En este estudio, se combinan experimentos de materiales y de estrés dinámico con simulaciones de elementos finitos (FE) para revelar el mecanismo de fractura del aparato de elevación de ejes, y se propone un esquema de optimización del diseño estructural basado en el modelo de Kriging de doble capa. El mecanismo de fractura del aparato de elevación de ejes se aclara primero a través del análisis de materiales de pruebas de estrés macro/micro y dinámico. Luego se realizan análisis de resistencia estática y modal para perfeccionar el análisis del mecanismo en términos de rendimiento estructural. Finalmente, se propone un método de optimización de diseño eficiente, robusto y de fatiga basado en el modelo de Kriging de doble capa y el algoritmo genético de clasificación no dominada II (NSGA-II) mejorado para mejorar el esquema de diseño original. Para la fractura del mecanismo de elevación de ejes, se encuentra la fuente de la grieta en la superficie del filete de transición del gancho de elevación y el anillo de elevación, donde la fractura presenta características de fatiga de alta ciclo, baja tensión y multisource bidireccional. Se revela además que la fatiga por vibración que ocurre en el punto de máxima tensión es la principal causa de la fractura. La efectividad del método de optimización de diseño propuesto se valida a través de un análisis comparativo.