基于CREO的曲軸優化設計

申軍偉

（山西機電職業技術學院，山西 長治046011）

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基于CREO的曲軸優化設計

申軍偉

（山西機電職業技術學院，山西 長治046011）

摘要：基于CREO軟件對發動機模型的曲軸部分進行了優化設計。在給定參數條件下，優化了曲軸的尺寸參數，減小了不平衡徑向力，提高了發動機模型工作的平穩性，同時闡述了利用CREO進行優化設計的方法和步驟。

關鍵詞：優化設計；曲軸；CREO

CREO軟件是由美國PTC公司開發的新一代大型CAD/CAM/CAE設計軟件包，可以實現建模、裝配、仿真、優化設計及結構分析等一系列功能，具有直觀易用的用戶界面，操作也較為簡單。在機械產品設計過程中，大都僅限于建模功能的使用，未能發揮軟件所具有的的強大功能，不利于產品設計成本的降低和設計效率的提高。

本文針對上述問題，以發動機的簡易機構模型為例，基于Creo軟件建立相關模型并進行裝配、運動仿真和優化的一體化項目設計，闡述了Creo軟件在機械產品設計方面的強大功能，便于促進提高CREO軟件的實際應用水平。

基于CREO軟件的曲軸優化設計，主要包括以下幾個步驟：裝配—建立測量參數—運行仿真—優化目標的建立—變量及目標指定—優化計算—對比驗證。

1　模型裝配

在對模型進行優化之前，首先對其進行裝配，最終裝配完成的初始模型如下圖1所示。

圖1　裝配體模型

在裝配過程中，主要應用了焊縫、滑塊、銷等三種裝配方式，為模擬發動機工作時的內外阻力作用，在曲軸兩端添加旋轉和軸向阻尼器，數值大小均為100，在活塞頂部添加與曲軸轉角相關的周期性力，模擬活塞往復運動過程中所受載荷，為模擬發動機的實際運行狀態，設定曲軸轉速為800 r/min，并將此轉換為伺服電機的驅動角速度，約為4800 deg/sec，完成基本參數設置后，進入優化參數的選擇。

2　優化設計概念及其流程

優化設計是在給定的條件下，依據科學的優化原理和方法，建立相關數學模型并尋找最優方案的設計過程，優化設計的數學模型一般包括：設計變量、目標函數和約束條件三個部分。機械產品的優化設計是設計人員在機械產品的性能、尺寸及結構等參數的合理范圍內，根據產品實際使用條件和各參數間的約束關系，建立相關數學模型，求取目標參數最優值的過程。

Creo提供GDP（標準優化算法）和MDS（多目標設計研究算法）兩種優化方法用以優化設計的計算過程，GDP默認采用序列二次規劃法來進行優化計算，如果優化期間Creo Simulate遇到無效模型，且無法將模型恢復，軟件將自動從SQP切換到梯度投影算法來處理運行的剩余部分，以嘗試解決此問題，該方法速度較快。MDS方法則更容易在設計參數和尺寸范圍內找到整體最優設計。實際使用時，根據優化對象的實際情況來進行選擇。

3　參數選擇與定義

對于優化參數的選擇要求具有典型性，必須是與優化結果有直接關系的參數，只有這樣才能充分利用計算機資源并提高優化效率。針對該曲軸機構的優化，目的是平衡曲軸運轉過程中的不平衡徑向力，減輕發動機震動，分析平衡塊的幾何參數之后，確定如下表1及圖2所示參數為優化變量：

表1　優化變量列表

圖2　參數示意圖

確定優化變量之后，便涉及優化目標的選取，對于曲軸機構的優化設計，目的在于減輕曲軸旋轉過程中因為質心不在中心軸線而產生的振動及離心力問題，因而選取發動機運轉過程中曲軸兩端支撐軸承的徑向受力為優化目標，據此進行優化設計。

4　曲軸的優化設計

在完成參數設定以后，為便于確定優化前后，發動機運轉過程中的受力情況，首先對發動機機構模型進行初始動態仿真，確定曲軸兩端軸承所受徑向力的情況，在CREO軟件的機構功能模塊下，選擇動態仿真模式并運行仿真，保存仿真結果文件。

按照前述參數，在CREO軟件中設定優化參數，通過分析命令，通過軸承徑向受力參數建立優化目標，以期減小曲軸運行過程中的不平衡力。最終的優化設置如下圖3所示。

圖3　優化目標及變量設置

在參數設置完成以后，進行仿真，優化后的參數如下表2所示。

表2　優化后變量取值

通過優化后的仿真數據可以得知，經過4次迭代計算后，找到優化目標收斂值。優化前，曲軸軸承的徑向受力為573.4 N，優化后徑向作用力峰值為557.7 N，相比優化前，徑向受力減少約2.7%.分析優化后的結果參數，過渡圓角半徑和中心矩的優化值為取值范圍的極值，導致優化結果較原來相比，提高不是很大，說明優化變量的取值在CREO優化設計過程中非常重要。（如圖4圖5所示）。

圖4　優化目標收斂圖

圖5　曲軸徑向受力仿真曲線

5　結果分析與展望

通過利用CREO軟件，對發動機曲軸進行優化設計，可知該方法操作簡便，具有較高的設計效率，能夠有效縮短實際產品的開發周期，提高產品的市場競爭力。在利用CREO軟件進行優化設計時，需要認真考慮變量的取值范圍，在需要時，可進行多次優化計算，從而達到最優值。

參考文獻：

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Optimization Design of Crankshaft based on CREO

SHEN Jun-wei
（Shanxi Institute of Mechanical&Electrical Engineering，Changzhi Shanxi 046011，China）

Abstract：Aims at optimizing the design of crankshaft，based on CREO.under the given parameters，optimize the size parameters of the crankshaft，reduce the unbalanced radial force，to improve the stationarity of engine model，also described the use of Creo optimization design methods and steps.

Key words：optimization design；crankshaft；creo

中圖分類號：TH112

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0249-03

收稿日期：2015-12-12

作者簡介：申軍偉（1985-），男，河南林州人，碩士研究生，助教，主要研究方向為機械產品結構優化設計。