发动机零部件的结构优化方法、装置、设备及存储介质与流程

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种发动机零部件的结构优化方法、装置、设备及存储介质。

背景技术：

随着计算机软件与硬件技术的快速发展，cae(computeraidedengineering，计算机辅助工程)技术在现代产品设计开发中得到了越来越广泛的应用，特别是在汽车行业，以有限元分析为基础的虚拟仿真和结构优化技术已成为汽车零部件正向设计开发过程中的必经环节和必要手段。由于每一个零件都以装配体形式存在，实现其具体功能，因此工程中尽可能模拟零部件的真实装配关系和工作环境以提高仿真置信度。发动机作为汽车最为重要的组成部分之一，其构成复杂，零部件繁多，并承受复杂多变的内外工作环境，因此目前对于发动机零部件强度仿真分析均以装配体形式开展，但由于模型复杂、工况繁多、存在接触及材料非线性等因素，对其零部件进行结构优化时迭代缓慢、收敛困难，导致发动机零部件结构强度自动优化技术在工程实践中鲜有应用。

目前，基于cae技术的发动机零部件结构优化方法主要有两种：第一，基于发动机装配体进行有限元计算获得应力等结果后，进一步进行强度或疲劳强度分析评估，对零件未达标区域基于分析结果和经验对cad模型进行调整，然后重新进行有限元分析，如此反复，直至零件达到设计标准；第二，基于发动机装配体进行有限元计算获得应力等结果后，进一步进行强度或疲劳强度分析评估，简化装配体模型进而搭建自动优化设计模型，获取优化达标方案对cad模型进行调整，然后重新进行有限元分析校核，若不满足设计标准，则再重复简化优化，直至零件达到设计标准。

本发明人在实施本发明的过程中发现，现有技术中存在以下技术问题：对于上述第一种方法，由于发动机的结构复杂、涉及零部件多，在仿真分析中模型规模较大、分析周期较长，而上述第一种方法中需要对发动机装配体进行多轮仿真分析，因此上述第一种方法的优化效率较低；对于上述第二种方法，虽然模型简化在一定程度上提高了有限元计算效率，但由于简化模型会造成计算精度的大幅下降，容易导致优化后的零部件在实际校核中仍然不达标或过设计，因此上述第二种方法的有效性较低。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种发动机零部件的结构优化方法、装置、设备及存储介质，能提高发动机零部件结构优化的效率和有效性。

本发明一实施例提供一种发动机零部件的结构优化方法，包括：

建立发动机的全局有限元模型；

对所述发动机的全局有限元模型进行应力计算，得到第一应力计算结果；

根据所述第一应力计算结果，确定所述发动机中的待优化零部件的高应力区域；

采用有限元子模型技术，建立所述待优化零部件的高应力区域对应的局部有限元模型；

提取所述局部有限元模型的边界节点位移数据，生成边界文件；

根据所述边界文件重新定义所述局部有限元模型的驱动边界，得到边界直驱局部有限元模型；

对所述边界直驱局部有限元模型进行结构优化，得到最优结构设计方案；

根据所述最优结构设计方案，对所述待优化零部件的几何模型进行重构设计。

作为上述方案的改进，所述建立发动机的全局有限元模型，具体包括：

建立发动机各零部件的几何模型；

对所述发动机中的待优化零部件的几何模型进行有限元网格划分；

根据预先获取的发动机各零部件间的接触关系，对所述发动机各零部件的几何模型进行装配，得到装配体模型；

对所述装配体模型中的各零部件赋予材料属性，并对所述装配体模型施加约束和载荷，得到发动机的全局有限元模型。

作为上述方案的改进，所述根据所述第一应力计算结果，确定所述发动机中的待优化零部件的高应力区域，具体包括：

根据所述第一应力计算结果，确定所述待优化零部件内的最大应力值；

当判断到所述最大应力值大于预设的材料强度设计限值时，判定所述最大应力值对应的区域为待优化零部件的高应力区域。

作为上述方案的改进，所述采用有限元子模型技术，建立所述待优化零部件的高应力区域对应的局部有限元模型，具体包括：

从所述待优化零部件的几何模型中切割出以所述高应力区域为中心的局部几何模型；

对所述局部几何模型进行有限元网格划分，得到局部网格模型；

将所述局部网格模型的坐标调整至与所述装配体模型一致；

定义所述局部网格模型的切割边界节点集；

采用有限元子模型技术，对所述局部网格模型进行载荷和边界的设置，得到局部有限元模型。

作为上述方案的改进，在所述提取所述局部有限元模型的边界节点位移数据，生成边界文件之前，所述采用有限元子模型技术，建立所述待优化零部件的高应力区域对应的局部有限元模型之后，所述优化方法还包括：

采用有限元子模型技术，对所述局部有限元模型进行应力计算，得到第二应力计算结果；

基于所述第二应力计算结果和所述第一应力计算结果，判断所述高应力区域在所述局部有限元模型和所述全局有限元模型内的应力值之差是否超过第一预设差值阈值；

若是，则返回并执行所述采用有限元子模型技术，建立所述待优化零部件的高应力区域对应的局部有限元模型的步骤；

若否，则执行所述提取所述局部有限元模型的边界节点位移数据，生成边界文件的步骤。

作为上述方案的改进，在所述对所述边界直驱局部有限元模型进行结构优化，得到最优结构设计方案之前，所述根据所述边界文件重新定义所述局部有限元模型的驱动边界，得到边界直驱局部有限元模型之后，所述优化方法还包括：

对所述边界直驱局部有限元模型进行应力计算，得到第三应力计算结果；

基于所述第一应力计算结果和所述第三应力计算结果，判断所述高应力区域在所述全局有限元模型和所述边界直驱局部有限元模型内的应力值之差是否超过第二预设差值阈值；

若是，则返回并执行所述提取所述局部有限元模型的边界节点位移数据，生成边界文件的步骤；

若否，则执行所述对所述边界直驱局部有限元模型进行结构优化，得到最优结构设计方案的步骤。

作为上述方案的改进，所述对所述边界直驱局部有限元模型进行结构优化，得到最优结构设计方案，具体包括：

基于所述边界直驱局部有限元模型，根据预先获取的所述待优化零部件对应的优化目标、设计变量和约束条件，建立结构优化模型；

对所述结构优化模型进行优化求解，得到最优结构设计方案。

本发明另一实施例提供一种发动机零部件的结构优化装置，包括：

全局模型建立模块，用于建立发动机的全局有限元模型；

全局应力计算模块，用于对所述发动机的全局有限元模型进行应力计算，得到第一应力计算结果；

高应力区域确定模块，用于根据所述第一应力计算结果，确定所述发动机中的待优化零部件的高应力区域；

局部模型建立模块，用于采用有限元子模型技术，建立所述待优化零部件的高应力区域对应的局部有限元模型；

边界文件提取模块，用于提取所述局部有限元模型的边界节点位移数据，生成边界文件；

直驱模型建立模块，用于根据所述边界文件重新定义所述局部有限元模型的驱动边界，得到边界直驱局部有限元模型；

结构优化模块，用于对所述边界直驱局部有限元模型进行结构优化，得到最优结构设计方案；

重构设计模块，用于根据所述最优结构设计方案，对所述待优化零部件的几何模型进行重构设计。

本发明另一实施例还提供一种发动机零部件的结构优化设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任意一项所述的发动机零部件的结构优化方法。

本发明另一实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上任意一项所述的发动机零部件的结构优化方法。

与现有技术相比，本发明实施例提供的发动机零部件的结构优化方法、装置、设备及存储介质，通过建立发动机的全局有限元模型，并对所述发动机的全局有限元模型进行应力计算，得到第一应力计算结果，再根据所述第一应力计算结果，确定所述发动机中的待优化零部件的高应力区域，接着采用有限元子模型技术，建立所述待优化零部件的高应力区域对应的局部有限元模型，并提取所述局部有限元模型的边界节点位移数据，生成边界文件，然后根据所述边界文件重新定义所述局部有限元模型的驱动边界，得到边界直驱局部有限元模型，再然后对所述边界直驱局部有限元模型进行结构优化，得到最优结构设计方案，并根据所述最优结构设计方案，对所述待优化零部件的几何模型进行重构设计，从而实现发动机零部件的结构优化。由上分析可知，本发明实施例在对发动机零部件进行结构优化的过程中，通过应用有限元子模型技术对待优化零部件的高应力区域进行针对性建模，以作为建立边界直驱局部有限元模型的基础，能够缩小计算规模同时保证计算精度，并且，进一步通过建立边界直驱局部有限元模型来进行结构优化设计，能够减少优化建模调试与计算过程中数据占用的存储空间和数据传输时间，使得优化效率大幅度提高，因此，本发明实施例能够有效提高发动机零部件结构优化的效率和有效性。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种发动机零部件的结构优化方法的流程示意图；

图2是本发明一实施例提供的数据传递方法与边界直驱方法计算性能对比的示意图；

图3是本发明一实施例提供的零部件疲劳安全系数优化结果的示意图；

图4是本发明另一实施例提供的一种发动机零部件的结构优化方法的流程示意图；

图5是本发明一实施例提供的一种发动机零部件的结构优化装置的结构示意图；

图6是本发明一实施例提供的一种发动机零部件的结构优化设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明一实施例提供的一种发动机零部件的结构优化方法的流程示意图。

本发明实施例提供的发动机零部件的结构优化方法，包括：

s11、建立发动机的全局有限元模型。

其中，建立发动机零部件的装配体有限元分析全局模型，以作为发动机的全局有限元模型，为提高仿真分析可信度应尽可能全面考虑零部件装配及连接关系。

s12、对所述发动机的全局有限元模型进行应力计算，得到第一应力计算结果。

示例性地，具体可以是用有限元计算求解软件对发动机的全局有限元模型进行应力计算，从而得到第一应力计算结果。可选的，所述有限元计算求解软件为目前应用成熟且支持子模型技术的abaqus软件。

s13、根据所述第一应力计算结果，确定所述发动机中的待优化零部件的高应力区域。

需要说明的是，应力严重时，容易使零部件发生翘曲变形甚至开裂，因此，根据第一应力计算结果，确定发动机中的待优化零部件的高应力区域，以便于后续进行针对性优化。

s14、采用有限元子模型技术，建立所述待优化零部件的高应力区域对应的局部有限元模型。

其中，针对高应力区域，应用有限元子模型技术建立对应的局部有限元模型，以作为后续提取边界文件、建立直驱局部有限元模型的基础，不仅可以大大缩小计算规模而且可以保证计算精度，也是基于此发动机零部件在复杂装配体中才得以进行具有工程应用价值的结构强度自动优化。

s15、提取所述局部有限元模型的边界节点位移数据，生成边界文件。

示例性地，可以是编写有限元后处理二次开发程序提取局部有限元模型的边界节点位移数据，并编写成对应有限元计算软件可识别的边界格式，然后输出边界文件，也即直驱边界，其中，边界文件名称可以是根据分析步顺序依次编码。可选的，可以是选用python语言来编写用于边界数据提取程序。

s16、根据所述边界文件重新定义所述局部有限元模型的驱动边界，得到边界直驱局部有限元模型。

示例性地，具体可以是根据边界文件，对局部有限元模型的边界条件进行重新设置，从而得到边界直驱局部有限元模型。

s17、对所述边界直驱局部有限元模型进行结构优化，得到最优结构设计方案。

示例性地，具体可以是以边界直驱局部有限元模型为研究对象，搭建结构形状优化模型进行强度优化，从而得到最优结构设计方案。

s18、根据所述最优结构设计方案，对所述待优化零部件的几何模型进行重构设计。

示例性地，具体可以是根据最优结构设计方案，提取几何参考来对待优化零部件的几何模型进行cad重构设计。

需要说明的是，由于有限元子模型技术依赖于全局模型计算结果，对于大型装配体全模型，其计算结果往往在几十甚至上百gb规模，若采用现有的数据传递方法直接对待优化零部件的局部有限元模型进行优化，则每次调试或计算都需要调用全局模型结果文件，会耗费大量存储空间与数据传输时间，而本实施例通过提取局部有限元模型的边界节点位移数据，生成边界文件，再根据边界文件重新定义局部有限元模型的驱动边界，得到边界直驱局部有限元模型，然后对边界直驱局部有限元模型进行结构优化，能够减少优化建模调试与计算过程中数据占用的存储空间和数据传输时间，避免了优化建模调试与计算求解占用大量存储空间、重复耗费数据插值计算时间的问题，提高了优化建模效率，降低了仿真计算成本。示例性地，如在2.0atk发动机主轴承座疲劳强度优化中，基于24核256gb服务器分别对边界直驱局部有限元模型和现有技术中选用的数据传递子模型进行计算，得到如图1所示的对比结果，从对比结果中可以看出，对边界直驱局部有限元模型进行计算占用存储空间328.0mb，而对数据传递子模型进行计算占用存储空间37.6gb，同时进行一轮子模型仿真分析，由于消除了插值计算和数据传输时间，对边界直驱局部有限元模型进行计算的耗时约为129.0秒，相对较短，可见本发明实施例所提供的发动机零部件的结构优化方法，能够减少优化建模调试与计算过程中数据占用的存储空间和数据传输时间。

本发明实施例提供的发动机零部件的结构优化方法，通过建立发动机的全局有限元模型，并对所述发动机的全局有限元模型进行应力计算，得到第一应力计算结果，再根据所述第一应力计算结果，确定所述发动机中的待优化零部件的高应力区域，接着采用有限元子模型技术，建立所述待优化零部件的高应力区域对应的局部有限元模型，并提取所述局部有限元模型的边界节点位移数据，生成边界文件，然后根据所述边界文件重新定义所述局部有限元模型的驱动边界，得到边界直驱局部有限元模型，再然后对所述边界直驱局部有限元模型进行结构优化，得到最优结构设计方案，并根据所述最优结构设计方案，对所述待优化零部件的几何模型进行重构设计，从而实现发动机零部件的结构优化。由上分析可知，本发明实施例在对发动机零部件进行结构优化的过程中，通过应用有限元子模型技术对待优化零部件的高应力区域进行针对性建模，以作为建立边界直驱局部有限元模型的基础，能够缩小计算规模同时保证计算精度，并且，进一步通过建立边界直驱局部有限元模型来进行结构优化设计，能够减少优化建模调试与计算过程中数据占用的存储空间和数据传输时间，使得优化效率大幅度提高，因此，本发明实施例能够有效提高发动机零部件结构优化的效率和有效性。

作为其中一种可选的实施方式，所述步骤s11具体包括：

s111、建立发动机各零部件的几何模型。

示例性地，发动机的零部件包括但不限于缸体、下缸体（集成主轴盖）、缸盖、主轴瓦、平衡轴支架及各安装螺栓等。

需要说明的是，本实施例中的几何模型具体指的是cad模型。

s112、对所述发动机中的待优化零部件的几何模型进行有限元网格划分。

示例性地，具体可以是应用有限元前处理软件对待优化零部件的几何模型进行网格划分。在本实例中，用于有限元前处理的计算机辅助工程软件很多，如澳汰尔公司hypermesh软件。可选地，为尽量减小几何数模与有限元网格形状差异带来的误差，采用二阶单元进行面网格划分，体网格采用二阶四面体。

s113、根据预先获取的发动机各零部件间的接触关系，对所述发动机各零部件的几何模型进行装配，得到装配体模型。

示例性地，具体可以是将发动机各零部件间的接触关系定义为：缸体、下缸体、缸盖、平衡轴支架各零部件间均采用普通接触关系模拟各平面间装配关系，主轴瓦与上下缸体间采用过盈接触模拟过盈装配，螺栓与缸体螺纹连接关系采用绑定接触定义。

s114、对所述装配体模型中的各零部件赋予材料属性，并对所述装配体模型施加约束和载荷，得到发动机的全局有限元模型。

示例性地，具体可以是由发动机装配体的功能及工作环境确定分析工况及边界，然后根据所确定的分析工况及边界对装配体模型施加约束和载荷，从而得到发动机的全局有限元模型。以待优化零部件为主轴承为例，具体可以是首先建立加载螺栓预紧力、轴瓦过盈量工况，实现各零部件间的装配作用，然后考虑发动机运行生热建立热加载工况，整体加载稳定运行状态下的温度场，并考虑所用材料在不同温度下的塑性属性，对不同发动机运转负荷分别获取轴颈动态载荷建立动态分析工况，并考虑受热膨胀现象，约束边界对缸盖火力面、缸体后端法兰分别定义位移约束边界，从而得到发动机的全局有限元模型。

进一步地，所述步骤s14具体包括：

s141、从所述待优化零部件的几何模型中切割出以所述高应力区域为中心的局部几何模型。

示例性地，数模切割边界根据圣维南原理须与危险区域保持一定距离，为提高计算效率和准确性，应尽量避免接触、载荷作用等区域，因此，具体可以是在待优化零部件的几何模型中定义与装配体一致的坐标系，以高应力区域为中心向外扩展一定区域对待优化零部件的几何模型进行切割，得到局部几何模型。

s142、对所述局部几何模型进行有限元网格划分，得到局部网格模型。

示例性地，局部网格模型的网格划分尺寸与全局有限元模型保持一致。

s143、将所述局部网格模型的坐标调整至与所述装配体模型一致。

s144、定义所述局部网格模型的切割边界节点集。

s145、采用有限元子模型技术，对所述局部网格模型进行载荷和边界的设置，得到局部有限元模型。

示例性地，局部有限元模型的边界插值容差绝对值不大于1，保证局部有限元模型插值源于原全局有限元模型零部件。

作为其中一种可选的实施方式，所述步骤s13具体包括：

s131、根据所述第一应力计算结果，确定所述待优化零部件内的最大应力值；

s132、当判断到所述最大应力值大于预设的材料强度设计限值时，判定所述最大应力值对应的区域为待优化零部件的高应力区域。

可以理解的，当某一区域的最大应力值高于预设的材料强度设计限值时，说明该区域为零部件的危险位置，因此，将该最大应力值对应的区域作为待优化零部件的高应力区域，以后续进行结构优化。

作为其中一种可选的实施方式，在所述步骤s15之前，所述步骤s14之后，所述优化方法还包括：

s21、采用有限元子模型技术，对所述局部有限元模型进行应力计算，得到第二应力计算结果；

s22、基于所述第二应力计算结果和所述第一应力计算结果，判断所述高应力区域在所述局部有限元模型和所述全局有限元模型内的应力值之差是否超过第一预设差值阈值；

s23、若是，则返回并执行所述步骤s14；

s24、若否，则执行所述步骤s15。

需要说明的是，在具体实施时，第一预设差值阈值可以是根据所需要的计算精度要求进行设定，在此不做限制，可选的，第一预设差值阈值为5%。

在本实施例中，在建立局部有限元模型之后，先在有限元计算软件中应用子模型技术对局部有限元模型进行应力计算，然后在相同比例尺下与全局模型应力分布结果（也即第一应力计算结果）进行对比验证，提取高应力区域的应力值，并判断高应力区域在局部有限元模型和全局有限元模型内的应力值之差是否超过第一预设差值阈值，从而确定满足局部有限元模型是否满足计算精度要求，若应力值之差超过第一预设差值阈值，则说明局部有限元模型不满足计算精度要求，因此返回并重新执行步骤s14，以重新建立局部有限元模型，直至确定局部有限元模型满足计算精度要求为止，若否，则说明局部有限元模型满足计算精度要求，因此执行步骤s15，以提取边界文件。通过上述方式，能够有效保证局部有限元模型的精度，从而进一步保证结构优化的有效性。

作为其中一种可选的实施方式，在所述步骤s17之前，所述步骤s16之后，所述优化方法还包括：

s31、对所述边界直驱局部有限元模型进行应力计算，得到第三应力计算结果；

s32、基于所述第一应力计算结果和所述第三应力计算结果，判断所述高应力区域在所述全局有限元模型和所述边界直驱局部有限元模型内的应力值之差是否超过第二预设差值阈值；

s33、若是，则返回并执行所述步骤s15；

s34、若否，则执行所述步骤s17。

需要说明的是，在具体实施时，第二预设差值阈值可以是根据所需要的计算精度要求进行设定，在此不做限制，可选的，第二预设差值阈值为5%。

在本实施例中，在建立边界直驱局部有限元模型之后，先在有限元计算软件中应用子模型技术对边界直驱局部有限元模型进行应力计算，然后在相同比例尺下与全局模型应力分布结果（也即第一应力计算结果）进行对比验证，提取高应力区域的应力值，并判断高应力区域在边界直驱局部有限元模型和全局有限元模型内的应力值之差是否超过第二预设差值阈值，从而确定满足边界直驱局部有限元模型是否满足计算精度要求，若应力值之差超过第二预设差值阈值，则说明边界直驱局部有限元模型不满足计算精度要求，因此返回并重新执行步骤s15，以重新提取边界文件并建立边界直驱局部有限元模型，直至确定边界直驱局部有限元模型满足计算精度要求为止，若否，则说明边界直驱局部有限元模型满足计算精度要求，因此执行步骤s17，以进行结构优化。通过上述方式，能够有效保证边界直驱局部有限元模型的精度，从而进一步保证结构优化的有效性。

作为其中一种可选的实施方式，所述步骤s17具体包括：

s171、基于所述边界直驱局部有限元模型，根据预先获取的所述待优化零部件对应的优化目标、设计变量和约束条件，建立结构优化模型。

示例性地，在建立结构优化模型的过程中，具体可以是预先根据零部件强度设计标准确定优化目标、设计变量及约束条件，然后针对边界直驱局部有限元模型的驱动边界节点建立fixed约束，以确保边界直驱局部有限元模型边界在形状优化过程中不受影响，再根据零部件制造加工工艺定义相应约束条件，以保证优化结果的可行性，定义自动调整单元集，优化区域应为调整单元集合的子集，以避免节点优化调整导致单元畸形影响优化迭代进程。

示例性地，以形状优化为例，具体可以是预先获取待优化零部件对应的优化目标、设计变量和约束条件，在边界直驱局部有限元模型的可调整形状区域定义节点集建立形状优化设计变量，静强度以应力作为设计响应，疲劳强度以疲劳安全系数为设计响应，以应力最小化或疲劳安全系数最大化定义优化目标，根据制造工艺可行性定义制造约束，确定优化循环控制参数，定义优化形状输出的几何文件格式，从而建立结构优化模型。

s172、对所述结构优化模型进行优化求解，得到最优结构设计方案。

示例性地，本实例中用于优化计算求解软件可选用tosca软件，支持多种通用求解器接口。

在本实施例中，通过以边界直驱局部有限元模型为研究对象建立结构优化模型，能够有效减小计算存储空间、消除了数据传递时间，避免了建模调试与计算求解占用大量存储空间、重复耗费数据插值计算时间的问题，提高建模效率、降低仿真计算成本，并且，能够高效、准确获得待优化零部件的结构优化的最优方案，解决了发动机零部件无法实现结构自动优化的问题，同时还避免了反复优化建模验证、周期长、花费大且效率低的问题，从而极大的缩短发动机零部件的设计开发周期，此外，通过预先获取不同的优化目标、设计变量和约束条件，能够解决零部件在多方面结构优化应用问题，例如静强度、高周疲劳强度、低周疲劳强度等，应用灵活、易于拓展。

需要说明的是，应用本发明实施例提供的发动机零部件的结构优化方法，能够高效的解决发动机缸体主轴承座、平衡轴托盘、凸轮轴轴承盖、悬置支架、驱动盘、连杆等零部件的疲劳强度优化问题，保证了开发周期并达到了产品最佳强度性能要求。示例性地，采用本发明实施例提供的发动机零部件的结构优化方法对2.0atk发动机主轴承座进行疲劳强度优化，得到如图2所示的疲劳安全系数优化结果，疲劳安全系数提高11.5%，可见本发明实施例提供的发动机零部件的结构优化方法能够取得较好的结构优化效果。

值得说明的是，结合上述的实施例，本发明实施例所述的发动机零部件的结构优化的过程还可以参考图4，在此不再赘述。

参见图5，是本发明一实施例提供的一种发动机零部件的结构优化装置的结构示意图。

本发明实施例提供的发动机零部件的结构优化装置，包括：

全局模型建立模块21，用于建立发动机的全局有限元模型；

全局应力计算模块22，用于对所述发动机的全局有限元模型进行应力计算，得到第一应力计算结果；

高应力区域确定模块23，用于根据所述第一应力计算结果，确定所述发动机中的待优化零部件的高应力区域；

局部模型建立模块24，用于采用有限元子模型技术，建立所述待优化零部件的高应力区域对应的局部有限元模型；

边界文件提取模块25，用于提取所述局部有限元模型的边界节点位移数据，生成边界文件；

直驱模型建立模块26，用于根据所述边界文件重新定义所述局部有限元模型的驱动边界，得到边界直驱局部有限元模型；

结构优化模块27，用于对所述边界直驱局部有限元模型进行结构优化，得到最优结构设计方案；

重构设计模块28，用于根据所述最优结构设计方案，对所述待优化零部件的几何模型进行重构设计。

本发明实施例提供的发动机零部件的结构优化装置，通过建立发动机的全局有限元模型，并对所述发动机的全局有限元模型进行应力计算，得到第一应力计算结果，再根据所述第一应力计算结果，确定所述发动机中的待优化零部件的高应力区域，接着采用有限元子模型技术，建立所述待优化零部件的高应力区域对应的局部有限元模型，并提取所述局部有限元模型的边界节点位移数据，生成边界文件，然后根据所述边界文件重新定义所述局部有限元模型的驱动边界，得到边界直驱局部有限元模型，再然后对所述边界直驱局部有限元模型进行结构优化，得到最优结构设计方案，并根据所述最优结构设计方案，对所述待优化零部件的几何模型进行重构设计，从而实现发动机零部件的结构优化。由上分析可知，本发明实施例在对发动机零部件进行结构优化的过程中，通过应用有限元子模型技术对待优化零部件的高应力区域进行针对性建模，以作为建立边界直驱局部有限元模型的基础，能够缩小计算规模同时保证计算精度，并且，进一步通过建立边界直驱局部有限元模型来进行结构优化设计，能够减少优化建模调试与计算过程中数据占用的存储空间和数据传输时间，使得优化效率大幅度提高，因此，本发明实施例能够有效提高发动机零部件结构优化的效率和有效性。

作为其中一种可选的实施方式，所述全局模型建立模块具体用于：

建立发动机各零部件的几何模型；

对所述发动机中的待优化零部件的几何模型进行有限元网格划分；

根据预先获取的发动机各零部件间的接触关系，对所述发动机各零部件的几何模型进行装配，得到装配体模型；

对所述装配体模型中的各零部件赋予材料属性，并对所述装配体模型施加约束和载荷，得到发动机的全局有限元模型。

进一步地，所述局部模型建立模块具体用于：

从所述待优化零部件的几何模型中切割出以所述高应力区域为中心的局部几何模型；

对所述局部几何模型进行有限元网格划分，得到局部网格模型；

将所述局部网格模型的坐标调整至与所述装配体模型一致；

定义所述局部网格模型的切割边界节点集；

采用有限元子模型技术，对所述局部网格模型进行载荷和边界的设置，得到局部有限元模型。

作为其中一种可选的实施方式，所述高应力区域确定模块23具体用于：

根据所述第一应力计算结果，确定所述待优化零部件内的最大应力值；

当判断到所述最大应力值大于预设的材料强度设计限值时，判定所述最大应力值对应的区域为待优化零部件的高应力区域。

作为其中一种可选的实施方式，所述装置还包括第一校验模块；

所述第一校验模块具体用于：

采用有限元子模型技术，对所述局部有限元模型进行应力计算，得到第二应力计算结果；

基于所述第二应力计算结果和所述第一应力计算结果，判断所述高应力区域在所述局部有限元模型和所述全局有限元模型内的应力值之差是否超过第一预设差值阈值；

若是，则触发所述局部模型建立模块；

若否，则触发所述边界文件提取模块。

作为其中一种可选的实施方式，所述优化装置还包括第二校验模块；

所述第二校验模块具体用于：

对所述边界直驱局部有限元模型进行应力计算，得到第三应力计算结果；

基于所述第一应力计算结果和所述第三应力计算结果，判断所述高应力区域在所述全局有限元模型和所述边界直驱局部有限元模型内的应力值之差是否超过第二预设差值阈值；

若是，则触发所述边界文件提取模块；

若否，则触发所述结构优化模块。

作为其中一种可选的实施方式，所述结构优化模块具体用于：

基于所述边界直驱局部有限元模型，根据预先获取的所述待优化零部件对应的优化目标、设计变量和约束条件，建立结构优化模型；

对所述结构优化模型进行优化求解，得到最优结构设计方案。

参见图6，是本发明一实施例提供的发动机零部件的结构优化设备的示意图。

本发明实施例提供的一种发动机零部件的结构优化设备，包括处理器31、存储器32以及存储在所述存储器32中且被配置为由所述处理器31执行的计算机程序，所述处理器31执行所述计算机程序时实现如上任一实施例所述的发动机零部件的结构优化方法。

所述处理器31执行所述计算机程序时实现上述发动机零部件的结构优化方法实施例中的步骤，例如图1所示的发动机零部件的结构优化方法的所有步骤。或者，所述处理器31执行所述计算机程序时实现上述发动机零部件的结构优化装置实施例中各模块/单元的功能，例如图5所示的发动机零部件的结构优化装置的各模块的功能。

示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多个模块被存储在所述存储器32中，并由所述处理器31执行，以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述发动机零部件的结构优化设备中的执行过程。例如，所述计算机程序可以被分割成全局模型建立模块、全局应力计算模块、高应力区域确定模块、局部模型建立模块、边界文件提取模块、直驱模型建立模块、结构优化模块和重构设计模块，各模块具体功能如下：全局模型建立模块，用于建立发动机的全局有限元模型；全局应力计算模块，用于对所述发动机的全局有限元模型进行应力计算，得到第一应力计算结果；高应力区域确定模块，用于根据所述第一应力计算结果，确定所述发动机中的待优化零部件的高应力区域；局部模型建立模块，用于采用有限元子模型技术，建立所述待优化零部件的高应力区域对应的局部有限元模型；边界文件提取模块，用于提取所述局部有限元模型的边界节点位移数据，生成边界文件；直驱模型建立模块，用于根据所述边界文件重新定义所述局部有限元模型的驱动边界，得到边界直驱局部有限元模型；结构优化模块，用于对所述边界直驱局部有限元模型进行结构优化，得到最优结构设计方案；重构设计模块，用于根据所述最优结构设计方案，对所述待优化零部件的几何模型进行重构设计。

所述发动机零部件的结构优化设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述发动机零部件的结构优化设备可包括，但不仅限于，处理器31、存储器32。本领域技术人员可以理解，所述示意图仅仅是发动机零部件的结构优化设备的示例，并不构成对发动机零部件的结构优化设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述发动机零部件的结构优化设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器31可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器31是所述发动机零部件的结构优化设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个发动机零部件的结构优化设备的各个部分。

所述存储器32可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器31通过运行或执行存储在所述存储器32内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器32内的数据，实现所述发动机零部件的结构优化设备的各种功能。所述存储器32可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据发动机零部件的结构优化设备的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（smartmediacard,smc），安全数字（securedigital,sd）卡，闪存卡（flashcard）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

其中，所述发动机零部件的结构优化设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（rom，read-onlymemory）、随机存取存储器（ram，randomaccessmemory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。