Abstract：Based on ANSYS Workbench simulation platform, FEA model of the crankshaft of a diesel engine was built. The stress field distribution of the crankshaft in static compression state was computed, and the FEA model was verified. Based on DOE (Design Of Experiments) method, multi-objective optimization design of the crankshaft was completed, considering wall thickness of the crankshaft, length of main journal, length of crank pin, fillet radius of connecting rod journal and fillet radius of main bearing journal as input parameters, and the mass and maximum stress of the crankshaft as output parameters. After optimization, both the mass and the maximum stress of the crankshaft decreased. Thus, the mass and the stress
mass′ ≤1.2， mises′ ≤320。 ，m m； x 2 为主轴颈长度 式中： x 1 为曲轴壁厚 d 0 ′ d6′ ，mm；x3 为曲柄销长度 d8′ ，mm；x4 为连杆轴颈 过渡圆角半径 d13′ ，mm；x5 为主轴颈过渡圆角半径 d14′ ，mm；m 为曲轴质量，kg；mises 为曲轴最大等 效应力，MPa。
将单拐由轴的参数化模型直接导入 ANSYS Workbench 中，在 Design Model 模块下设置优化输入参数； 进行网格划分，建立有限元模型，如图 2 所示。
1.1 曲轴的三维实体模型
为了简化模型，提高计算速度，笔者以最易失效 的第三曲拐建立实体模型，考虑曲轴的对称性，仅建 立了曲轴的 1/ 4 参数化实体模型。 为了实现参数之间的传递，实体模型的尺寸参数 名都以“DS_”开头。曲轴的结构如图 1 所示，曲轴 优化模型可描述为： (1) 优化目标 min f (x) = (m′ - m)2 + (mises′ - mises)2。 (1) (2) 设计变量 x = { x1，x2，x3，x4，x5}T。 (3) 约束条件 20.0≤x1≤40.0， 20.0≤x2≤40.0， 20.0≤x3≤40.0， 2.0≤x4≤5.0， 20.0≤x5≤40.0，
参 考 文 献
[1] 王 鹰．连续输送机械设计手册 [M]．北京：中国铁道出版 社，2001：120-125. [2] 李江全，刘恩博，胡 蓉．LabVIEW 虚拟仪器数据采集与串 口通信测控应用实战 [M]．北京：人民邮电出版社，2010： 180-184. [3] 牛群峰，王 莉，胡红生．LabVIEW 虚拟仪器系统开发与实 践 [M]．北京：中国电力出版社，2011：32-36. [4] 刘小丽，张晓光．基于 LabVIEW 的压风机组状态监测及故障 诊断系统设计 [J]．煤矿机械，2011，32(5)：248-250. [5] 朱艳君，肖兴明．基于 LabVIEW 的刮板输送机状态监测系统 设计 [J]．矿山机械，2012，40(3)：19-22. [6] 李 扬，谢 晖，陈 侃．基于 LabVIEW 的 PID 控制系统设 计与实现 [J]．中国测试技术，2008，34(3)：74-76. [7] 胡宝权，赵荣珍，马再超．基于 LabVIEW 的数据采集与反 馈控制通讯系统 [J]．仪表技术与传感器，2012，32(12)：3234.□ (收稿日期：2012-12-11) (修订日期：2013-01-22)
此采用该模型的计算结果可信。
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3 曲轴优化设计
3.1 优化设计实现
本次优化基于 ANSYS Workbench 平台，其集成了 Pro/ Engineer、Design Model 模块、Static-Structure 模块 及 Design Exploration 模块等，可以实现曲轴的优化， 其优化分析流程如图 4 所示。
图 2 曲轴有限元模型 Fig. 2 FEA model of crankshaft
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采用 10 节点四面体单元 (SOLID187) 建模。模 型的所有网格尺寸 ≤ 4 mm，由于曲轴连杆轴颈的过 渡圆角是应力较为集中的部位，应对其进行局部网 格细化，有限元模型的节点数为 312 083，单元数为 214 490。 定义有限元模型材料的弹性模量为 2.1×10 5 MPa；泊松比为 0.3；最大拉压强度为 300 MPa；密度 为 7 520 kg/ m3。
通 用
Fig. 4
图 4 曲轴优化设计流程 Flow chart of crankshaft optimization design
3.2 试验设计及结果
研究中心复合设计对曲轴进行优化[8]。试验设计 结果如表 1 所列。由表 1 可知，27 次试验的计算结
表 1 试验设计及结果 Tab. 1 Test design and results
/ mm
19.50 19.50 19.50 17.55 21.45 19.50 19.50 19.50 19.50 19.50 19.50
/ m
36.80 36.80 36.80 36.80 36.80 33.12 40.48 36.80 36.80 36.80 36.80
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随
着柴油机技术的不断发展，其关键零部件质 量、效率及可靠性已成为设计的主要目标[1]。 曲轴作为内燃机的关键零部件之一，直接影响内燃机 的可靠性，对其进行优化设计显得尤为重要。 曲轴的结构复杂，影响其质量和可靠性的设计参 数很多，即使仅考虑重要的设计参数，仍有较大计算 和试验工作量。 采用传统的设计 — 试制 — 试验方法很 难满足优化设计要求[2-3]。 建立有限元仿真模型，采用试验设计方法 (Design Of Experiments method，DOE) 分析曲轴的质量和可靠 性，寻找最优的设计方案是缩短设计过程，完成优化 设计的有效方法[4-6]。 笔者以某 6 缸直列柴油机曲轴为研究对象，建立 有限元分析模型，并对其进行了校核。提出基于试验 设计的优化策略，确定曲轴设计参数和优化目标，并 进行其优化设计。
通 用
1 曲轴优化设计模型
曲轴优化设计的目标是减轻其质量，提高整机效 率；减小最大应力，提高可靠性。曲轴设计参数包括 曲轴壁厚、主轴颈长度、曲柄销长度、连杆轴颈过渡 圆角半径及主轴颈过渡圆角半径，其中主轴颈过渡圆 用半径对曲轴性能的影响最大。 在给定应力约束下，以上述 5 个设计参数为变 量，以减轻曲轴质量和减小最大应力为目标，完成曲 轴的设计优化。
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characteristics improved. Key Words：crankshaft of diesel engine; finite element; DOE; crankshaft mass; maximum stress; multiobjective optimization
/ mm
26.20 23.58 28.82 26.20 26.20 26.20 26.20 26.20 26.20 26.20 26.20 25.458 26.942 25.458 26.942 25.458 26.942 25.458 26.942 25.458 26.942 25.458 26.942 25.458 26.942 25.458 26.942
通 用
Study on optimization design of crankshaft of diesel engine based on DOE
SONG Lili1, ZHU Hairong2,
1
LI Qing1
Dept. of Mechanical & Electrical Engineering, Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 400030, China 2 School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
基金项目：国家“973”重大基础研究项目 (613570303) 作者简介：宋丽莉，女，1974 年生，硕士，讲师，主要研究方向为 CAD、CAM 等现代机械设计方法研究。
证了该系统的可用性与准确性，对螺旋给料机安全可 靠运行以及定量可调给料具有重要的实际意义。
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基于 DOE 的柴油机曲轴 优化设计研究
宋丽莉1，朱海荣2，李 庆1
1
重庆电子工程职业学院机电工程学院 重庆 400030 2 北京理工大学机械与车辆学院 北京 100081
摘要：基于 ANSYS Workbench 仿真计算平台，笔者建立了柴油机曲轴的有限元分析模型，计算了柴 油机曲轴在静止受压状态下的应力场分布，完成了有限元模型的校核。采用试验设计方法 (Design Of Experiments method, DOE)，将曲轴壁厚、主轴颈长度、曲柄销长度、连杆轴颈过渡圆角半径及主轴颈 过渡圆角半径作为输入参数，曲轴质量及最大应力作为输出参数，完成了柴油机曲轴的多目标优化。 优化后曲轴质量和最大应力均有所降低，从而改善了曲轴的质量和应力特性。 关键词：柴油机曲轴；有限元；DOE；曲轴质量；最大应力；多目标优化 中图分类号：TK422 文献标志码：A 文章编号：1001-3954(2013)06-0106-05