第1期（总第234期） 2018年2月
车用发动机 VEHICLE ENGINE
基于响应面法的内燃机曲轴优化
王虎，洪锦，裴精精
（合肥工业大学机械工程学院，安徽合肥230009）
No (Serial No 234 )
Feb2018
摘要：针对内燃机曲轴的结构强度问题，以内燃机实际运行工况下整体曲轴有限元仿真为基础，通过中心组合
试验方法进行采样，运用最小二来法、显著性分析和拟合精度检测，构建并修正了曲轴结构强度计算的响应面模型，选择关键几何结构参数为设计变量，采用模拟退火与直接搜索相结合的协同优化方法对响应面模型进行优化。对某内燃机曲轴的优化算例表明，该优化方法能大大提高曲轴设计的优化效率，具有较高的精度。
关键词：曲轴强度；中心组合试验方法；响应面法；优化设计 DOI: 10 3969 /j issn 1001-2222 2018 01 004
中图分类号：TK42331
1文献标志码：B
文章编号：1001-2222(2018)01-0021-05
曲轴作为内燃机动力转换和传递的核心部件，其结构强度在很大程度上决定了内燃机的可靠性和寿命，因此，对曲轴结构强度的安全考核是内燃机设计过程中的一项重要内容。为使曲轴强度的预测更加准确，曲轴的设计更加合理，国内外研究人员主要从试验测试和仿真计算两方面开展研究工作"。对实际运行中的曲轴进行强度测试，难度大、精度难保证，而且以测量分散的点数据为主，无法获得曲轴整体的应力状况，对最危险部位的预测仍以实际经验判断为主。试验测试一般均在成品中进行，很难在设计阶段应用。随着数值方法和计算机技术的发展，对曲轴的计算分析也由简化的简支梁法、连续梁法逐渐发展到整体曲轴的有限元法2-6」，实践证明基于有限元法对曲轴进行结构分析和优化是曲轴设计分析最有力的工具之一。
基于数值方法的内燃机曲轴优化研究主要分两
种：第一种是通过对若十预设尺寸曲轴数值结果的比较获得较优解[2-4」；第二种是以数值计算为基础，通过试验设计、拟合近似和优化方法相结合来获得最优化方案[5-6.8。显然，第二种方案更准确更完善，它将数值模拟、优化方法通过试验设计和近似拟合有效结合在一起，适用面更广，可选择的方法组合更丰富，针对性更强。本研究采用有限元、响应面法和协同优化的组合，对曲轴进行优化设计。研究中充分考虑了内燃机的实际工况，对曲轴进行有限元整体建模，再通过中心组合试验设计采样，结合最小二
收稿日期：2017-09-22；修回日期：2018-01-02
乘法和显著性分析，构建曲轴结构参数与最大应力及最大变形量的响应面近似模型，运用协同优化算法对其进行优化求解。
曲轴有限元模型 1
1.1几何模型和网格划分
研究以某直列4缸、水冷、缸径105mm柴油机
曲轴为研究对象，主要结构参数见表1。首先在 CATIA中建模，后导人Ansys分析平台。有限元模型采用十节点四面体S0LID187单元，共有 360776个节点，245209个单元。
表1曲轴主要结构参数
连杆轴颈直主轴颈直径连杆轴颈圆角
主轴颈圆角
径D1/mm
D2/mm
半径R1/mm半径R2/mm
66
80
12边界条件处理
4
3
曲轴模型中添加的载荷边界包括轴颈表面压力、曲轴旋转惯性力、重力、主轴颈支反力等。
依据有限宽滑动轴承润滑油膜压力分布特点，沿曲轴连杆轴颈及主轴颈轴线方向载荷分布采用二次抛物线模型；沿轴颈圆周方向以接触点为中心 120°范围采用余弦分布模型[2.1（见图1)。
曲轴连杆轴颈轴向载荷分布：
1-a)）
q(x,0)=
(1一、 16RL
式中：x=—～L;—～;Z为作用在该轴
33
作者简介：王虎（1972一），男，副教授，硕士生导师，博士，研究方向为机械设计方法；wanghu3000163eom，