基于CREO的曲轴优化设计

申军伟

（山西机电职业技术学院，山西 长治046011）



基于CREO的曲轴优化设计

申军伟

（山西机电职业技术学院，山西 长治046011）

摘要：基于CREO软件对发动机模型的曲轴部分进行了优化设计。在给定参数条件下，优化了曲轴的尺寸参数，减小了不平衡径向力，提高了发动机模型工作的平稳性，同时阐述了利用CREO进行优化设计的方法和步骤。

关键词：优化设计；曲轴；CREO

CREO软件是由美国PTC公司开发的新一代大型CAD/CAM/CAE设计软件包，可以实现建模、装配、仿真、优化设计及结构分析等一系列功能，具有直观易用的用户界面，操作也较为简单。在机械产品设计过程中，大都仅限于建模功能的使用，未能发挥软件所具有的的强大功能，不利于产品设计成本的降低和设计效率的提高。

本文针对上述问题，以发动机的简易机构模型为例，基于Creo软件建立相关模型并进行装配、运动仿真和优化的一体化项目设计，阐述了Creo软件在机械产品设计方面的强大功能，便于促进提高CREO软件的实际应用水平。

基于CREO软件的曲轴优化设计，主要包括以下几个步骤：装配—建立测量参数—运行仿真—优化目标的建立—变量及目标指定—优化计算—对比验证。

1　模型装配

在对模型进行优化之前，首先对其进行装配，最终装配完成的初始模型如下图1所示。

图1　装配体模型

在装配过程中，主要应用了焊缝、滑块、销等三种装配方式，为模拟发动机工作时的内外阻力作用，在曲轴两端添加旋转和轴向阻尼器，数值大小均为100，在活塞顶部添加与曲轴转角相关的周期性力，模拟活塞往复运动过程中所受载荷，为模拟发动机的实际运行状态，设定曲轴转速为800 r/min，并将此转换为伺服电机的驱动角速度，约为4800 deg/sec，完成基本参数设置后，进入优化参数的选择。

2　优化设计概念及其流程

优化设计是在给定的条件下，依据科学的优化原理和方法，建立相关数学模型并寻找最优方案的设计过程，优化设计的数学模型一般包括：设计变量、目标函数和约束条件三个部分。机械产品的优化设计是设计人员在机械产品的性能、尺寸及结构等参数的合理范围内，根据产品实际使用条件和各参数间的约束关系，建立相关数学模型，求取目标参数最优值的过程。

Creo提供GDP（标准优化算法）和MDS（多目标设计研究算法）两种优化方法用以优化设计的计算过程，GDP默认采用序列二次规划法来进行优化计算，如果优化期间Creo Simulate遇到无效模型，且无法将模型恢复，软件将自动从SQP切换到梯度投影算法来处理运行的剩余部分，以尝试解决此问题，该方法速度较快。MDS方法则更容易在设计参数和尺寸范围内找到整体最优设计。实际使用时，根据优化对象的实际情况来进行选择。

3　参数选择与定义

对于优化参数的选择要求具有典型性，必须是与优化结果有直接关系的参数，只有这样才能充分利用计算机资源并提高优化效率。针对该曲轴机构的优化，目的是平衡曲轴运转过程中的不平衡径向力，减轻发动机震动，分析平衡块的几何参数之后，确定如下表1及图2所示参数为优化变量：

表1　优化变量列表

图2　参数示意图

确定优化变量之后，便涉及优化目标的选取，对于曲轴机构的优化设计，目的在于减轻曲轴旋转过程中因为质心不在中心轴线而产生的振动及离心力问题，因而选取发动机运转过程中曲轴两端支撑轴承的径向受力为优化目标，据此进行优化设计。

4　曲轴的优化设计

在完成参数设定以后，为便于确定优化前后，发动机运转过程中的受力情况，首先对发动机机构模型进行初始动态仿真，确定曲轴两端轴承所受径向力的情况，在CREO软件的机构功能模块下，选择动态仿真模式并运行仿真，保存仿真结果文件。

按照前述参数，在CREO软件中设定优化参数，通过分析命令，通过轴承径向受力参数建立优化目标，以期减小曲轴运行过程中的不平衡力。最终的优化设置如下图3所示。

图3　优化目标及变量设置

在参数设置完成以后，进行仿真，优化后的参数如下表2所示。

表2　优化后变量取值

通过优化后的仿真数据可以得知，经过4次迭代计算后，找到优化目标收敛值。优化前，曲轴轴承的径向受力为573.4 N，优化后径向作用力峰值为557.7 N，相比优化前，径向受力减少约2.7%.分析优化后的结果参数，过渡圆角半径和中心矩的优化值为取值范围的极值，导致优化结果较原来相比，提高不是很大，说明优化变量的取值在CREO优化设计过程中非常重要。（如图4图5所示）。

图4　优化目标收敛图

图5　曲轴径向受力仿真曲线

5　结果分析与展望

通过利用CREO软件，对发动机曲轴进行优化设计，可知该方法操作简便，具有较高的设计效率，能够有效缩短实际产品的开发周期，提高产品的市场竞争力。在利用CREO软件进行优化设计时，需要认真考虑变量的取值范围，在需要时，可进行多次优化计算，从而达到最优值。

参考文献：

［1］石彩华.翻转课堂教学模式在高职机械CAD课程中的实践应用研究［J］.软件导刊（教育技术）.2014，（11）.

［2］姜伟刚，王超.机械制图中PROE软件的应用探析［J］.医疗装备.2014，（12）.

［3］王洪键，张晓光.PRO/E仿真在杆自驱动技术上的应用［J］.装备制造技术.2013，（03）.

［4］周川，李奉香.基于PRO/E的凸轮机构运动仿真及分析［J］.计算机与数字工程.2011，（02）.

［5］武艳慧.Pro/ENGINEER在机械原理教学中的应用［J］.农村牧区机械化.2010，（03）.

［6］伍红梅.基于Pro/E的数控功能部件运动仿真研究［D］.合肥工业大学，2009.

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

中图分类号：TH112

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0249-03

收稿日期：2015-12-12

作者简介：申军伟（1985-），男，河南林州人，硕士研究生，助教，主要研究方向为机械产品结构优化设计。