CN111191390A - 表面带有内凹部的零件建模方法、设备以及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面带有内凹部的零件建模方法、设备以及电子设备，涉及零部件强度有限元分析领域，用以快速构建表面带有内凹部的零件的有限元模型。该方法包括以下步骤：建立零件表面不带内凹部的有限元模型；将有限元模型划分为主体网格群和第一子区域网格群两部分；提取两部分交界面的二维面单元，并作为约束条件；将第一子区域网格群转化为局部模型实体；在局部模型实体上构建内凹部模型，得到带有内凹部的局部实体模型；按照上述约束条件，通过网格重划得到与带有内凹部的局部实体模型相对应的第二子区域网格群；采用上述约束条件，将主体网格群与第二子区域网格群联接，得到带有内凹部的零件有限元模型。

Description

表面带有内凹部的零件建模方法、设备以及电子设备

技术领域

本发明涉及零部件强度有限元分析领域，具体涉及一种表面带有内凹部的零件建模方法、设备以及电子设备。

背景技术

在加工或服役过程中，零件表面常会因为腐蚀或机械损伤或其他原因产生凹坑缺陷。零件表面的凹坑缺陷易产生较高的局部应力集中，导致其附近区域材料的强度储备与疲劳寿命低于正常水平。

为了评估零件表面凹坑缺陷的威胁程度并预测存在凹坑情况下零件的剩余寿命，需要定量计算凹坑引起的集中应力，目前存在两种方法，第一种是查找应力集中系数手册，第二种是有限元分析。

发明人发现，通过应力集中系数手册尽管可以快速获得某些特定形状凹坑(如半球形凹坑)引起的应力集中系数。但该方法存在以下局限性：①应力集中系数手册对凹坑形状有着严格的限定，即规定凹坑只能为半球形或双曲面形，而实际中由各种复杂因素所导致的凹坑缺陷形状千变万化，应力集中系数手册只能解决其中的一小部分问题；②应力集中系数手册只给出了某些理想结构表面的凹坑计算结果，如“半无限大物体表面”、“无限厚平板表面”等，对位于真实零件复杂曲率表面的凹坑就不再适用；

发明人发现，通过有限元分析理论上可以获得任意复杂零件表面任意形状凹坑缺陷引起的应力集中，但该方式在实际工程中很少得到应用。其主要有以下两方面原因：①凹坑缺陷尺度与零件宏观尺度之间往往存在数量级上的差异，在对表面产生凹坑缺陷的零件进行强度分析时，需要采用十分精细的网格描述和刻画凹坑缺陷微小的几何特征，这样会导致计算模型的自由度数急剧增加；②在现有技术条件下建立含凹坑缺陷的零件有限元模型需要花费比建立正常零件有限元模型更多的人工时，高昂的建模成本使得针对零件表面凹坑的定量威胁评估难以实施。

应力集中系数手册与常规有限元分析都不能圆满解决零件表面凹坑的集中应力计算问题，工程中很多时候只能依靠资深工程师根据经验来判断含凹坑零件是否可继续使用，结果既有可能因为过度保守的估计而报废原本可以继续使用的零件从而造成经济损失，又有可能因为错误的估计而导致具有潜在威胁的零件投入使用。

为了有效支撑制造企业对于含凹坑零件的审理与评估，同时兼顾安全性与经济性，目前亟待开发高效率、低成本，适应零件复杂曲率表面上任意形状凹坑缺陷的集中应力计算方法。

发明内容

本发明提出一种表面带有内凹部的零件建模方法、设备以及电子设备，用以快速构建表面带有内凹部的零件的有限元模型。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种表面带有内凹部的零件建模方法，包括以下步骤：

建立零件表面不带内凹部的有限元模型；

将有限元模型划分为主体网格群和第一子区域网格群两部分；其中，所述第一子区域网格群包括所述零件上具有内凹部的区域；

提取主体网格群和第一子区域网格群交界面的二维面单元，将该二维面单元作为后续网格重划的约束条件；

将第一子区域网格群转化为局部模型实体；

在局部模型实体上构建内凹部模型，得到带有内凹部的局部实体模型；

以上述二维面单元为约束条件，通过网格重划得到带有内凹部的局部实体模型的第二子区域网格群；

采用上述约束条件，通过交界面节点融合将所述主体网格群与所述第二子区域网格群联接，得到带有内凹部的零件有限元模型。

在一些实施例中，通过布尔运算在局部模型实体上构建内凹部模型，得到带有内凹部的局部实体模型。

在一些实施例中，所述第一子区域网格群包括所述零件上的一个内凹部。

在一些实施例中，所述第一子区域网格群的数量与所述零件表面的内凹部的数量相等。

在一些实施例中，所述内凹部的体积小于所述零件体积的1％。

在一些实施例中，所述主体网格群中的平均网格尺寸大于所述第二子区域网格群的平均网格尺寸的3～5倍以上。

本发明另一实施例提供一种表面带有内凹部的零件建模设备，包括：

模型建立模块，用于建立零件表面不带内凹部的有限元模型；

模型划分模块，用于将有限元模型划分为主体网格群和第一子区域网格群两部分；其中，所述第一子区域网格群包括所述零件上具有内凹部的区域；

单元提取模块，用于提取主体网格群和第一子区域网格群交界面的二维面单元，将该二维面单元作为约束条件；

局部实体转化模块，用于将第一子区域网格群转化为局部模型实体；

局部实体构建模块，用于在局部模型实体上构建内凹部模型，得到带有内凹部的局部实体模型；

网格重划模块，用于按照上述约束条件，通过网格重划得到与带有内凹部的局部实体模型相对应的第二子区域网格群；以及

节点融合模块，用于采用上述约束条件，通过交界面节点融合将所述主体网格群与所述第二子区域网格群联接，得到带有内凹部的零件有限元模型。

在一些实施例中，所述局部实体构建模块用于通过布尔运算在局部模型实体上构建内凹部模型，以得到带有内凹部的局部实体模型。

本发明另一实施例提供一种电子设备，包括：

存储器；以及

耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行如本发明任一技术方案所提供的建模方法。

本发明实施例所提供的零件表面凹坑有限元建模方法，确保了第二子区域网格群与主体网格群在交界面上实现精确匹配与无缝联接，二者在交界面上不会出现变形与应力分布的不连续情况。上述建模方法在无缺陷零件有限元模型拆分为主体网格群与第一子区域网格群的过程中，将提取并保留主体网格群与第一子区域网格群交界面上的二维单元，并以此作为对含凹坑局部模型实体进行网格重划的约束条件。以交界面二维单元为约束条件对含凹坑局部模型实体进行网格重划，保证了划分出的第二子区域网格群在与主体网格群的交界面上保留有与主体网格群相同的单元划分构型。并且从数量级上提高了含凹坑零件的有限元建模效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的表面带有内凹部的零件建模方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的压气机盘的立体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的压气机盘的剖视图；

图4为本发明实施例提供的压气机盘的无缺陷零件有限元模型拆分示意图；

图5为提取压气机盘主体网格群及第一子区域网格群交界面的二维面单元的示意图；

图6为将第一子区域网格群转换为局部实体模型的示意图；

图7为在局部实体模型上构建内凹部的示意图；

图8为将含内凹部的实体模型网格化的示意图；

图9为将得到的第二子区域网格群与主体网格群组装的示意图；

图10为构建压气机盘有限元模型的流程示意图。

具体实施方式

下面结合图1～图10对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

参见图1，本发明实施例提供一种表面带有内凹部的零件建模方法，包括以下步骤：

步骤S10、建立零件表面不带内凹部的有限元模型。采用正常的网格划分，构建表面不带内凹部的零件有限元模型。

步骤S20、将有限元模型划分为主体网格群和第一子区域网格群两部分。其中，第一子区域网格群包括零件上具有内凹部的区域。

在一些实施例中，第一子区域网格群包括零件上的一个内凹部。若内凹部较为集中，亦可在一个第一子区域网格群中包括两个或以上数量的内凹部。

在一些实施例中，第一子区域网格群的数量不多于(少于或者等于)零件表面的内凹部的数量，即允许第一子区域网格群包含多个表面内凹部。

步骤S30、提取主体网格群和第一子区域网格群交界面的二维面单元，将该二维面单元作为约束条件。

步骤S40、将第一子区域网格群转化为局部模型实体。

步骤S50、在局部模型实体上构建内凹部模型，得到带有内凹部的局部实体模型。

在一些实施例中，通过布尔运算在局部模型实体上构建内凹部模型，得到带有内凹部的局部实体模型。

在一些实施例中，内凹部的体积小于零件体积的1％。

步骤S60、按照上述约束条件，通过网格重划得到与带有内凹部的局部实体模型相对应的第二子区域网格群。

第二子区域网格群的网格大小满足能够表征内凹部的要求。第二子区域网格群的网格小于主体网格群中的网格尺寸。

在一些实施例中，主体网格群中的平均网格尺寸大于第二子区域网格群的平均网格尺寸的3～5倍以上。

步骤S70、通过交界面节点融合将主体网格群与第二子区域网格群联接，得到带有内凹部的零件有限元模型。

后续对该带有内凹部的零件有限元模型分析、计算，实现了对带有内凹部的零件的性能评估。

上述技术方案，解决了真实零件复杂曲率表面的凹坑威胁评估问题，并且具有下述有益效果：

(1)上述的建模方法，利用含凹坑零件与无缺陷零件外形差别仅发生在局部且绝大部分体积重合的特点，采用网格重用与网格重划相结合的思想以无缺陷零件有限元模型为基础快速实现含凹坑零件的有限元建模。

(2)上述的建模方法，将无缺陷零件有限元模型拆分为主体网格群与第一子区域网格群，主体网格群代表无缺陷零件与含凹坑零件相互重合区域的体积，第一子区域网格群代表凹坑缺陷附近区域的体积。

(3)上述的建模方法，对主体网格群与第一子区域网格群采用不同的处理策略，对主体网格群采取网格重用策略，对第一子区域网格群采用网格重划策略。

(4)上述的建模方法，在对第一子区域网格群进行网格重划之前，首先将第一子区域网格群转化为局部模型实体，然后通过布尔运算在局部模型实体上减去凹坑缺陷所占据的体积得到含凹坑的局部模型实体，再在保留全局/第一子区域网格群交界面单元划分构型不变的条件下，完成对含凹坑局部模型实体的网格划分，因为得到的第二子区域网格群不同于先前取自无缺陷零件有限元模型的第一子区域网格群，所以对含凹坑局部模型实体的网格划分称为网格重划。

(5)上述的建模方法，将网格重划后含凹坑的第二子区域网格群嵌入回主体网格群，在二者交界面处具有相同单元构型的基础上，通过节点融合使交界面两侧相邻单元生成共用节点，将含凹坑的第二子区域网格群与主体网格群这两部分网格无缝联接在一起，组成完整的含凹坑零件有限元模型，在该模型基础上借助有限元求解器可以获得零件工作状态下凹坑区域的局部集中应力进而完成凹坑缺陷的威胁评估。

(6)上述的建模方法，对无缺陷零件有限元模型中占绝大部分体积的单元通过网格重用的方式加以继承，避免了含凹坑零件与无缺陷零件相重合区域的网格划分工作，使工程师只需要将时间精力聚焦于凹坑缺陷附近局部区域的有限元建模，从而能够从数量级上提高含凹坑零件的有限元建模效率。

有限元建模的工作量正相关于所需处理的结构特征数量(包括结构中的孔洞、沟槽、倒圆、映射等特征)，本发明实施例所提供的建模方法在含凹坑零件的有限元建模中，通过从无缺陷零件有限元模型中继承主体网格群的方式避免了绝大部分结构特征的重复建模，显著减轻了有限元建模的工作量。需要执行网格重划的第一子区域网格群只包含了凹坑缺陷附近区域的体积，工程中典型凹坑缺陷的特征尺寸相对零件特征尺寸至少要小两个数量级，第一子区域网格群对应体积中可能包含的结构特征数量很少，因此通过网格重划得到第二子区域网格群的工作量相较零件整体的有限元建模是十分微小的。

(7)本发明实施例所提供的零件表面凹坑有限元建模方法仅关注于含凹坑零件与无缺陷零件的几何差别区域，通过在无缺陷零件有限元模型的基础上进行总体继承(借助主体网格群进行网格重用)与个别替换(借助第一子区域网格群进行网格重划)，将建模工作的范围从零件整体缩小到凹坑缺陷附近的局部区域，从而达到显著减少含凹坑缺陷零件有限元模型建模时间的目的。

(8)本发明实施例所提供的零件表面凹坑有限元建模方法，在无缺陷零件有限元模型中实现第一子区域网格群与主体网格群的分离后，采用网格实体转化与实体布尔操作相结合的策略实现凹坑特征建模：①提取第一子区域网格群表面的二维单元并将其转化为局部模型表面曲面；②由局部模型表面曲面生成局部模型实体；③根据凹坑缺陷的位置与几何参数，通过实体布尔运算从局部模型实体表面减去凹坑缺陷所占据的体积，建立含凹坑局部模型实体；④在保留与主体网格群交界面单元构型不变的条件下，对含凹坑局部模型实体进行网格划分，得到第二子区域网格群。

(9)本发明实施例所提供的零件表面凹坑有限元建模方法，确保了第二子区域网格群与主体网格群在交界面上实现精确匹配与无缝联接，二者在交界面上不会出现变形与应力分布的不连续情况。上述建模方法在无缺陷零件有限元模型拆分为主体网格群与第一子区域网格群的过程中，将提取并保留主体网格群与第一子区域网格群交界面上的二维单元，并以此作为对含凹坑局部模型实体进行网格重划的约束条件。以交界面二维单元为约束条件对含凹坑局部模型实体进行网格重划，保证了划分出的第二子区域网格群在与主体网格群的交界面上保留有与主体网格群相同的单元划分构型。

因此，在将第二子区域网格群嵌入回主体网格群时，保证了交界面两侧的相邻单元在交界面上的节点位置相同且一一对应。在此基础上，进一步通过对交界面两侧的重合节点进行融合操作，就实现了第二子区域网格群与主体网格群的无缝组装，形成完整的含凹坑零件有限元模型。第二子区域网格群与主体网格群的无缝组装，精确还原了局部细节与结构整体之间的物理连续性，避免了交界面两侧因节点不匹配而导致的计算误差，确保了含凹坑零件有限元模型的分析结果(应力、应变、位移)在交界面附近的连续性，由此可以做出推断，本发明中对凹坑缺陷局部的网格替换在提高建模效率的同时没有降低有限元分析的精确性。

(10)本发明实施例的零件表面凹坑有限元建模方法，采用整体粗网格与局部细网格相结合的方式，解决了凹坑缺陷尺寸与零件宏观尺度之间的数量级差异问题。直接继承自无缺陷零件有限元模型的主体网格群，其网格密度以零件宏观特征尺度为基准，相对于凹坑缺陷尺度属于粗网格。分离出的第一子区域网格群在重划分中采用的网格密度以凹坑缺陷尺度为基准，以便保证凹坑附近网格密度足以捕捉应力集中特征，相较零件宏观特征尺度属于细网格。

第一子区域网格群仅包含凹坑缺陷附近区域的体积，在零件总体积中只占据很小的比例，因此即便第一子区域网格群采用以凹坑缺陷尺度为基准的密度进行单元划分，所产生的细网格也仅仅出现在凹坑缺陷的周边区域，不会显著增加有限元模型单元总数与计算规模。

完成组装的含凹坑零件有限元模型，对其单元总数起决定性作用的是占据零件总体积绝大部分比例的主体网格群，主体网格群的单元划分形式及密度与无缺陷零件有限元模型保持一致，体现为以零件宏观特征尺度为基准划分而成的粗网格。

低密度且占零件绝大部分体积的主体网格群，与高密度却仅占零件体积极小比例的第二子区域网格群结合后，形成的含凹坑零件有限元模型，其单元总数仅会略多于完全以零件宏观特征尺度为基准划分而成的无缺陷零件有限元模型，二者的单元数量处于同一量级，因此上述建模方法建立的含凹坑零件有限元模型不会产生超出预期的计算规模，凹坑缺陷尺寸与零件宏观尺度之间的数量级差异问题从而得到解决。

(11)本发明实施例所提供的建模方法采用网格实体转化与实体布尔操作相结合的策略实现凹坑特征建模，通过将局部模型实体化并借助布尔运算减去凹坑缺陷对应体积构造出含凹坑局部模型实体，再通过网格重划获得第二子区域网格群，无须单独建立含凹坑零件的几何实体模型。可以在有限元建模软件中完成全部上述操作而无须调用几何建模软件，因此简化了含凹坑缺陷零件的有限元建模流程。

(12)本发明实施例的零件表面凹坑有限元建模方法适用于多种有限元建模软件平台，其中的①主体网格群与第一子区域网格群的分离、②提取交界面二维面单元、③第一子区域网格群转化局部模型实体、④通过布尔运算得到含凹坑的局部模型实体、⑤通过网格重划得到第二子区域网格群，⑥通过交界面节点融合实现第二子区域网格群与主体网格群无缝联接等步骤均便于编程实现，在对凹坑位置及尺寸信息进行参数化处理后，根据上述建模方法编制计算机程序可以自动化地实现零件表面凹坑特征的快速有限元建模，效率较人工手动处理可以有进一步的提高。

在加工或服役过程中，零件常会因为腐蚀、机械损伤或其他原因在局部表面出现凹坑缺陷。进一步地，本发明提供的建模方法，在对含凹坑零件的审理和评估中将产生以下有益效果：

(1)上述建模方法，通过网格重用避免了含凹坑零件中与无缺陷零件相重合区域的网格划分工作。通过对凹坑缺陷附近局部区域的网格替换实现凹坑特征建模，大幅降低了含凹坑零件有限元建模所需要处理的结构特征数量。因而从数量级上提高了含凹坑零件的有限元建模效率。

(2)上述建模方法，能够在不显著增加有限元分析规模的前提下，得到凹坑附近应力分布的精确计算结果。上述建模方法，采用低密度且占零件绝大部分体积的主体网格群，与高密度却仅占零件体积极小比例的第二子区域网格群相结合的方式，在确保凹坑附近网格密度足够捕捉应力集中特征的前提下，实现对含凹坑零件有限元模型单元数量的有效控制。主体网格群与第二子区域网格群组装后形成的含凹坑零件有限元模型，其单元总数仅是略多于完全以零件宏观特征尺度为基准划分而成的无缺陷零件有限元模型，不会产生超出预期的计算规模，从而解决有限元建模所面临的凹坑缺陷尺寸与零件宏观尺度之间存在数量级差异的问题。

(3)上述建模方法，在第二子区域网格群嵌入回主体网格群后，确保了两部分网格实现精确匹配与无缝联接，避免了因交界面两侧节点不匹配而导致的计算误差，有效保障了局部网格替换后含凹坑零件有限元模型的物理连续性以及由其所得计算结果的精确性。

其原因在于，本发明实施例所提供的建模方法，在拆分主体网格群与第一子区域网格群的过程中提取并保留二者在交界面上的二维单元，并以交界面二维单元作为对含凹坑局部模型实体进行网格重划时的约束条件，因而能够确保重划后得到的含凹坑的第二子区域网格群在交界面上保留有与主体网格群完全相同的单元划分构型，交界面两侧节点位置相同且一一对应，为通过节点融合实现第二子区域网格群与主体网格群的无缝联接提供了必要前提。

(4)上述建模方法，以实际缺陷零件上凹坑的位置与几何形状参数为输入，在无缺陷零件有限元模型的基础上通过全局网格重用与局部网格替换相结合的方式快速获得含凹坑零件有限元模型，有效缩短了凹坑零件的审理评估时间，可以帮助制造企业挽回大量可供继续使用的轻微缺损零件，创造可观的经济价值。

上述建模方法，适用于多种有限元建模软件平台，并且所有步骤均可编程实现，因此根据上述建模方法可以借助计算机程序实现零件表面凹坑特征的自动化有限元建模，在人工手动处理的基础上进一步地提高建模效率。

下面结合具体实施例，即某型压气机盘均压孔内壁表面凹坑的有限元建模，来说明本发明实施例所提供的建模方法的具体实施方式。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中采用的压气机盘100沿周向均匀分布有6个偏心均压孔101、102、103、104、105、106，如图2所示。经检测发现其中均压孔102的内壁表面在六点钟方向存在一个直径0.45mm，深度0.15mm的圆球形凹坑缺陷107。压气机盘100的回转外径为487.7mm，均压孔直径为20mm，与凹坑缺陷107的尺寸之间存在数量级上的差异，沿均压孔102直径的剖面视图如图3所示。

如果沿凹坑缺陷107周长划分20个单元，则需要0.1mm以下的单元尺寸，完全采用如此微小的单元对该压气机盘进行网格划分将导致单元总数超出允许范围，并且按照传统方式建立含微小凹坑缺陷零件的有限元模型需要耗费大量人工时。上述建模方法，能够在快速实现凹坑特征有限元建模的同时避免上述问题，具体的实施步骤如下：

步骤1：将正常零件，即无缺陷零件的有限元模型108拆分为主体网格群109与第一子区域网格群110，如图4所示。依照研制流程，机械系统中的重要零部件在加工制造前势必已经过强度分析与校核，因此存在与含凹坑零件相对应的无缺陷有限元模型的假设是符合实际情况的。

主体网格群109将在后续分析中保留原有的单元划分与网格密度，第一子区域网格群110包含着凹坑缺陷107的发生位置，是需要关心的细节区域，后续步骤中将对该区域进行缺陷体积去除与网格重划，并在重划的过程中在凹坑附近进行必要的网格加密。

第一子区域网格群110范围的选择关系到凹坑附近网格重划的难易程度以及重划后第二子区域网格群的单元数量，应当在保证主体网格群与凹坑缺陷附近网格之间单元尺寸光滑过渡的前提下尽可能地减小局部模型范围。因为凹坑缺陷尺寸十分微小，所引起的应力集中与重新分布仅局限于凹坑缺陷附近区域，本例中根据轮盘零件的周期对称性选择以压气机盘100的六分之一扇区作为有限元建模范围。

步骤2：提取主体网格群109与第一子区域网格群110交界面上的二维面单元111，如图5所示。以交界面上的二维面单元111为约束，可以保证第一子区域网格群110执行网格重划后能在交界面上保留有与主体网格群109相同的单元划分构型，为随后无缝嵌入回主体网格群109提供必要前提。

步骤3：将第一子区域网格群110转化为局部模型实体112，如图6所示，为构造凹坑几何特征做准备。该步骤可以分三步实现，①提取第一子区域网格群110表面所有的二维单元，②将第一子区域网格群110表面的二维单元转化为局部模型表面曲面，③由局部模型表面曲面生成局部模型实体112。

步骤4：根据凹坑缺陷107的位置与几何参数，通过布尔运算在局部模型实体112表面减去凹坑缺陷所占据的体积113，从而得到含凹坑的局部模型实体114，如图7所示。

步骤5：以主体网格群109与第一子区域网格群110交界面上的二维面单元111为约束条件，即在保留交界面单元划分构型不变的条件下，对含凹坑局部模型实体114实施网格划分，得到第二子区域网格群115，如图8所示。

对于圆球形凹坑缺陷，为确保有限元计算结果的精确性，凹坑附近单元尺寸至少需要20倍小于凹坑圆周长，而以零件特征尺度为参照的交界面单元，其尺寸势必会远远超过凹坑周围的单元尺寸，此时第二子区域网格群115中必然出现网格单元由凹坑缺陷附近的高密度过渡到交界面附近的低密度，所以在步骤1拆分无缺陷零件有限元模型108的过程中，第一子区域网格群110应包含足够的体积空间以保证网格密度由高到低过渡的光滑性。

网格密度的变化必然导致第二子区域网格群115中单元尺寸差异巨大，所以推荐采用四面体自由网格进行划分，此时可在与主体网格群109的交界面上生成一层五面体单元116作为四面体自由网格与主体网格群109之间的过渡。

步骤6：将第二子区域网格群115嵌入回主体网格群109，通过二者交界面两侧节点的融合将两部分网格组装成含凹坑缺陷的压气机盘有限元模型117，如图9所示。

因为第二子区域网格群115的网格划分是以步骤2中提取的交界面上的二维面单元111作为约束条件，所以第二子区域网格群115与主体网格群109在彼此交界处将具有相同的单元构型，即交界面两侧空间位置相邻的单元在交界面上的节点位置相同且一一对应，因而可以通过节点融合操作使交界面两侧相邻单元在交界面上生成共用节点，由此可以将第二子区域网格群115与主体网格群109这两部分网格无缝联接在一起，组成完整的含凹坑零件有限元模型。

对所生成的含凹坑零件有限元模型施加载荷与边界条件并求解，即可得出凹坑缺陷附近的应力分布情况，然后可以根据需要进行进一步的后处理，如疲劳寿命计算与可靠性/安全性分析。

本发明实施例的零件表面凹坑有限元建模方法的流程图如图10所示。

为了精确计算在复杂曲率表面上任意形状凹坑缺陷所引起的集中应力，势必需要借助有限元法；而实现有限元凹坑应力分析实用化的最大障碍是含凹坑缺陷零件有限元模型的建立，主要面临两方面的技术难题，第一是当前计算机硬件发展水平的制约，另一方面则是人工时成本方面的限制。

(1)工程中典型的凹坑缺陷，其特征尺寸相对零件特征尺寸至少要小两个数量级，例如作为航空发动机中关键承力件的轮盘，其回转直径大约400至600mm，而在超差处理中遇到的绝大多数凹坑缺陷其尺度均未超过1mm。

以直径1mm的凹坑缺陷为例，为保证应力计算结果的准确性，沿凹坑周长的单元划分数须不低于20，则需要边长在0.15mm以下的单元才足以刻画凹坑缺陷的几何特征。但如果采用如此细密的网格对轮盘结构进行离散，则需要的单元数量将突破千万级，单个零件就达到如此巨大的计算规模在当前的计算机硬件水平下是难以接受的。

(2)有限元分析中网格划分(也就是通常所说的前处理)要占工程师总人工时消耗的70％以上，含凹坑缺陷的零件，由于需要对凹坑附近的网格进行专门的处理，其网格划分耗费的人工时要显著高于无缺陷零件。

由于凹坑缺陷零件多是以单件的形式出现，针对一个凹坑缺陷件的分析结果对其他凹坑缺陷件没有参考价值(凹坑形状、尺寸以及出现的位置互不相同)，所以人工时经济性对于凹坑缺陷件的网格划分尤为重要。如果消耗人工时的折算价格高于零件本身的生产成本，则对凹坑缺陷的威胁评估将不再具有经济价值。

综上，目前需要开发的零件表面凹坑有限元建模方法，需要同时解决两方面的问题，实现：①合理解决凹坑缺陷尺寸与零件宏观尺度之间的数量级差异，在保证凹坑附近网格密度足以捕捉应力集中特征的前提下使单元总数降低到当前计算机硬件配置可以接受的水平；②高效率地建立含凹坑零件的有限元模型，所消耗的人工时相较目前水平必须有数量级上的提高，使人工时成本明显小于被评估零件的制造成本，以此才能体现凹坑威胁评估的经济价值。

本发明另一实施例提供一种表面带有内凹部的零件建模设备，该设备用于实现上述实施例提供的建模方法，该设备包括：模型建立模块、模型划分模块、单元提取模块、局部实体转化模块、局部实体构建模块、网格重划模块以及节点融合模块。

模型建立模块用于建立零件表面不带内凹部的有限元模型。

模型划分模块用于将有限元模型划分为主体网格群和第一子区域网格群两部分。其中，所述第一子区域网格群包括所述零件上具有内凹部的区域。

单元提取模块用于提取主体网格群和第一子区域网格群交界面的二维面单元，将该二维面单元作为约束条件。

局部实体转化模块用于将第一子区域网格群转化为局部模型实体。

局部实体构建模块用于在局部模型实体上构建内凹部模型，得到带有内凹部的局部实体模型。

网格重划模块用于按照上述约束条件，通过网格重划得到与带有内凹部的局部实体模型相对应的第二子区域网格群。

节点融合模块用于采用上述约束条件，通过交界面节点融合将所述主体网格群与所述第二子区域网格群联接，得到带有内凹部的零件有限元模型。

关于各个模块所执行的具体功能，请参见上文，此处不再赘述。

在一些实施例中，所述局部实体构建模块通过布尔运算在局部模型实体上构建内凹部模型，以得到带有内凹部的局部实体模型。

本发明另一实施例提供一种电子设备，包括：存储器以及耦接至存储器的处理器。处理器被配置为基于存储在存储器中的指令，执行如本发明任一实施例所提供的建模方法。

存储器可以包括系统存储器、固定非易失性存储介质等。系统存储器例如存储有操作系统、应用程序、引导装载程序(Boot Loader)以及其他程序等。

本公开是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解为可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种表面带有内凹部的零件建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立零件表面不带内凹部的有限元模型；

将有限元模型划分为主体网格群和第一子区域网格群两部分；其中，所述第一子区域网格群包括所述零件上具有内凹部的区域；

提取主体网格群和第一子区域网格群交界面的二维面单元，将该二维面单元作为后续网格重划的约束条件；

将第一子区域网格群转化为局部模型实体；

在局部模型实体上构建内凹部模型，得到带有内凹部的局部实体模型；

以上述二维面单元为约束条件，通过网格重划得到与带有内凹部的局部实体模型相对应的第二子区域网格群；

采用上述约束条件，通过交界面节点融合将所述主体网格群与所述第二子区域网格群联接，得到带有内凹部的零件有限元模型。

2.根据权利要求1所述的表面带有内凹部的零件建模方法，其特征在于，通过布尔运算在局部模型实体上构建内凹部模型，得到带有内凹部的局部实体模型。

3.根据权利要求1所述的表面带有内凹部的零件建模方法，其特征在于，所述第一子区域网格群包括所述零件上的一个内凹部。

4.根据权利要求1所述的表面带有内凹部的零件建模方法，其特征在于，所述第一子区域网格群的数量不多于零件表面的内凹部的数量。

5.根据权利要求1所述的表面带有内凹部的零件建模方法，其特征在于，所述内凹部的体积小于所述零件体积的1％。

6.根据权利要求1所述的表面带有内凹部的零件建模方法，其特征在于，所述主体网格群中的平均网格尺寸是所述第二子区域网格群的平均网格尺寸的3～5倍以上。

7.一种表面带有内凹部的零件建模设备，其特征在于，包括：

模型建立模块，用于建立零件表面不带内凹部的有限元模型；

模型划分模块，用于将有限元模型划分为主体网格群和第一子区域网格群两部分；其中，所述第一子区域网格群包括所述零件上具有内凹部的区域；

单元提取模块，用于提取主体网格群和第一子区域网格群交界面的二维面单元，将该二维面单元作为约束条件；

局部实体转化模块，用于将第一子区域网格群转化为局部模型实体；

局部实体构建模块，用于在局部模型实体上构建内凹部模型，得到带有内凹部的局部实体模型；

网格重划模块，用于按照上述约束条件，通过网格重划得到与带有内凹部的局部实体模型相对应的第二子区域网格群；以及

节点融合模块，用于采用上述约束条件，通过交界面节点融合将所述主体网格群与所述第二子区域网格群联接，得到带有内凹部的零件有限元模型。

8.根据权利要求7所述的表面带有内凹部的零件建模设备，其特征在于，所述局部实体构建模块用于通过布尔运算在局部模型实体上构建内凹部模型，以得到带有内凹部的局部实体模型。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器；以及

耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行如权利要求1-6任一所述的建模方法。

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