申軍偉

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治046011）

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基于CREO的曲軸優(yōu)化設(shè)計(jì)

申軍偉

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治046011）

摘要：基于CREO軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型的曲軸部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在給定參數(shù)條件下，優(yōu)化了曲軸的尺寸參數(shù)，減小了不平衡徑向力，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)模型工作的平穩(wěn)性，同時(shí)闡述了利用CREO進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和步驟。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計(jì)；曲軸；CREO

CREO軟件是由美國(guó)PTC公司開(kāi)發(fā)的新一代大型CAD/CAM/CAE設(shè)計(jì)軟件包，可以實(shí)現(xiàn)建模、裝配、仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)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(jiǎn)單。在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，大都僅限于建模功能的使用，未能發(fā)揮軟件所具有的的強(qiáng)大功能，不利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本的降低和設(shè)計(jì)效率的提高。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，以發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)易機(jī)構(gòu)模型為例，基于Creo軟件建立相關(guān)模型并進(jìn)行裝配、運(yùn)動(dòng)仿真和優(yōu)化的一體化項(xiàng)目設(shè)計(jì)，闡述了Creo軟件在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的強(qiáng)大功能，便于促進(jìn)提高CREO軟件的實(shí)際應(yīng)用水平。

基于CREO軟件的曲軸優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個(gè)步驟：裝配—建立測(cè)量參數(shù)—運(yùn)行仿真—優(yōu)化目標(biāo)的建立—變量及目標(biāo)指定—優(yōu)化計(jì)算—對(duì)比驗(yàn)證。

1　模型裝配

在對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化之前，首先對(duì)其進(jìn)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(guò)程中，主要應(yīng)用了焊縫、滑塊、銷(xiāo)等三種裝配方式，為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的內(nèi)外阻力作用，在曲軸兩端添加旋轉(zhuǎn)和軸向阻尼器，數(shù)值大小均為100，在活塞頂部添加與曲軸轉(zhuǎn)角相關(guān)的周期性力，模擬活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受載荷，為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)定曲軸轉(zhuǎn)速為800 r/min，并將此轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)角速度，約為4800 deg/sec，完成基本參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)入優(yōu)化參數(shù)的選擇。

2　優(yōu)化設(shè)計(jì)概念及其流程

優(yōu)化設(shè)計(jì)是在給定的條件下，依據(jù)科學(xué)的優(yōu)化原理和方法，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型并尋找最優(yōu)方案的設(shè)計(jì)過(guò)程，優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型一般包括：設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件三個(gè)部分。機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員在機(jī)械產(chǎn)品的性能、尺寸及結(jié)構(gòu)等參數(shù)的合理范圍內(nèi)，根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際使用條件和各參數(shù)間的約束關(guān)系，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，求取目標(biāo)參數(shù)最優(yōu)值的過(guò)程。

Creo提供GDP（標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化算法）和MDS（多目標(biāo)設(shè)計(jì)研究算法）兩種優(yōu)化方法用以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算過(guò)程，GDP默認(rèn)采用序列二次規(guī)劃法來(lái)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，如果優(yōu)化期間Creo Simulate遇到無(wú)效模型，且無(wú)法將模型恢復(fù)，軟件將自動(dòng)從SQP切換到梯度投影算法來(lái)處理運(yùn)行的剩余部分，以嘗試解決此問(wèn)題，該方法速度較快。MDS方法則更容易在設(shè)計(jì)參數(shù)和尺寸范圍內(nèi)找到整體最優(yōu)設(shè)計(jì)。實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)優(yōu)化對(duì)象的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行選擇。

3　參數(shù)選擇與定義

對(duì)于優(yōu)化參數(shù)的選擇要求具有典型性，必須是與優(yōu)化結(jié)果有直接關(guān)系的參數(shù)，只有這樣才能充分利用計(jì)算機(jī)資源并提高優(yōu)化效率。針對(duì)該曲軸機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，目的是平衡曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的不平衡徑向力，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)，分析平衡塊的幾何參數(shù)之后，確定如下表1及圖2所示參數(shù)為優(yōu)化變量：

表1　優(yōu)化變量列表

圖2　參數(shù)示意圖

確定優(yōu)化變量之后，便涉及優(yōu)化目標(biāo)的選取，對(duì)于曲軸機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，目的在于減輕曲軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中因?yàn)橘|(zhì)心不在中心軸線而產(chǎn)生的振動(dòng)及離心力問(wèn)題，因而選取發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中曲軸兩端支撐軸承的徑向受力為優(yōu)化目標(biāo)，據(jù)此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4　曲軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在完成參數(shù)設(shè)定以后，為便于確定優(yōu)化前后，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的受力情況，首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行初始動(dòng)態(tài)仿真，確定曲軸兩端軸承所受徑向力的情況，在CREO軟件的機(jī)構(gòu)功能模塊下，選擇動(dòng)態(tài)仿真模式并運(yùn)行仿真，保存仿真結(jié)果文件。

按照前述參數(shù)，在CREO軟件中設(shè)定優(yōu)化參數(shù)，通過(guò)分析命令，通過(guò)軸承徑向受力參數(shù)建立優(yōu)化目標(biāo)，以期減小曲軸運(yùn)行過(guò)程中的不平衡力。最終的優(yōu)化設(shè)置如下圖3所示。

圖3　優(yōu)化目標(biāo)及變量設(shè)置

在參數(shù)設(shè)置完成以后，進(jìn)行仿真，優(yōu)化后的參數(shù)如下表2所示。

表2　優(yōu)化后變量取值

通過(guò)優(yōu)化后的仿真數(shù)據(jù)可以得知，經(jīng)過(guò)4次迭代計(jì)算后，找到優(yōu)化目標(biāo)收斂值。優(yōu)化前，曲軸軸承的徑向受力為573.4 N，優(yōu)化后徑向作用力峰值為557.7 N，相比優(yōu)化前，徑向受力減少約2.7%.分析優(yōu)化后的結(jié)果參數(shù)，過(guò)渡圓角半徑和中心矩的優(yōu)化值為取值范圍的極值，導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果較原來(lái)相比，提高不是很大，說(shuō)明優(yōu)化變量的取值在CREO優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要。（如圖4圖5所示）。

圖4　優(yōu)化目標(biāo)收斂圖

圖5　曲軸徑向受力仿真曲線

5　結(jié)果分析與展望

通過(guò)利用CREO軟件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可知該方法操作簡(jiǎn)便，具有較高的設(shè)計(jì)效率，能夠有效縮短實(shí)際產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在利用CREO軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要認(rèn)真考慮變量的取值范圍，在需要時(shí)，可進(jìn)行多次優(yōu)化計(jì)算，從而達(dá)到最優(yōu)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］石彩華.翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在高職機(jī)械CAD課程中的實(shí)踐應(yīng)用研究［J］.軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)）.2014，（11）.

［2］姜偉剛，王超.機(jī)械制圖中PROE軟件的應(yīng)用探析［J］.醫(yī)療裝備.2014，（12）.

［3］王洪鍵，張曉光.PRO/E仿真在桿自驅(qū)動(dòng)技術(shù)上的應(yīng)用［J］.裝備制造技術(shù).2013，（03）.

［4］周川，李奉香.基于PRO/E的凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真及分析［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程.2011，（02）.

［5］武艷慧.Pro/ENGINEER在機(jī)械原理教學(xué)中的應(yīng)用［J］.農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化.2010，（03）.

［6］伍紅梅.基于Pro/E的數(shù)控功能部件運(yùn)動(dòng)仿真研究［D］.合肥工業(yè)大學(xué)，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

中圖分類(lèi)號(hào)：TH112

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）03-0249-03

收稿日期：2015-12-12

作者簡(jiǎn)介：申軍偉（1985-），男，河南林州人，碩士研究生，助教，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。