鄭明軍，趙晨磊，吳文江，楊 攝

（1.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊050043；2.石家莊鐵道大學(xué)教務(wù)處，河北石家莊050043）

移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人領(lǐng)域的重要分支，已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，其可在各種復(fù)雜惡劣環(huán)境中代替人類(lèi)進(jìn)行作業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景與重要價(jià)值［1‐2］。全地形移動(dòng)機(jī)器人因具有更加優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)性能，已成為目前的研究焦點(diǎn)。

車(chē)身作為移動(dòng)機(jī)器人的裝配、承載基體，連接著移動(dòng)機(jī)器人的各總成部件，承受來(lái)自車(chē)內(nèi)、外的各種載荷，其性能直接影響移動(dòng)機(jī)器人的操控性能和安全等［3］。一些學(xué)者［4‐5］利用有限元法分析了不同工況下車(chē)輛車(chē)身結(jié)構(gòu)的性能，確定了車(chē)身的薄弱部分，可為車(chē)身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)提供參考。相較于基于靜載荷作用的車(chē)身結(jié)構(gòu)分析，另有一些學(xué)者［6‐8］通過(guò)引入動(dòng)載荷系數(shù)，將靜載荷轉(zhuǎn)換為動(dòng)載荷，然后再對(duì)不同工況下車(chē)輛的車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化方法，在給定約束、負(fù)載與性能指標(biāo)的前提下對(duì)車(chē)身指定區(qū)域內(nèi)的材料分布進(jìn)行優(yōu)化，提升了優(yōu)化效果。

對(duì)于全地形移動(dòng)機(jī)器人這類(lèi)對(duì)地形適應(yīng)性較強(qiáng)的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，若僅基于車(chē)身所受的靜載荷確定動(dòng)載荷，則所得結(jié)果與車(chē)身實(shí)際所受的動(dòng)載荷存在較大差距。而通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)［9］分析可確定全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受載荷的動(dòng)態(tài)變化情況，由此可獲得其車(chē)身結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。但是，由于全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身所受載荷處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，故無(wú)法使用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。為了提升全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效率，筆者擬在對(duì)原始車(chē)身進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合車(chē)身的主要受載部位，提出4個(gè)局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，并采用多體動(dòng)力學(xué)、有限元分析與正交試驗(yàn)相結(jié)合的優(yōu)化方法來(lái)分析動(dòng)態(tài)載荷下4種因素對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)性能的影響，最終確定最佳優(yōu)化方案，以提升車(chē)身結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

1 全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身有限元模型建立

全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身采用箱式結(jié)構(gòu)，主體呈八邊形，4個(gè)短邊處各設(shè)有1個(gè)三角形懸架支座，每個(gè)懸架支座上均有3對(duì)鉸接孔，用于安裝雙橫臂獨(dú)立懸架及減震器；車(chē)身底部中間設(shè)有4個(gè)增高支柱，用于承受外部載荷。相較于傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人，全地形移動(dòng)機(jī)器人采用純電驅(qū)動(dòng)，車(chē)身內(nèi)部裝有2塊鋰電池，分別位于增高支柱左、右兩側(cè)。全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of all‐terrain mobile robot body

由于鋁合金兼具密度小和強(qiáng)度高的特點(diǎn)，近年來(lái)基于鋁合金的車(chē)身結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)逐漸成為研究熱點(diǎn)［10］。對(duì)比多種鋁合金材料的性能及加工成本，確定本文全地形移動(dòng)機(jī)器人的車(chē)身材料采用6061‐T6型鋁合金，其在室溫下的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別為300和330 MPa［11］，焊接強(qiáng)度可達(dá) 241.8 MPa［12］。根據(jù)全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身上各部件的安裝位置，可得其所受主要載荷，如表1所示。

表1 全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身所受主要載荷Table 1 Main load on the all‐terrain mobile robot body

將全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身三維模型導(dǎo)入Work‐bench軟件，定義材料屬性并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，根據(jù)車(chē)身結(jié)構(gòu)及受載部位進(jìn)行局部加密，如圖2所示。網(wǎng)格劃分后全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為313 500個(gè)，四節(jié)點(diǎn)單元數(shù)為159 215個(gè)，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.743，滿足分析要求。

圖2 全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身有限元模型Fig.2 Finite element model of all‐terrain mobile robot body

2 不同工況下全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身有限元分析

2.1 滿載彎曲工況

車(chē)輛彎曲工況是指車(chē)輛前后軸與地面平行時(shí)車(chē)身在垂直載荷作用下產(chǎn)生彎曲變形的狀態(tài)。結(jié)合實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況可知，滿載狀態(tài)下的全地形移動(dòng)機(jī)器人按最大越障能力進(jìn)行越障，越障時(shí)會(huì)經(jīng)歷前輪爬越障礙、后輪爬越障礙、前輪下落與后輪下落四個(gè)階段。由于各個(gè)階段均會(huì)產(chǎn)生較大的垂直動(dòng)載荷，為確保越障過(guò)程中全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的抗彎強(qiáng)度滿足要求，需了解車(chē)身的實(shí)際受載情況，以獲得滿載彎曲工況下車(chē)身結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能參數(shù)。

為此，首先建立滿載狀態(tài)下的全地形移動(dòng)機(jī)器人整車(chē)與障礙的三維模型，并將模型導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems，機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析）；然后設(shè)置全地形移動(dòng)機(jī)器人各部件的材料參數(shù)，并對(duì)各部件添加裝配約束；最后在全地形移動(dòng)機(jī)器人行走系統(tǒng)中添加驅(qū)動(dòng)，使其可完成完整的垂直越障過(guò)程。滿載狀態(tài)下的全地形移動(dòng)機(jī)器人越障模型如圖3所示。

圖3 滿載狀態(tài)下的全地形移動(dòng)機(jī)器人越障模型Fig.3 Obstacle surmounting model of all‐terrain mobile ro‐bot under full‐load

通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真分析，獲得了滿載越障過(guò)程中全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身各個(gè)承載部位所受載荷的變化情況。以前、后輪懸架下臂與懸架支座鉸接孔處垂直方向的受力為例，其隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。

圖4 滿載越障過(guò)程中全地形移動(dòng)機(jī)器人前、后輪懸架下臂與懸架支座鉸接孔處的受力Fig.4 Forces at the hinge holes between front and rear wheel suspension lower arms and suspension support of all‐terrain mobile robot during full‐load obstacle sur‐mounting process

將全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身各個(gè)受載部位的受力曲線導(dǎo)入Workbench軟件，并對(duì)車(chē)身添加對(duì)應(yīng)的約束條件。通過(guò)分析得到滿載越障過(guò)程中全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的最大應(yīng)力與最大變形量隨時(shí)間的變化曲線，如圖5所示。

圖5 滿載越障過(guò)程中全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的最大應(yīng)力與最大變形量變化曲線Fig.5 Variation curve of maximum stress and maximum de‐formation of all‐terrain mobile robot body during full‐load obstacle surmounting process

從圖5（a）中可以看出，在滿載越障過(guò)程中全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的最大應(yīng)力出現(xiàn)了4次階段性波動(dòng)，依次對(duì)應(yīng)上述4個(gè)越障階段。其中，由于后輪爬越障礙時(shí)全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身應(yīng)力的變化較小，這一階段車(chē)身最大變形量的變化并不明顯。在第12.75秒，即前輪下落后與地面接觸的時(shí)刻，全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的應(yīng)力達(dá)到最大，為181.53 MPa，此時(shí)車(chē)身的變形量最大，為4.51 mm。這一時(shí)刻（即滿載彎曲工況下）全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的應(yīng)力與變形云圖如圖6所示。

圖6 滿載彎曲工況下全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的應(yīng)力與變形云圖Fig.6 Cloud map of stress and deformation of all‐terrain mo‐bile robot body under full‐load bending condition

由圖6（a）可知，在滿載彎曲工況下，全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的最大應(yīng)力出現(xiàn)在底部增高支柱四周焊縫處。根據(jù)6061‐T6鋁合金材料的性能可知，其焊接強(qiáng)度為241.8 MPa，大于全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的最大應(yīng)力，安全系數(shù)為1.33。除焊接部位外，全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的最大應(yīng)力為161.36 MPa，位于懸架支座處，小于6061‐T6鋁合金的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)為1.86，說(shuō)明滿載彎曲工況下其車(chē)身結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。由圖6（b）可知，全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的最大變形出現(xiàn)在底板中部，為4.51 mm。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范可知，平臺(tái)板類(lèi)結(jié)構(gòu)的許用撓度為l/150（l為受彎構(gòu)件的跨度）。結(jié)合全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的尺寸可得，其許用撓度為l/150=600/150=4 mm，說(shuō)明滿載彎曲工況下其車(chē)身結(jié)構(gòu)不滿足剛度要求。

2.2 滿載扭轉(zhuǎn)工況

車(chē)輛扭轉(zhuǎn)工況是指在車(chē)輛行駛過(guò)程中因一側(cè)車(chē)輪懸空而另一側(cè)車(chē)輪抬起時(shí)車(chē)身前后發(fā)生扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)。設(shè)全地形移動(dòng)機(jī)器人左前輪懸空，其余3個(gè)車(chē)輪對(duì)應(yīng)的懸架支座固定。由于在行駛時(shí)存在動(dòng)載荷，取動(dòng)載荷系數(shù)為1.4。通過(guò)分析可得滿載扭轉(zhuǎn)工況下全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的應(yīng)力與變形云圖，如圖7所示。結(jié)果表明，該工況下全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的最大應(yīng)力為105.31 MPa，最大變形量為1.79 mm。

圖7 滿載扭轉(zhuǎn)工況下全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的應(yīng)力與變形云圖Fig.7 Cloud map of stress and deformation of all‐terrain mo‐bile robot body under full‐load torsion condition

由圖7（a）可知，滿載扭轉(zhuǎn)工況下全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的最大應(yīng)力出現(xiàn)在懸架支座加強(qiáng)筋與懸架支座焊接處，且焊接部位的最大應(yīng)力小于6061‐T6鋁合金材料的屈服強(qiáng)度，說(shuō)明滿載扭轉(zhuǎn)工況下其車(chē)身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。由圖7（b）可知，全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的最大變形位于底板中部，為1.79 mm，小于許用撓度l/150=600/150=4 mm，說(shuō)明滿載扭轉(zhuǎn)工況下其車(chē)身結(jié)構(gòu)的剛度滿足要求。

3 全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上文分析結(jié)果可知，在滿載彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度均滿足要求，但滿載彎曲工況下車(chē)身結(jié)構(gòu)的剛度不滿足要求。由應(yīng)力與變形云圖可知，全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身產(chǎn)生較大應(yīng)力和較大變形的位置均與主要受載部位有關(guān)。結(jié)合全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)及主要受載部位，考慮分別通過(guò)改變底板厚度、懸架支座厚度、懸架支座加強(qiáng)筋長(zhǎng)度以及在4個(gè)增高支柱周?chē)鲈O(shè)加強(qiáng)筋四方面對(duì)其車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

由于不同優(yōu)化方案對(duì)全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身受力造成的影響各不相同，盲目增大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不僅會(huì)增大車(chē)身質(zhì)量，也會(huì)增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和提高制造成本，因此需要尋找一種兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和車(chē)身質(zhì)量的最佳優(yōu)化方案。

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，往往有多種因素對(duì)優(yōu)化結(jié)果產(chǎn)生影響，且每個(gè)因素也存在差異，若進(jìn)行全面試驗(yàn)，試驗(yàn)的規(guī)模將極為龐大，導(dǎo)致試驗(yàn)難以實(shí)施［13］。為提高優(yōu)化計(jì)算效率，鑒于利用正交試驗(yàn)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化已得到廣泛應(yīng)用［14‐15］，故采用正交試驗(yàn)法對(duì)全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。這樣既能保證優(yōu)化質(zhì)量，也能減少試驗(yàn)次數(shù)［16］。

結(jié)合提出的優(yōu)化方案，確定本文的正交試驗(yàn)包含4個(gè)因素。對(duì)于某個(gè)因素，通常取3個(gè)水平來(lái)判斷該因素對(duì)最終試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，因此本文采用L9（34）表進(jìn)行正交試驗(yàn)，各因素的水平如表2所示。

表2 全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化正交試驗(yàn)因素水平表Table 2 Orthogonal test factor level table for body structure optimization of all‐terrain mobile robot

根據(jù)表2，對(duì)滿載狀態(tài)下的全地形移動(dòng)機(jī)器人越障過(guò)程進(jìn)行9次有限元仿真試驗(yàn)。由于全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)改變會(huì)導(dǎo)致其自身質(zhì)量發(fā)生變化，因此需針對(duì)每組方案單獨(dú)進(jìn)行越障仿真分析，獲得對(duì)應(yīng)的車(chē)身各受載部位的受力曲線并導(dǎo)入Workbench軟件，最終得到的正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal test results of body structure optimization of all‐terrain mobile robot

3.2 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的最佳優(yōu)化方案獲取

本文對(duì)全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了四因素三水平的正交優(yōu)化設(shè)計(jì)，共9組仿真試驗(yàn)。一般而言，可采用方差分析方法找出最佳優(yōu)化方案，但考慮實(shí)際方案共有34=81種，除上述9種試驗(yàn)方案以外，剩余方案對(duì)應(yīng)的結(jié)果未知，故難以獲得最佳優(yōu)化方案。而灰色關(guān)聯(lián)分析法可以依據(jù)各個(gè)元素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度來(lái)衡量各因素的關(guān)聯(lián)度［17］，其適用于全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化。

首先，將正交試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換為矩陣A：

由于正交試驗(yàn)結(jié)果中各試驗(yàn)指標(biāo)具有不同的物理意義，為了能夠進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，需對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行去量綱化處理。對(duì)于不同類(lèi)型的試驗(yàn)指標(biāo)，其去量綱化處理方式也有所差異。對(duì)于本文的正交試驗(yàn)，所有試驗(yàn)指標(biāo)均越小越好，故均按照式（2）進(jìn)行去量綱化處理。

式中：i=1，2，…，9；j=1，2，3。

矩陣A經(jīng)無(wú)量綱化處理后變?yōu)椋?/p>

針對(duì)全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化正交試驗(yàn)包含的9個(gè)方案，首先構(gòu)建一個(gè)理想方案，記為：

式中：s0j=max(r1j，r2j，…，r9j)，j=1，2，3。

然后，將理想方案設(shè)為參考序列，其與9個(gè)方案之間各試驗(yàn)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)可由式（5）求得：

式中：i=1，2，…，9；j=1，2，3；ρ=0.5。

經(jīng)計(jì)算可得，9個(gè)試驗(yàn)方案與理想方案間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣B為：

接著，設(shè)車(chē)身的最大應(yīng)力、最大變形量和質(zhì)量的權(quán)重系數(shù)分別為λ1、λ2和λ3，則試驗(yàn)方案與理想方案的灰色關(guān)聯(lián)度為：

最后，將表3中各試驗(yàn)指標(biāo)的值代入式（1）至式（6）進(jìn)行計(jì)算，獲得全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，如表4所示。

表4 全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 4 Grey correlation coefficient of test index of all‐terrain mobile robot body structure optimization

在全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，車(chē)身的最大應(yīng)力、最大變形量及質(zhì)量均越小越好，但考慮到車(chē)身應(yīng)力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，質(zhì)量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致越障難度增大，故將車(chē)身最大應(yīng)力與質(zhì)量的權(quán)重系數(shù)λ1、λ3設(shè)為0.4，則最大變形量的權(quán)重系數(shù)λ2=0.2。由此可獲得全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)方案與理想方案的灰色關(guān)聯(lián)度，如表5所示。

表5 全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)方案與理想方案的灰色關(guān)聯(lián)度Table 5 Grey correlation degree between test scheme and ideal scheme for all‐terrain mobile robot body structure optimization

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析法可知，灰色關(guān)聯(lián)度越大表示因素的水平與最佳值越接近。通過(guò)分析全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)各因素的平均灰色關(guān)聯(lián)度，可得各因素的平均灰色關(guān)聯(lián)度如表6所示。其中：車(chē)身底板最佳厚度為5 mm，懸架支座最佳厚度為2 mm，懸架支座加強(qiáng)筋最佳長(zhǎng)度為65 mm，增高支柱加強(qiáng)筋的最佳厚度為2 mm，即最佳參數(shù)組合為δ13δ21L1δ32。

表6 全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)各因素的平均灰色關(guān)聯(lián)度Table 6 Average grey correlation degree of each factor of all‐terrain mobile robot body structure

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)獲得的最佳參數(shù)組合，建立優(yōu)化后全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身三維模型，再次導(dǎo)入Work‐bench軟件并開(kāi)展?jié)M載彎曲與扭轉(zhuǎn)工況下車(chē)身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能有限元分析。最終得到的滿載彎曲及扭轉(zhuǎn)工況下全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身的最大應(yīng)力、最大變形量和質(zhì)量如表7所示。

表7 全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果Table 7 Optimization result of all‐terrain mobile robot body structure

根據(jù)表7結(jié)果可知，相較于原始方案，優(yōu)化后全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身在質(zhì)量減小6.93%的同時(shí)，車(chē)身的最大應(yīng)力出現(xiàn)在懸架支座焊接處，為158.881 MPa，減小了12.47%，且小于焊接強(qiáng)度241.8 MPa；車(chē)身最大變形量為2.632 mm，減小了41.69%，且小于許用撓度l/50=600/150=4 mm。由此可知，該優(yōu)化方案下全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度均滿足要求，其力學(xué)性能顯著提升。

4 結(jié) 論

使用多體動(dòng)力學(xué)與有限元分析相結(jié)合的方法，分析了全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)在滿載彎曲工況下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)，并結(jié)合滿載扭轉(zhuǎn)工況下車(chē)身的受力情況和受載部位，提出了4個(gè)局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向。通過(guò)正交試驗(yàn)、多體動(dòng)力學(xué)與有限元分析結(jié)合的優(yōu)化方法，確定了最佳優(yōu)化方案，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了最佳優(yōu)化方案的有效性，具體結(jié)果如下。

1）全地形移動(dòng)機(jī)器人原車(chē)身在滿載彎曲工況下的最大應(yīng)力為181.53 MPa，滿足材料強(qiáng)度要求，而最大變形量為4.51 mm，不滿足剛度要求；在滿載扭轉(zhuǎn)工況下，原車(chē)身的強(qiáng)度與剛度均滿足要求。

2）通過(guò)正交試驗(yàn)及灰色關(guān)聯(lián)分析法確定的全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身結(jié)構(gòu)最佳優(yōu)化方案為：底板厚度為5 mm、懸架支座厚度為2 mm、懸架支座加強(qiáng)筋長(zhǎng)度為65 mm及增高支柱增設(shè)2 mm厚加強(qiáng)筋。

3）相較于原始方案，優(yōu)化后全地形移動(dòng)機(jī)器人車(chē)身在質(zhì)量減小6.93%的同時(shí)，最大應(yīng)力減小了12.47%，最大變形量減小了41.69%。結(jié)果表明所采用的優(yōu)化方法對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)性能的改進(jìn)具有一定的有效性。相較于其他優(yōu)化方式，這種結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)、有限元分析與正交試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法更具針對(duì)性與高效性，可為其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能優(yōu)化提供參考。