1、单位代码：1 0359 学 号： 201111030133 密 级： 公 开 分 类 号 ： TK4 Hefei University of Technology硕士学位论文MASTERS DISSERTATION论文题目： 基于有限元分析的曲轴多学科 设计优化 学位类别： 学 历 硕 士 专业名称： 机械设计及理论 作者姓名： 裴 精 精 导师姓名： 王 虎 副 教 授 完成时间： 2014 年 04 月 II合 肥 工 业 大 学学历硕士学位论文基 于 有 限 元 分 析 的 曲 轴 多 学 科 设 计 优 化作者姓名： 裴 精 精 指导教师： 王 虎 副 教 授 学科专业： 机械设计及理
2、论 研究方向： 数字化设计及现代设计理论 （包括虚拟设计） 2014 年 04 月A Dissertation Submitted for the Degree of MasterThe Multidisciplinary Design Optimization of Crankshaft Based Finite Element AnalysisByPei JingjingHefei University of TechnologyHefei, Anhui, P.R.ChinaApril, 2014IVI致 谢谨以此文对多年来所有给予我关心、帮助、指导的人表示感谢。本论文是在我的导师王虎副教
3、授的悉心指导和亲切关怀下完成。在近三年研究生期间，王老师无论在学习上还是生活中都给了我很大的帮助，在此论文完成之际，我要向王老师表示最诚挚的感谢和最崇高的致意！王老师的学识渊博、治学严谨，在科研中他所表现出的严肃认真、一丝不苟和严谨的治学态度和高度的责任心深深地影响和激励着我，让我受益匪浅，他将是我一生学习的榜样。感谢 420 实验室的各位师兄弟姐妹以及同窗好友，三年来，我们一起学习奋斗，互相帮助促进，使我三年的研究生生活丰富多彩。感谢好友孙磊、陈黎阳、李占卫、王凯在学习和生活中给予我的指导和帮助，因为有了你们的帮助和支持，我才能在求学的道路上一路前行。感谢女朋友孙柳这三年来的陪伴和在生活上对
4、我的关心和理解，谢谢！最后要特别感谢我的父母和家人。你们的爱深如大海、重如泰山，作为我一直奋斗下去的精神支柱，你们的爱、理解和包容静静地一直陪伴着我，今天我的点点滴滴所成无不凝聚了你们的心血，祝您们永远健康幸福快乐！作者：裴精精2014 年 4 月 19日II摘 要曲轴作为内燃机中最重要、载荷最大的零件之一，其设计的好坏不仅直接决定了内燃机的整体尺寸和重量，而且在很大程度上也决定了内燃机的可靠性和寿命。曲轴的设计往往涉及到热力学、系统动力学、流体力学等多个学科，多学科之间互相交叉耦合，具有明显的多学科特点。本文在对曲轴进行有限元分析的基础上，以多学科设计优化理论为背景，对其在内燃机曲轴上的应用
5、进行了研究。曲轴与连杆、活塞组成曲柄连杆机构，从而将活塞连杆组传来的气体作用力转化为曲轴的旋转力矩并向外输出动力。对曲轴的分析不仅需要考虑缸内气体作用力、往复惯性力和旋转惯性力的作用，同时对曲轴所受的连杆推力、主轴承支撑力、所受扭矩的影响也应考虑在内。由于曲轴结构的特点，往往存在局部应力集中的现象。本文首先对多学科设计优化的内容和方法进行了详细介绍，提出了现有多学科设计优化方法存在的缺点和未来的发展方向。然后结合实际工况在Ansys 平台下对曲轴实现了仿真分析，同时为了寻找试验所需的样本点，进行了试验设计，通过回归分析，得到了曲轴结构参数和最大应力之间的回归方程，并探讨了两者之间的函数关系。最
6、后根据曲轴的实际工况建立了多学科设计优化的数学模型，在 Isight 平台下，选用合适的优化方法寻找满足条件的最优解。关键词：曲轴；多学科设计优化；试验设计；协同优化；有限元分析IIIABSTRACTCrankshaft, as the one of the most important parts applied load largely, is designed well or not, which directly determines the whole size and quality of the internal-combustion engine. More important
7、ly, it also determines the internal-combustion engines life and reliability. Crankshafts design usually is a multidisciplinary problem, including thermodynamics、system dynamics、fluid mechanics and so on. All these disciplines are cross-coupled, which has obvious characteristics of multidisciplinary.
8、 This paper makes a research about the application of Multidisciplinary Design Optimization on the crankshaft based on the finite element analysis and the MDOs theoretical knowledge.The crankshaft、connecting rod and piston form the crank connecting rod mechanism, which converts the gas force deliver
9、ed from the piston connecting rod set to rotating torque. The analysis of the crankshaft is not only about the gas force、 reciprocating inertia force and rotating inertia force, but also about the connecting rod force, spindle supporting force and torque. Because of crankshafts unique structure, it
10、has the stress concentration at certain region. Firstly, this paper describes Multidisciplinary Design Optimizations content in detail, such as its disadvantages and development direction. Then, this paper does some simulation analysis and Design of Experiment about crankshaft according to its actua
11、l working conditions. After knowing the regression equation, it analyses the relationship between the structure parameters and stress. At last, multidisciplinary optimization model is established in Isight, so that we can find the optimal solution by choosing the reasonable optimization algorithm.KE
12、YWORDS: Crankshaft; Multidisciplinary Design Optimization; Design of Experiment; Collaborative Optimization; Finite Element AnalysisIV目 录第 一 章 绪 论 .11.1 内 燃 机 曲 轴 多 学 科 设 计 优 化 的 研 究 意 义 .11.2 多 学 科 设 计 优 化 和 曲 轴 应 力 分 析 的 国 内 外 研 究 现 状 .21.2.1 多 学 科 设 计 优 化 的 研 究 现 状 .21.2.2 曲 轴 应 力 分 析 的 研 究 现 状 .
13、21.3 本 论 文 研 究 的 主 要 内 容 .3第 二 章 多 学 科 设 计 优 化 技 术 .52.1 多 学 科 设 计 优 化 的 分 类 及 研 究 内 容 .52.1.1 近 似 建 模 .52.1.2 系 统 灵 敏 度 分 析 .62.1.3 分 解 技 术 .62.1.4 MDO 算 法 .72.1.5 人 机 界 面 .92.2 MDO 的 应 用 .92.2.1 航 空 领 域 .102.2.2 汽 车 领 域 .102.2.3 工 程 领 域 .102.2.4 海 洋 工 程 .112.2.5 其 它 领 域 .112.3 多 学 科 设 计 优 化 的 主 要 问 题 .122.4 总 结 .12第 三 章 曲 轴 的 有 限 元 分 析 .133.1 曲 轴 整 体 模 型 的 建 立 .133.1.1 曲 轴 的 实 际 参 数 .133.1.2 模 型 的 简 化 .143.2 曲 轴 有 限 元 模 型 的 建 立 .153.2.1 单 元 类 型 的 选 择 .153.2.2 定 义 材 料 属 性 .163.2.3 有 限 元 网 格 的 划 分 .163.2.4 载 荷 状 况 的 确 定 .173.3 边 界 条 件 处 理 .18
