張軍，何芳

（長(zhǎng)江師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，重慶涪陵408100）

基于ANSYS一種轉(zhuǎn)運(yùn)小車關(guān)鍵件有限元分析

張軍，何芳

（長(zhǎng)江師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，重慶涪陵408100）

以一種轉(zhuǎn)運(yùn)小車作為研究對(duì)象，對(duì)小車基本結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵件車架進(jìn)行了分析。運(yùn)用軟件ANSYS Workbench，建立車架的有限元模型。對(duì)小車車架的靜力學(xué)進(jìn)行分析，求解車架的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，對(duì)車架的承載能力進(jìn)行了驗(yàn)證。通過對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，得到車架的固有頻率和振型圖，分析了車架的固有頻率和振型對(duì)該轉(zhuǎn)運(yùn)小車運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)特性的影響。

轉(zhuǎn)運(yùn)小車；Workbench；靜力學(xué)分析；模態(tài)分析

工廠物流自動(dòng)化、柔性制造技術(shù)隨著工業(yè)4.0的提出逐漸發(fā)展成為一個(gè)新的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域[1-3]。而自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)小車因其自動(dòng)化程度高，安全靈活在工廠物流自動(dòng)化、智能制造技術(shù)等領(lǐng)域里面起著至關(guān)重要的作用[4]。

本文以一種自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)小車為研究對(duì)象，對(duì)小車的承載關(guān)鍵件進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析，為小車在設(shè)計(jì)過程中提供理論依據(jù)。

1　轉(zhuǎn)運(yùn)小車工作原理

本文所研究的轉(zhuǎn)運(yùn)小車如圖1所示，主要由蓋板、車架、行車輪、電池箱、導(dǎo)航儀、驅(qū)動(dòng)單元等結(jié)構(gòu)組成。四個(gè)行車輪均勻布置在車架的四個(gè)角落，在小車行進(jìn)過程中主要起輔助小車保持平衡作用，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元由4個(gè)直流伺服電機(jī)提供動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)物流轉(zhuǎn)運(yùn)小車行走。該小車通過導(dǎo)航儀進(jìn)行坐標(biāo)定位，能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退、側(cè)移以及原地轉(zhuǎn)彎。因此，在現(xiàn)代制造生產(chǎn)車間以及物流行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。鑒于該小車在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中主要承擔(dān)貨物的重量，因此，在設(shè)計(jì)過程中為了保證該轉(zhuǎn)運(yùn)小車有足夠的承載能力和在運(yùn)動(dòng)過程中擁有良好的動(dòng)態(tài)特性，因此，在設(shè)計(jì)過程中必須對(duì)該小車車架進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。小車關(guān)鍵件車架三維模型如圖2（a）所示。該車架采用邊長(zhǎng)為50 mm的方管通過焊接而成，該車架總長(zhǎng)1 800 mm，總寬1 250 mm.具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖2（b）所示。

圖1　轉(zhuǎn)運(yùn)小車結(jié)構(gòu)圖

圖2　小車關(guān)鍵件（車架）

2　車架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析

2.1有限元模型建立

對(duì)該轉(zhuǎn)運(yùn)小車的工作條件和承載能力進(jìn)行分析，通過靜力學(xué)分析對(duì)小車車架在承載情況下的變形情況，對(duì)小車車架尺寸是否合理以及是否能夠正常工作進(jìn)行判別。為了提高有限元分析的可行性和效率，去掉車架的連接螺栓等小部件，通過PRO/E軟件對(duì)小車車架進(jìn)行三維建模，將模型保存為（*.igs）格式的文件，導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，在材料庫(kù)中自定義整個(gè)模型的材料為45#鋼，彈性模量為E=2.09×105MPa，密度D=7 890 kg/m3；泊松比μ=0.269.利用Workbench中網(wǎng)格控制命令設(shè)置網(wǎng)格的尺寸為10 mm.

2.2靜力學(xué)分析

由于轉(zhuǎn)運(yùn)小車在工作過程中需要承受較大載荷，而小車車架是轉(zhuǎn)運(yùn)小車的主要受力部件，通過對(duì)車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，找出車架的薄弱環(huán)節(jié)。先對(duì)車架與驅(qū)動(dòng)單元和行車輪連接處施加一個(gè)固定約束，而轉(zhuǎn)運(yùn)小車承受的載荷則簡(jiǎn)化為車架表面承受的載荷，施加一個(gè)載荷大小為2 t的載荷力。得到小車車架的總位移云圖和應(yīng)力云圖，如圖3和圖4所示。從車架位移云圖中，可以看出最大應(yīng)變發(fā)生在車架的邊緣處，大小為0.000 963 mm，應(yīng)變量非常小，完全滿足使用要求。從車架應(yīng)力云圖中可以看出小車車架受力相對(duì)比較均勻，最大的應(yīng)力發(fā)生在車架與行車輪接觸附近，大小為201.17 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于45#鋼的屈服極限，滿足要求。

圖3　車架位移云圖

圖4　車架應(yīng)力云圖

3　車架模態(tài)分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型[5]。模態(tài)分析亦即自由振動(dòng)分析，是求解結(jié)構(gòu)在無阻尼自由振動(dòng)情況下的振動(dòng)特性，即固有頻率和振型，避免在實(shí)際工況中因共振而造成結(jié)構(gòu)的損壞[6]?？紤]到轉(zhuǎn)運(yùn)小車在負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)過程中因地面不平整會(huì)受到一定的振動(dòng)沖擊的影響，因此，對(duì)該車架的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，就顯得非常重要。轉(zhuǎn)運(yùn)小車在工作過程中高階模態(tài)阻尼相對(duì)較大，對(duì)車架性能的影響較小，而低階模態(tài)對(duì)車架結(jié)構(gòu)的性能影響較大，在這里只提取前六階固有頻率和振型作為研究，如圖5所示。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖5　車架前六階振型圖

根據(jù)振型圖，可以得出：（1）第一階振型在YZ平面內(nèi)擺動(dòng)，第二階振型在YZ平面扭曲，第三階振型和第四階振型在XY平面扭曲，第五階振型和第六階振型在XY平面扭曲。（2）振幅最大位置主要發(fā)生在小車車架中間的骨架上。在設(shè)計(jì)過程中可以適當(dāng)增加車架方管的尺寸或者選用強(qiáng)度較大的材料以提高車架的抗振性能。（3）由于車架在低階振型中主要為擺動(dòng)和扭曲，各個(gè)方管連接處的容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)過程中可以適當(dāng)增加一些輔助裝置來保持車架的穩(wěn)定性。

4　結(jié)論

本文對(duì)一種轉(zhuǎn)運(yùn)小車的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析，以小車車架為研究對(duì)象，通過三維建模軟件PRO/E對(duì)其進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行了靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析。從靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析可以得出：小車車架在2 t載荷的作用下，車架的最大應(yīng)變和應(yīng)力發(fā)生在邊緣位置，應(yīng)力和應(yīng)變均滿足車架的使用要求。通過對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，得到了車架的前六階固有頻率和振型，發(fā)現(xiàn)車架主要振型為擺動(dòng)和扭曲，最大變形位置主要發(fā)生在車架中間，針對(duì)這種變形，在設(shè)計(jì)過程中，適當(dāng)增加車架方管的尺寸或者采用高強(qiáng)度的材料以提高車架的動(dòng)態(tài)性能，從而保證轉(zhuǎn)運(yùn)小車能夠正常進(jìn)行工作。

[1]任云星，馬世杰.AGV+工業(yè)機(jī)器人在精密搬運(yùn)中的運(yùn)用[J].山西電子技術(shù)，2016，（3）：51-52，57.

[2]馮星華.AGV及其控制系統(tǒng)研制[J].電子機(jī)械工程，2001，89（1）：31-33.

[3]王軍建，尚小輝.AGV小車技術(shù)及其在汽車制造行業(yè)的應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2016，（5）：187-189，199.

[4]周愛國(guó)，陸亮，陸敏恂.全方位移動(dòng)式AGV技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36（8）：10-14.

[5]凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS Workbench13.0從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[6]周愛國(guó)，陸亮，陸敏恂.新型位標(biāo)器轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)模態(tài)分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2010，（11）：121-124.

Finite Element Analysis of Key Parts of a Transport Trolley Based on ANSYS

ZHANG Jun，HE Fang
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Yangtze Normal University，F(xiàn)uling Chongqing 408100，China）

In this paper，a transport vehicle as the research object，the basic structure of the car and the key parts of the frame were analyzed.The finite element model of the frame was established by using the software Workbench ANSYS.The static analysis of the trolley frame is carried out to solve the stress and strain distribution of the frame，and the carrying capacity of the frame is verified.By modal analysis of the frame，the natural frequency and vibration mode of the frame are obtained，and the influence of the natural frequency and vibration mode of the frame on the dynamic characteristics of the moving vehicle is analyzed.

transport trolley；workbench；static analysis；modal analysis

TH114

A

1672-545X（2016）10-0015-03

2016-07-11

長(zhǎng)江師范學(xué)院科研資助項(xiàng)目（2013XJYB004，2014QN018）

張軍（1987-），男，重慶涪陵人，碩士研究生，主要從事機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)電一體化研究。