高功率船舶柴油机曲柄连杆机构优化设计研究
摘要
随着高功率船舶柴油机成为发展趋势，曲柄连杆机构所面临的应力集中和疲劳可靠
性等问题逐渐锐化。因此，针对高功率船舶柴油机开展曲柄连杆机构优化设计变得至关
重要。该项研究可以改善疲劳强度和可靠性，实现轻量化，提高功率密度和经济效率。
本文采用子结构法和有限元缩减技术开展曲轴疲劳可靠性分析，最小安全系数为2.209。
该曲轴在运行过程中虽然具有较高的可靠性，但存在过大的设计裕度。本文基于拓扑优
化提出轻量化曲轴，并开展圆角优化揭示了圆角结构对安全系数的影响规律。完成曲轴
多目标优化后，实现减重6.3%，安全系数提高7%，最小值为1.88。因此，优化后的曲
轴在运行中不仅能够保证安全性，而且具有合适的设计裕度。此外，基于曲轴研究数据
和BP-GA算法，本文建立了圆角优化模型。通过与传统方法对比计算结果，优化模型
的分析精度高达96%，足以保证结果的准确性，对船舶动力领域关重件的设计和优化具
有重要意义。
作为相互配合的两个部件，优化曲轴会改变连杆的动力学特征。因此，完成曲轴多
目标优化后，需开展连杆疲劳强度分析和结构优化。本文采用瞬态应力计算技术分析了
螺栓预紧力对连杆应力的影响，揭示了两者之间的影响规律。过大或过小的螺栓预紧力
均会对连杆疲劳强度产生负面影响。螺栓预紧力为80kN时，安全系数从1.33提高到
1.97，可有效解决连杆断裂故障。将分析结果分为数据集和验证集，采用交叉验证方法，
提出了两者之间的拟合公式。最终，基于实机故障分析验证了仿真研究的正确性。通过
对曲柄连杆机构的强度分析和结构优化，本文所提供的科研数据对新机型开发设计具有
重要意义。
关键词：船舶柴油机；曲柄连杆机构；疲劳分析；结构优化
高功率船舶柴油机曲柄连杆机构优化设计研究
Abstract
Withtheincreasingtrendofhigh-powermarinedieselengines,theissuesofstress
concentrationandfatiguereliabilityinthecrankshaftconnectingrodmechanismhavebecome
moreprominent.Therefore,itiscrucialtocarryoutoptimizationdesignforthecrankshaft
connectingrodmechanismofhigh-powermarinedieselengines.Thisresearchaimstoimprove
fatiguestrength,reliability,achievelightweightdesign,andenhancepowerdensityand
economicefficiency.Inthisstudy,thesubstructuremethodandfiniteelementreduction
techniqueareemployedtoanalyzethefatiguereliabilityofthecrankshaft,yieldingaminimum
safetyfactorof2.209.Althoughthecrankshaftexhibitshighreliabilityduringoperation,ithas
excessivedesignmargin.Basedontopologyoptimization,thispaperproposesalightweight
crankshaftandconductsfilletoptimizationtorevealtheinfluenceoffilletstructureonthesafety
factor.Aftercompletingthemulti-objectiveoptimizationofthe