賈新鵬，袁鋒偉，黃貞普

（南華大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南衡陽 421000）

0 引言

機器人是衡量一個國家的創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競爭力的標準，同時也是一個國家科技的尖端技術(shù)，被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”[1]。隨著新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的蓬勃發(fā)展，自動導(dǎo)引小車（Automatic Guided Vehicle，AGV）應(yīng)用也大為擴展，不僅在物流行業(yè)、機械制造業(yè)、醫(yī)療生產(chǎn)、服務(wù)行業(yè)得到快速發(fā)展，而且在一些特殊環(huán)境中也得到很好的應(yīng)用，例如城市安全、核環(huán)境處理等有害和危險場合。而隨著應(yīng)用場合的增加，對AGV的承載能力和運行的控制精度有了更高的要求。

AGV的車架是承受載重、安裝輪系以及各類控制系統(tǒng)件的主要載體，設(shè)計時一方面考慮其最大承載力，保證其在最大載荷時車架結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)較大的彎曲變形，另一方面要優(yōu)化AGV車體結(jié)構(gòu)的尺寸來減少整車的慣性，使AGV的動力性能得以提高，減少摩擦損耗，從而提高AGV的能量利用效率[2]。大多數(shù)研究人員都是針對AGV的運動控制算法進行研究以此提高運動穩(wěn)定性而對機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化研究較少。例如蔡業(yè)彬[3]在機械設(shè)計中做了模塊化設(shè)計的描述和分析，也只是針對具體功能設(shè)計的模塊，只需要將模塊安裝到現(xiàn)有車架結(jié)構(gòu)上以方便拆卸和維修；段文軍等[4]為立體化車庫設(shè)計中了兩種液壓式行走自動引導(dǎo)車的結(jié)構(gòu)，但卻沒有給出具體設(shè)計的結(jié)構(gòu)；艾青等[5]對AGV車的輪系的結(jié)構(gòu)進行了研究和分析，但主要是研究輪系對承重的影響。由此本文主要對車架機械結(jié)構(gòu)進行一種新的邊梁設(shè)計和優(yōu)化進行研究，并且市場上大多是一些輕載在2 t以下的AGV，且車架是AGV主要的承重載體。本文設(shè)計以車架最大載重量3 t為設(shè)計目標，對車架進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，運用ANSYS有限元進行分析。

1 AGV車架原理設(shè)計

1.1 車架設(shè)計要求

AGV車架相當于汽車底盤，是AGV機械系統(tǒng)的關(guān)鍵部分[6]。車架的設(shè)計基本原則是車架布局簡單，便于加工。車架的合理化設(shè)計會有利于其他的動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和一些傳感器零部件的安裝，而不會發(fā)生干涉；車架的輕量化設(shè)計則有利于提高小車運動速度和運動過程穩(wěn)定性，而提高小車工作效率。但最重要的是要小車車架在路面平整運動、靜止和路面凹凸不平要能夠滿足承載一定要求的重物，發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，所以對結(jié)構(gòu)的強度、剛度設(shè)計要達到一定標準。

1.2 車架模型要求

此次AGV車架采用的是邊梁式上下雙層設(shè)計如圖1所示，采用的Q235空心方管構(gòu)成車架的主體結(jié)構(gòu)。方管是由Q235熱軋或冷軋帶鋼或者卷板為母材經(jīng)冷彎曲成型再經(jīng)高頻焊接制成的方興截面尺寸的型鋼。邊梁的上層可進行多種方式設(shè)計，既可以在梁上搭建1～3 mm鋼板或者鋁合金板用來運輸承載重物，也可以將上層改裝鉚接安裝提升轉(zhuǎn)向裝置和升降裝置等。下層起到支撐主體結(jié)構(gòu)并且用來承載電池質(zhì)量和其他的系統(tǒng)重量。同時在方鋼上留有大量的小孔以便之后裝載加強板和其他的控制系統(tǒng)等通過螺栓連接到車架上[7]。輪系選擇了兩個驅(qū)動輪和4個萬向輪，在車架的四角裝載4個支撐輪用來承受主要載荷。在車體腹部安裝兩個驅(qū)動輪承擔其中一部分載荷，驅(qū)動輪不僅可以為小車的運動提供驅(qū)動力，而且在受載時分擔一部分載荷，從而增大了整車承重。

圖1 AGV車架三維模型

1.3 車架三維建模

車架梁采用的Q235空心方管。Q235是工程中經(jīng)常使用最為廣泛的一種材料，其中材料的彈性模量E=2.0×105MPa，密度ρ=7 850 kg∕m3，泊松比μ=0.3。車架設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸長度為1 000 mm，寬度為480 mm，高度為290 mm。雙層車架分為主副車架，主車架由前后各兩根主支撐柱支撐，兩根主邊縱梁及4根主橫梁構(gòu)建組成，起主要的承載作用。副車架由兩根副的橫梁、4根下邊縱梁、兩根副邊縱梁及4根副支撐柱組成起到固定和加強結(jié)構(gòu)作用，同時用于安裝輪系、驅(qū)動裝置、動力裝置和控制系統(tǒng)等。梁結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 車架梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 車架有限元模型和性能分析

有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬[8]。利用簡單而又相互作用的單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)[9]。將模型做簡化后，用簡單模型的問題代替復(fù)雜模型問題后再求解，將求解的區(qū)域看成是由許多有限元的小的互相關(guān)聯(lián)區(qū)域組成，對每個小的區(qū)域求的一個合適近似解，然后推導(dǎo)求解區(qū)域總的滿足條件，從而得到復(fù)雜模型問題的近似解。用來做有限元分析常用軟件有很多如可以分析機械、電磁、流體力學(xué)等多學(xué)科的ANSYS；電機有限元分析軟件NASTRAN；多物理場耦合計算方面的COMSOL Multiphysics等。本文采用的分析軟件是ANSYS的平臺中的Workbench進行分析處理。Workbench操作簡單，易于上手，可以直接設(shè)置計算參數(shù)，如設(shè)計尺寸、工程材料或運行工況等，然后提交給希望的底層求解器求解[10]。仿真結(jié)果在Workbench中的分析模塊Solution中得到結(jié)果。

車架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計完畢后，需要對其承載能力進行更加準確地評估，研究其在承受最大載重時的應(yīng)力分布情況、變形分布等數(shù)據(jù)，判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，并進行尺寸優(yōu)化，所以，需要進行有限元分析[11]。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析和校核強度、剛度是利用經(jīng)典力學(xué)理論進行分析計算，因此有計算復(fù)雜、耗時長和如果中間出現(xiàn)差錯難以發(fā)現(xiàn)錯誤點等問題。而利用有限元分析軟件對AGV車架結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力、變形分析和尺寸優(yōu)化，花費時間會更少，降低結(jié)構(gòu)使用成本，快速完成AGV車架結(jié)構(gòu)的分析任務(wù)，來確保AGV車體結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性、合理性及可靠性[12]。

2.1 車架有限元建模

利用三維軟件Solidworks繪制車架的三維模型結(jié)構(gòu)圖時，為降低之后有限元分析網(wǎng)格劃分難度，對車架結(jié)構(gòu)模型做適當簡化：忽略對車架結(jié)構(gòu)彎曲變形和應(yīng)力分布影響較小的非承載構(gòu)件[13]；忽略縱橫梁上的非連接孔；忽略半徑較小的倒圓角及小孔；忽略輪系用固定約束來代替，為更好地得到有限元網(wǎng)格質(zhì)量。將Solidworks繪制的模型導(dǎo)入到仿真分析軟件ANSYS的Workbench中去進行仿真分析。本文對一些預(yù)留鉚接孔、焊縫、圓角等可能發(fā)生應(yīng)力奇異的地方進行了簡化，選擇綁定接觸方法，簡化的結(jié)構(gòu)模型有利于提高有限元分析時效率和分析時避免產(chǎn)生應(yīng)力奇異性。

AGV小車在工作時有彎曲、轉(zhuǎn)彎、啟動和停止多種工況，本文主要對AGV滿載時最惡劣工況——彎曲工況進行靜態(tài)計算分析，在有限元分析軟件上對其進行網(wǎng)格劃分，并對這種工況進行約束條件和施加載荷，仿真分析過程驗證設(shè)計的合理性。車架滿載時所受主要載荷是車架自重、載物質(zhì)量、電池質(zhì)量和其他系統(tǒng)質(zhì)量，其他的一些質(zhì)量相對較小可忽略，最后并不影響分析結(jié)果。其中車架自重以重力形式施加，貨物質(zhì)量平均施加到上層車架的表面，電池質(zhì)量和其他系統(tǒng)質(zhì)量平均施加到副車架的縱梁上。考慮到不平路面的影響，取動載系數(shù)為1.2，AGV各載荷大小如表2所示。

表2 AGV載荷表

使用Workbench對AGV車架模型進行網(wǎng)格劃分，工程中的梁網(wǎng)格大小一般在5～10 mm，本項目設(shè)置網(wǎng)格的平均大小為8 mm。車架支撐柱采用Solid186單元，整體橫梁、縱梁和用于安裝驅(qū)動裝置和萬向輪的部位采用Solid187單元。因為Solid186單元具有計算速度快，生成網(wǎng)格時間短，Solid187單元具有非常強的非線性分析能力。劃分網(wǎng)格情況如圖2所示，全車架共生成476 670個節(jié)點，20 829個單元。劃分完成后檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，避免求解出錯?？梢酝ㄟ^位移變化來驗證網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格精度對位移影響很小，如果改變網(wǎng)格精度，其位移不發(fā)生變化證明網(wǎng)格質(zhì)量良好，其次也可以對照網(wǎng)格評估標準理想數(shù)值說明網(wǎng)格質(zhì)量如表3所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

表3 網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果

車架整體自身重力通過standard earth gravity施加，車架受載重力通過force的形式分別平均施加到主車架的縱梁和橫梁上，將電池重力和其他系統(tǒng)重力通過force的形式分別平均施加到副車架的前后縱梁上。兩根支撐柱之間處副車架橫梁4個底板方塊通過4個萬向輪與地面接觸，因此在4塊方板底部進行約束；在車架下層的縱梁之間安裝驅(qū)動裝置及驅(qū)動輪，驅(qū)動輪與地面接觸，通過驅(qū)動裝置支撐車架，因此在簡化后的驅(qū)動裝置處施加約束；其余各個梁及板之間采用綁定接觸的方式處理。力與邊界條件施加后模型如圖3所示。

圖3 車架載荷和約束

2.2 力學(xué)結(jié)果分析

運用ANSYSWorkbench分析車架的剛度和強度，在良好路面下小車靜止和勻速運動時，小車的車輪全部與地面接觸處于同一水平面，受到地面的約束而車架產(chǎn)生的彎曲的工況仿真分析。在最大等效應(yīng)力處進行網(wǎng)格的無關(guān)化處理，得出車架的結(jié)構(gòu)變形量和應(yīng)力分布情況，求解結(jié)果如圖4所示。從圖中計算結(jié)果可以明顯地發(fā)現(xiàn)車架大部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都在100 MPa以下。由于鋼結(jié)構(gòu)對于焊接的焊縫可能會導(dǎo)致應(yīng)力集中，所以在車架的支撐柱、橫梁、縱梁的交接處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處的最大等效應(yīng)力達到了141.95 MPa。在梁的連接處會出現(xiàn)應(yīng)力奇異，可以直接忽略。在支撐柱上應(yīng)力分布比較小，其余最大的應(yīng)力出現(xiàn)在主車架的縱梁和橫梁中間處，最大等效應(yīng)力值為77.122 MPa。查閱相關(guān)文獻可知Q235鋼材的屈服強度為235 MPa，安全系數(shù)為1.5。根據(jù)式(1)得:

圖4 優(yōu)化前各結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

式中：[σ]為許用應(yīng)力；σs為鋼材料的屈服強度；S為鋼材料安全系數(shù)。

由于發(fā)生應(yīng)力集中地方并非重要的部位且發(fā)生在焊接部位，而計算機軟件的結(jié)構(gòu)分析也受很多影響，其中包括劃分網(wǎng)格時，網(wǎng)格的劃分可能在圖形的尖角區(qū)域不能完美實現(xiàn)，因此應(yīng)力集中將存在。但試圖通過安全系數(shù)來解決應(yīng)力集中的問題，這可能會把結(jié)構(gòu)設(shè)計推入一個萬劫不復(fù)的境地，因為設(shè)計不出一個可以承受拉力的、理論上足夠安全的結(jié)構(gòu)，因此忽略掉應(yīng)力集中產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力值。所以車架的強度滿足要求。

由變形分析云圖可知，車架最大變形量出現(xiàn)在主車架的中間兩根橫梁為0.458 7 mm，其他位置的變形都在0.40 mm以內(nèi)。彎曲剛度是單位力所產(chǎn)生的位移的變化，因此次車架彎曲剛度為90 000 N∕mm。根據(jù)載貨汽車的設(shè)計準則，小于車間軸距的2%則滿足設(shè)計要求。

說明車架具有較大的剛度，具有抵抗車架一般變形的能力。由計算結(jié)果可知，其剛度設(shè)計也滿足車架要求。

3 車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從第2節(jié)所述應(yīng)力及變形分析結(jié)果已知，最大等效應(yīng)力主要發(fā)生在支撐柱和橫、縱梁的焊接處，此處發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。而位于其他部位的最大應(yīng)力不到許用應(yīng)力的一半，說明了結(jié)構(gòu)的設(shè)計還有很大的盈余可以進行優(yōu)化。而通過在支撐柱處增加加強筋以此減少應(yīng)力集中現(xiàn)象同時減小空心方鋼管的厚度來減輕質(zhì)量，進一步實現(xiàn)小車的輕量化設(shè)計。優(yōu)化后車架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后車架結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可以承擔支撐柱的一部分應(yīng)力集中，明顯的提高支撐力，降低應(yīng)力集中，優(yōu)化前的車架結(jié)構(gòu)為44 kg，優(yōu)化后的車架質(zhì)量為38 kg，質(zhì)量減少了14%，由此可見優(yōu)化的方案可以實施，為之后的輕量化優(yōu)化提供一定的結(jié)構(gòu)支撐依據(jù)，優(yōu)化后空心方鋼管的參數(shù)規(guī)格如表4所示。

表4 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)

將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)導(dǎo)入ANSYSWorkbench中進行彎曲工況分析，有限元靜力分析結(jié)果如圖6所示。優(yōu)化后的最大變形位置和變形量基本沒有發(fā)生變化，依舊發(fā)生在中間的主橫梁的中間位置；應(yīng)力集中依舊發(fā)生在支撐柱和縱梁、橫梁的交接處，最大等效應(yīng)力為149.74 MPa；除應(yīng)力集中處，最大的等效應(yīng)力出現(xiàn)在中間的支撐柱的加強筋附近，最大等效應(yīng)力為107 MPa。

圖6 優(yōu)化后各結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

通過分析優(yōu)化后結(jié)果可知，優(yōu)化后在彎曲工況下的應(yīng)力強度和變形量均滿足設(shè)計的要求，而且很大程度上減輕了車架的質(zhì)量，鋼材的用量降低，從而可以提高小車的穩(wěn)定性和靈活性，因此確認此優(yōu)化的方案可行性。

4 結(jié)束語

通過研究AGV（自動導(dǎo)引小車）車架結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，設(shè)計出主副車架搭配雙層邊梁式車架，下層用于安裝其他結(jié)構(gòu)和零部件，上層既可以承載重物也可以安裝其他裝置，實現(xiàn)多功能應(yīng)用。采用Solidworks完成車架結(jié)構(gòu)三維建模，并且參照相關(guān)的標準采用ANSYSWorkbench完成了車架有限元的分析。仿真結(jié)果表明該車架采用的鋼結(jié)構(gòu)強度和剛度滿足設(shè)計要求。通過對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，改善應(yīng)力集中問題并且為車架減重了14%質(zhì)量，結(jié)構(gòu)性能依然滿足彎曲工況下的強度及剛度要求，為以后車架設(shè)計提供了理論依據(jù)。