一种基于多层约束传递的柴油机结构设计参数优化方法与流程

本发明涉及计算机辅助设计，尤其涉及一种基于多层约束传递的柴油机结构设计参数优化方法。

背景技术：

1、随着柴油机向高功率密度、轻量化和高可靠性方向发展，柴油机机体、缸盖及连接结构等零部件的结构设计需要同时满足结构强度、疲劳寿命、变形控制、重量及空间布置等多方面要求。现有柴油机结构设计通常根据整机设计需求确定系统技术指标，再将相关指标分解至分系统及零部件层级，通过调整壁厚、加强筋尺寸、圆角半径、孔径及结构间距等结构参数，并结合有限元仿真或参数优化方法对结构性能进行验证，从而获得满足设计要求的结构参数。随着结构参数数量及约束类型增加，不同层级设计信息之间的关联关系更加复杂，同一结构参数还可能同时受到多个上游工程约束的共同作用。

2、现有技术在进行柴油机结构参数优化时，多将强度、变形、疲劳安全性及重量等指标作为并列约束或优化指标，在预设参数范围内搜索候选参数，再通过结构仿真判断候选参数是否满足设计要求。当同一结构参数受到不同工程约束作用时，通常直接对多个约束进行综合计算或统一调整参数范围，缺少对设计需求、系统规格、分系统工程约束与零部件结构参数之间来源关系及传递过程的持续记录，难以区分不同上游约束对同一结构参数形成的上界作用和下界作用。由此，当不同约束相互压缩参数可行范围时，难以准确确定冲突来源及有效调整区间，容易造成参数反复调整或扩大优化搜索范围。

3、此外，当结构仿真结果出现变形超限、疲劳安全裕度不足或重量不满足约束等情况时，现有方法通常依据仿真结果重新调整相关参数或重新执行整体优化，难以沿原有约束传递关系定位产生验证偏差的具体上游约束，也难以仅修正对应约束的参数边界而保持另一侧有效约束不变，导致局部验证问题可能引起多个结构参数及约束范围重复调整，影响柴油机结构设计参数优化的针对性和迭代效率。

4、因此，如何提供一种基于多层约束传递的柴油机结构设计参数优化方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提出一种基于多层约束传递的柴油机结构设计参数优化方法，本发明充分利用了改进compgcn模型、多层约束传递及柴油机结构仿真技术，详细描述了柴油机结构设计需求、系统规格、分系统工程约束及零部件结构参数之间的约束传递过程，并通过改进compgcn模型实现约束极性保持传播和验证偏差源链回贴，结合冲突参数识别、局部优化及结构仿真完成柴油机结构设计参数的闭环优化，具有约束传递准确、冲突定位精准、参数调整针对性强及优化效率高的优点。

2、根据本发明实施例的一种基于多层约束传递的柴油机结构设计参数优化方法，包括：

3、采集柴油机结构设计需求、系统规格、分系统工程约束、零部件结构参数及层间约束关系，生成多层设计数据；

4、由多层设计数据构建节点和边，配置约束极性、转换关系及来源标识，生成多层约束传递图；

5、将多层约束传递图输入改进compgcn模型，得到上界约束状态、下界约束状态及约束来源路径，所述改进compgcn模型包括节点嵌入层、关系嵌入层、约束极性保持组合层、多关系聚合层、验证偏差源链回贴层和输出层；

6、比较同一结构参数的上界和下界约束状态，结合参数当前值识别冲突参数及调整范围；

7、局部优化调整范围内的冲突参数，得到待验证参数；

8、对待验证参数作柴油机结构仿真，获取变形、疲劳安全性和重量结果，匹配分系统工程约束并关联来源标识，生成验证偏差；

9、将验证偏差输入改进compgcn模型，按来源标识沿约束来源路径回贴至对应上界或下界约束状态，并保持另一极性约束状态不变，生成修正范围；

10、按修正范围优化并仿真，满足约束后输出优化参数。

11、可选的，所述柴油机结构设计需求包括结构可靠性需求、轻量化需求、结构寿命需求及空间布置需求；所述系统规格包括整机质量限制、结构强度指标、疲劳寿命指标及外廓尺寸限制；所述分系统工程约束包括变形约束、应力约束、疲劳安全约束及重量约束；所述零部件结构参数包括壁厚、加强筋尺寸、圆角半径、孔径及结构间距；所述层间约束关系包括相邻层级数据之间的来源对应关系、约束作用方向及参数转换规则。

12、可选的，所述生成多层设计数据包括：

13、采集柴油机结构设计需求、系统规格、分系统工程约束、零部件结构参数及层间约束关系，按照所属设计层级分别建立数据项，记录零部件结构参数的当前值，并为各数据项配置对象标识和层级标识；

14、按照对象标识对相邻层级的数据项进行对应匹配，提取层间约束关系中的来源对应关系、约束作用方向和参数转换规则，建立相邻层级数据项之间的约束传递记录；

15、按照层级标识排列各数据项，将约束传递记录与对应数据项关联，形成包含数据项、参数当前值、层级标识及层间约束关系的多层设计数据。

16、可选的，所述生成多层约束传递图包括：

17、按照柴油机结构设计需求、系统规格、分系统工程约束和零部件结构参数的所属层级，将多层设计数据中的数据项分别设置为对应层级节点；

18、依据层间约束关系匹配相邻层级节点，按照约束来源建立由上游节点指向下游节点的边；

19、依据边对应的约束作用方向确定上界约束极性或下界约束极性，并按照参数转换规则配置转换关系，将上游约束的来源信息配置为来源标识；

20、关联各层级节点与配置后的边，生成由柴油机结构设计需求向零部件结构参数逐层传递的多层约束传递图。

21、可选的，所述得到上界约束状态、下界约束状态及约束来源路径包括：

22、基于compgcn模型的节点表示、关系表示、节点与关系组合传播、多关系聚合及结果输出过程，设置节点嵌入层、关系嵌入层、多关系聚合层和输出层，在节点嵌入层与关系嵌入层的输出汇合位置增设约束极性保持组合层，在多关系聚合层与输出层之间增设验证偏差源链回贴层，形成改进compgcn模型；

23、将多层约束传递图中的节点输入节点嵌入层，依据节点所属层级及节点数据执行嵌入映射，生成节点嵌入表示；

24、将多层约束传递图中的边输入关系嵌入层，依据约束极性、转换关系及来源标识执行关系嵌入，生成携带来源标识的关系嵌入表示；

25、将节点嵌入表示和关系嵌入表示输入约束极性保持组合层，按照边的约束极性组合相邻节点与对应关系，将组合结果分别沿上界极性通路和下界极性通路逐层传递，并同步传递来源标识，生成上界传播特征和下界传播特征；

26、将上界传播特征和下界传播特征输入多关系聚合层，按照零部件结构参数节点分别聚合同一极性的传播特征，保持不同极性的聚合结果相互独立，生成上界聚合状态和下界聚合状态，并按照来源标识串接传播经过的边，生成来源路径候选集；

27、将上界聚合状态、下界聚合状态及来源路径候选集输入验证偏差源链回贴层，按照来源标识关联来源路径与对应的上界聚合状态或下界聚合状态，建立源链回贴索引；

28、将上界聚合状态、下界聚合状态及源链回贴索引输入输出层，生成各零部件结构参数的上界约束状态和下界约束状态，并依据源链回贴索引生成对应约束来源路径；

29、采集历史柴油机结构设计案例中的多层设计数据、参数约束记录、结构仿真验证记录及参数修正记录构建训练样本，以约束状态识别误差、来源路径匹配误差及验证偏差回贴误差作为联合训练目标，对改进compgcn模型进行迭代训练，直至联合训练目标满足预设收敛条件，得到训练完成的改进compgcn模型。

30、可选的，所述结合参数当前值识别冲突参数及调整范围包括：

31、读取同一零部件结构参数的上界约束状态和下界约束状态，分别提取上界参数边界和下界参数边界，并比较两侧参数边界的相对位置；

32、将参数当前值分别与上界参数边界和下界参数边界比较，将两侧参数边界不存在共同可行区间或参数当前值超出共同可行区间的零部件结构参数确定为冲突参数；

33、对存在共同可行区间的冲突参数，以共同可行区间确定参数调整范围；对不存在共同可行区间的冲突参数，以两侧参数边界之间的区间确定参数调整范围。

34、可选的，所述局部优化调整范围内的冲突参数，得到待验证参数包括：

35、读取冲突参数的参数当前值、调整范围及上下界约束状态对应的参数边界，保持非冲突参数不变，在调整范围内生成各冲突参数的局部候选值，并组合形成局部候选参数组；

36、将局部候选参数组分别与对应的上界约束状态和下界约束状态匹配，计算候选值超出上下界参数边界的偏离量及相对参数当前值的调整量，按照边界偏离量和参数调整量对局部候选参数组进行排序筛选，得到目标参数组；

37、以目标参数组中的候选值更新对应冲突参数，并保持其余零部件结构参数的当前值不变，组合生成待验证参数。

38、可选的，所述生成验证偏差包括：

39、将待验证参数写入对应柴油机零部件结构模型，执行结构变形、疲劳安全性和结构重量仿真，得到结构仿真结果；

40、按照分系统工程约束匹配结构仿真结果，读取对应约束边界，比较结构仿真结果与约束边界，确定偏离方向、偏离量及验证裕度；

41、筛选存在边界偏离或验证裕度不足的分系统工程约束，获取对应来源标识，将来源标识、偏离方向和偏离量组合生成验证偏差。

42、可选的，所述生成修正范围包括：

43、将验证偏差输入改进compgcn模型，依据验证偏差携带的来源标识匹配约束来源路径，定位对应冲突参数及上界约束状态或下界约束状态；

44、读取验证偏差的偏离方向和偏离量，依据匹配约束来源路径中各边的转换关系确定边界修正方向及修正量，并回贴至所定位的上界约束状态或下界约束状态，得到修正约束状态；

45、保持冲突参数另一极性约束状态对应的参数边界不变，比较修正约束状态对应的参数边界与另一参数边界，以两侧参数边界限定修正范围。

46、可选的，所述按修正范围优化并仿真，满足约束后输出优化参数包括：

47、在修正范围内重新生成冲突参数的候选值，保持非冲突参数及未修正极性约束对应的参数边界不变，对候选值进行局部优化，得到修正候选参数；

48、将修正候选参数写入柴油机零部件结构模型，执行结构变形、疲劳安全性和结构重量仿真，并与分系统工程约束比较，得到复核验证状态；

49、当复核验证状态满足分系统工程约束时，将修正候选参数确定为优化参数；当存在未满足约束时，生成携带来源标识的验证偏差并输入改进compgcn模型，按来源标识沿约束来源路径更新对应极性约束状态和修正范围，保持另一极性约束状态不变，重新执行局部优化及结构仿真，直至满足分系统工程约束。

50、本发明的有益效果是：

51、本发明通过对柴油机结构设计需求、系统规格、分系统工程约束、零部件结构参数及层间约束关系进行统一处理，构建由不同层级节点及约束关系组成的多层约束传递图，使柴油机结构设计过程中分散于不同设计层级的约束信息能够沿明确的来源关系逐层传递。通过为层间关系配置约束极性、转换关系及来源标识，本发明能够保持不同上游约束对同一结构参数形成的差异化作用，减少传统参数优化过程中因约束来源不清或多类约束直接混合而造成的参数调整方向不明确问题，提高柴油机结构设计参数约束表达的完整性和准确性。

52、本发明进一步采用改进compgcn模型对多层约束传递图进行处理，通过约束极性保持组合层将不同约束分别形成上界约束状态和下界约束状态，并保留对应约束来源路径，使同一零部件结构参数受到的不同约束能够分别进行传播和聚合。通过比较上下界约束状态并结合结构参数当前值识别冲突参数，在限定调整范围内实施局部优化，能够避免对全部柴油机结构参数进行大范围重复搜索，降低无效参数组合数量，提高多约束条件下冲突参数识别及局部参数优化的针对性和效率。

53、本发明还通过柴油机结构仿真对优化参数的结构变形、疲劳安全性及重量进行验证，并利用改进compgcn模型中的验证偏差源链回贴机制，将未满足工程约束产生的验证偏差按照来源标识沿原约束来源路径回贴至对应的上界约束状态或下界约束状态，同时保持另一极性约束状态不变，以此定向修正冲突参数范围并重新进行局部优化和结构仿真。由此能够减少局部仿真验证失败引起的整体参数反复调整，使结构参数修正与具体约束来源相对应，提高柴油机结构设计参数优化的收敛效率、验证可靠性和设计结果的可追溯性。