和/或流程图中的每个方框、 以及框图和/或流程图中的方框的组合， 可以用执行规 定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现， 或者可以用专用硬件与计算机指令的组 合来实现。 0065 最后应说明的是： 以上所述实施例， 仅为本发明的具体实施方式， 用以说明本发明 的技术方案， 而非对其限制， 本发明的保护范围并不局限于此， 尽管参照前述实施例对本发 明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解： 任何熟悉本技术领域的技术人员 在本发明揭露的技术范围内， 其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻 易想到变化， 或者对其中部分技术特征进行等同替换； 而这些修改、 变化或者替换， 并不使 相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围， 都应涵盖在本发明的保护 范围之内。 因此， 本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。 说明书 6/6 页 8 CN 111833972 A 8 图1 图2 说明书附图 1/1 页 9 CN 111833972 A 9 。