胡忠義　黃雪濤　許永超　劉子豪　王憲成

摘要：為解決自動(dòng)導(dǎo)向運(yùn)輸車(chē)（automated guided vehicle，AGV）車(chē)架在使用中出現(xiàn)裂紋的問(wèn)題，基于Solidwork建立車(chē)架有限元模型，采用Hypermesh對(duì)車(chē)架彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、轉(zhuǎn)彎工況、制動(dòng)工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，確定危險(xiǎn)工況及應(yīng)力集中部位；增加車(chē)架中間縱梁、第3橫梁、第6橫梁的槽鋼厚度，在第3橫梁、第6橫梁與縱梁交叉處設(shè)置加強(qiáng)筋，并對(duì)優(yōu)化后車(chē)架的扭轉(zhuǎn)工況、轉(zhuǎn)彎工況進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。結(jié)果表明：優(yōu)化后車(chē)架的扭轉(zhuǎn)工況和轉(zhuǎn)彎工況的最大應(yīng)力均降低，安全因數(shù)符合設(shè)計(jì)要求；優(yōu)化后車(chē)架不再發(fā)生低頻共振，解決車(chē)架裂紋故障。

關(guān)鍵詞：AGV車(chē)架；有限元分析；靜力學(xué)分析；模態(tài)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）05-0087-06

引用格式：胡忠義，黃雪濤，許永超，等.AGV車(chē)架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（5）：87-92.

HU Zhongyi， HUANG Xuetao， XU Yongchao， et al. Finite element analysis of AGV frame and its optimization［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：87-92.

0 引言

自動(dòng)導(dǎo)向運(yùn)輸車(chē)（automated guided vehicle，AGV）是一種應(yīng)用在園區(qū)的自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)輸工具[1-2]，該車(chē)具有自動(dòng)升降和自行走功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控起動(dòng)、轉(zhuǎn)向、加速和制動(dòng)，具有操作靈活、安全可靠、適應(yīng)力強(qiáng)的特點(diǎn)[3]。由于運(yùn)輸車(chē)車(chē)架承受貨物載荷和路面反饋的各種力和力矩，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中保證AGV車(chē)架的強(qiáng)度和剛度非常重要[4-5]。Kim等[6]使用有限元方法對(duì)車(chē)架進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析計(jì)算，優(yōu)化車(chē)架結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了有限元法在優(yōu)化車(chē)架結(jié)構(gòu)上的有效應(yīng)用；銀俊鷹[7]運(yùn)用有限元軟件對(duì)自卸車(chē)車(chē)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，確定最大應(yīng)力部位及故障部位；劉倫倫等[8]對(duì)車(chē)架進(jìn)行靜應(yīng)力分析和模態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)車(chē)架輕量化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)貨車(chē)車(chē)架研究較多，但關(guān)于AGV車(chē)架典型工況下的分析研究較少。

針對(duì)某AGV車(chē)架在使用中出現(xiàn)裂紋的問(wèn)題，本文中基于Solidwork軟件建立AGV車(chē)架有限元模型，采用Hypermesh對(duì)4種典型工況進(jìn)行有限元分析，提出優(yōu)化方案，并進(jìn)行靜力學(xué)分析及模態(tài)分析驗(yàn)證，有效解決車(chē)架裂紋問(wèn)題。

1 車(chē)架有限元模型

1.1 車(chē)架的結(jié)構(gòu)形式

某AGV車(chē)架的主體結(jié)構(gòu)由4根縱梁、8根橫梁焊接而成，為框架式結(jié)構(gòu)；車(chē)架長(zhǎng)、寬、高分別為3 000、1 800、140 mm，橫、縱梁為厚度為6 mm的C型槽鋼；去除車(chē)架圓角和倒角，刪除不必要的工藝孔及螺栓孔，采用Solidwork軟件建模，得到AGV車(chē)架的簡(jiǎn)化三維模型如圖1所示。

1.2 車(chē)架網(wǎng)格劃分

將車(chē)架模型導(dǎo)入Hypermesh，抽取模型中面，采用PESHELL進(jìn)行網(wǎng)格劃分[9-10]。網(wǎng)格類(lèi)型為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格長(zhǎng)度、寬度均小于等于10 mm；采用Spotweld焊接對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。網(wǎng)格劃分后單元數(shù)為99 474個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為105 445個(gè)；網(wǎng)格檢查結(jié)果如圖3所示，雅可比失效單元數(shù)為74個(gè)，占比為0.1%，滿足雅可比失效單元數(shù)占比不得超過(guò)5%的分析要求[11-12]。

1.3 材料與載荷

車(chē)架材料為Q355B結(jié)構(gòu)鋼，以集中載荷的形式將車(chē)架裝載質(zhì)量加載至相關(guān)總成部件[13-15]，蓄電池組及附件、電機(jī)及減速器、車(chē)架、液壓站及附件、液壓支架、貨物支撐架、貨物載荷加載質(zhì)量分別為200、75、485、55、150、1 400、600 kg，車(chē)架材料參數(shù)如表1所示。

1.4 理論基礎(chǔ)

將車(chē)架結(jié)構(gòu)看作線性自由振動(dòng)系統(tǒng)[16-17]，不考慮阻尼，車(chē)架系統(tǒng)微分方程

式中：p1為第1主應(yīng)力，p2為第2主應(yīng)力，p3為第3主應(yīng)力。

式中：psm為車(chē)架仿真計(jì)算的最大等效應(yīng)力，pmax為材料的許用應(yīng)力。psm不得大于pmax，否則車(chē)架易產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致車(chē)架失效。

本文中pmax=345 MPa。根據(jù)文獻(xiàn)[19]的規(guī)定，起重機(jī)械主梁安全因數(shù)不得低于1.6，車(chē)架回彈產(chǎn)生的變形不得大于10 mm。車(chē)架設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免外部激勵(lì)和車(chē)架的固有頻率相同，防止產(chǎn)生共振現(xiàn)象[20]，影響車(chē)架正常工作。

2 靜力學(xué)分析

AGV行駛過(guò)程中，受到各種力和載荷的作用，車(chē)架產(chǎn)生不同程度的彎曲、扭曲及組合變形[21]。以車(chē)架縱向?yàn)閤向，垂向?yàn)閥向，橫向?yàn)閦向，選取滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、滿載轉(zhuǎn)彎和滿載緊急制動(dòng)4個(gè)典型工況，并在y軸施加1.3中所示的各總成部件載荷，使用有限元軟件Hypermesh分析不同工況下車(chē)架位移及應(yīng)力。

2.1 彎曲工況

彎曲工況指車(chē)架滿載靜止或勻速行駛時(shí)的工況，約束右前、左前、右后、左后4個(gè)車(chē)輪的x、y、z平動(dòng)方向，釋放x、y、z轉(zhuǎn)動(dòng)方向。車(chē)架彎曲工況位移云圖、應(yīng)力云圖如圖4所示。

由圖4a）可知：車(chē)架最大位移發(fā)生在車(chē)架左側(cè)縱邊梁和第3、4橫梁處，最大位移為1.852 mm。原因是右側(cè)縱邊梁和第3、4橫梁上方承載支架和貨物的質(zhì)量，下方承載蓄電池組件的質(zhì)量，導(dǎo)致左側(cè)邊梁翹曲變形，位移較大。

由圖4b）可知：較大應(yīng)力在中間2個(gè)縱梁和第3橫梁交叉連接處、中間2個(gè)縱梁與第6橫梁連接處，最大應(yīng)力為169.0 MPa。原因是上方承載貨物和貨物支架的質(zhì)量，下方承載蓄電池組件、液壓組件和電機(jī)減速機(jī)等載荷質(zhì)量，彎曲工況下安全因數(shù)為2.04，車(chē)架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況主要模擬運(yùn)輸車(chē)在滿載情況下通過(guò)凹凸路面，后輪懸空時(shí)車(chē)架受力情況。以右后輪懸空為例，約束右前輪、左前輪全部自由度，約束左后輪y平動(dòng)方向，釋放左后輪其余自由度，右后輪釋放全部自由度。車(chē)架扭轉(zhuǎn)工況位移云圖、應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖5a）可知：車(chē)架最大位移發(fā)生在車(chē)架右側(cè)縱邊梁和第7、8橫梁處，為4.319 mm；右側(cè)縱邊梁位移由后向前逐漸變小，均小于3.359 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。原因是右后輪懸空時(shí)，車(chē)身總質(zhì)量使右后車(chē)架翹曲變形。

由圖5b）可知：最大應(yīng)力在中間2個(gè)縱梁和第3橫梁交叉連接處，為245.6 MPa。原因是右后車(chē)輪處于懸空狀態(tài)，車(chē)架上方貨物出現(xiàn)向左前側(cè)傾覆性，貨物載荷均由中間2個(gè)縱梁和第3橫梁交叉連接處承受，扭轉(zhuǎn)工況安全因數(shù)為1.40，不滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 轉(zhuǎn)彎工況

轉(zhuǎn)彎工況指車(chē)輛在滿載狀況下轉(zhuǎn)彎的工況，轉(zhuǎn)彎時(shí)由于向心加速度作用，車(chē)架上各零部件的離心力載荷顯著增加。以車(chē)架右轉(zhuǎn)彎時(shí)為例，車(chē)架向心加速度約為0.23g（g為自由落體加速度），計(jì)算相應(yīng)載荷后加載至z軸方向，約束情況和彎曲工況相同。車(chē)架轉(zhuǎn)彎工況位移云圖、應(yīng)力云圖如圖6所示。

由圖6a）可知：車(chē)架最大位移為車(chē)架左前和右前處，為5.958 mm。原因?yàn)樨浳镏匦脑谲?chē)架中心往后位置，右轉(zhuǎn)時(shí)造成前端縱梁發(fā)生位移。

由圖6b）可知：最大應(yīng)力在中間2個(gè)縱梁和第3橫梁、第6橫梁交叉連接處，為289.9 MPa。原因?yàn)檗D(zhuǎn)彎時(shí)貨物及支架產(chǎn)生的離心力載荷與重力載荷使支架與車(chē)架連接處產(chǎn)生更大的集中應(yīng)力，轉(zhuǎn)彎工況安全因數(shù)為1.19，不滿足設(shè)計(jì)要求，存在安全隱患。

2.4 制動(dòng)工況

制動(dòng)工況指車(chē)輛在滿載狀況下緊急制動(dòng)的工況，縱向慣性加速度使車(chē)架載荷發(fā)生變化，由于車(chē)輛一般在干燥瀝青路面上行駛，將制動(dòng)減速度設(shè)為0.6g，計(jì)算相應(yīng)載荷后加載至z軸方向。約束右前輪、左前輪x、y、z平動(dòng)方向，釋放x、y、z轉(zhuǎn)動(dòng)方向；約束右后輪、左后輪x、y平動(dòng)方向，釋放x、y、z轉(zhuǎn)動(dòng)方向。車(chē)架制動(dòng)工況位移云圖、應(yīng)力云圖如圖7所示。

由圖7a）可知：車(chē)架最大位移在車(chē)架右后尾處，為2.486 mm。原因是前橋和車(chē)架連接處以中心支點(diǎn)連接，車(chē)輛緊急制動(dòng)產(chǎn)生了縱向慣性力，導(dǎo)致車(chē)架右后翹曲，但翹曲為2.487 mm，滿足最大變形不超過(guò)10 mm的安全設(shè)計(jì)要求。

由圖7b）可知：最大應(yīng)力在前橋與車(chē)架連接處，為198.4 MPa；原因是車(chē)架在縱向力作用下，車(chē)橋車(chē)架連接位置所受應(yīng)力較集中，制動(dòng)工況安全因數(shù)為1.74，滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)以上分析可知：轉(zhuǎn)彎工況、扭轉(zhuǎn)工況安全因數(shù)均較低，不符合設(shè)計(jì)要求，車(chē)架薄弱位置分別在中間縱梁和第6橫梁連接處、中間縱梁和第3橫梁連接處。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化車(chē)架結(jié)構(gòu)薄弱處，把中間2個(gè)縱梁的槽鋼厚度由6.0 mm增加至6.5 mm，第3橫梁和第6橫梁槽鋼厚度由6.0 mm增加至7.0 mm，并在第3橫梁與縱梁交叉處、第6橫梁與縱梁交叉處增加厚、長(zhǎng)、寬、高分別為10.0、108.0、102.0、140.0 mm的加強(qiáng)筋，優(yōu)化后的車(chē)架示意如圖8所示。

3.1 扭轉(zhuǎn)工況

對(duì)優(yōu)化后車(chē)架的扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，施加與2.2節(jié)相同的載荷和約束，優(yōu)化后車(chē)架扭轉(zhuǎn)工況位移云圖、應(yīng)力云圖如圖9所示。

由圖9可知：車(chē)架最大位移由4.319 mm減小為3.027 mm，最大應(yīng)力由245.6 MPa減小為196.4 MPa，安全因數(shù)為1.75，最大應(yīng)力位置與優(yōu)化前基本一致，為中間2個(gè)縱梁和第3橫梁交叉連接處，優(yōu)化后車(chē)架扭轉(zhuǎn)工況安全因數(shù)滿足強(qiáng)度要求。

3.2 轉(zhuǎn)彎工況

對(duì)優(yōu)化后車(chē)架轉(zhuǎn)彎工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，施加與2.3相同的載荷和約束，優(yōu)化后轉(zhuǎn)彎工況位移云圖、應(yīng)力云圖如圖10所示。

由圖10可知：車(chē)架最大位移由5.958 mm減小為5.083 mm，最大應(yīng)力由289.9 MPa減小為170.3 MPa，安全因數(shù)為2.02，最大應(yīng)力位置與優(yōu)化前基本一致，優(yōu)化后車(chē)架轉(zhuǎn)彎工況結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

3.3 模態(tài)分析

AGV運(yùn)輸車(chē)在行駛時(shí)，來(lái)自路面、傳動(dòng)軸以及輪胎的不平衡造成運(yùn)輸車(chē)振動(dòng)，振動(dòng)頻率約為15 Hz。為避免使用過(guò)程中出現(xiàn)共振，對(duì)車(chē)架進(jìn)行模態(tài)分析，車(chē)架前6階模態(tài)固有頻率接近0，表明結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有產(chǎn)生變形；車(chē)架7～12階模態(tài)固有頻率分別為21.342、63.137、81.690、103.569、112.790、137.936 Hz。從第7階開(kāi)始，模態(tài)固有頻率不為0，最小模態(tài)固有頻率為21.342 Hz，大于運(yùn)輸車(chē)振動(dòng)頻率，車(chē)架在正常行駛下不會(huì)發(fā)生共振。

4 結(jié)論

本文中針對(duì)AGV車(chē)架應(yīng)力集中問(wèn)題，構(gòu)建車(chē)架有限元仿真模型，分析典型工況下最大應(yīng)力發(fā)生的位置及原因，進(jìn)行仿真優(yōu)化并驗(yàn)證。

1）扭轉(zhuǎn)工況和轉(zhuǎn)彎工況的安全因數(shù)不符合設(shè)計(jì)要求，車(chē)架薄弱部位主要位于中間縱梁和第6橫梁連接處、中間縱梁和第3橫梁連接處。

2）增大中間縱梁、第3橫梁、第6橫梁的槽鋼厚度，并在第3橫梁與縱梁交叉處、第6橫梁與縱梁交叉處設(shè)置加強(qiáng)筋，使車(chē)架扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力由245.6 MPa減小為196.4 MPa，轉(zhuǎn)彎工況最大應(yīng)力從289.9 MPa減小為170.3 MPa，車(chē)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的2種工況安全因數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

3）對(duì)優(yōu)化后的車(chē)架進(jìn)行模態(tài)分析，最小固有頻率為21.342 Hz，避開(kāi)了運(yùn)輸車(chē)的振動(dòng)頻率（15 Hz），有效避免低頻共振的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 韓自翔.自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)的開(kāi)發(fā)與實(shí)際應(yīng)用[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2020.

[2] 張辰貝西，黃志球.自動(dòng)導(dǎo)航車(chē)（AGV）發(fā)展綜述[J].中國(guó)制造業(yè)信息化，2010，39（1）：53-59.

[3] 田會(huì)方，譚樹(shù)棟，吳迎峰.基于EKF多傳感器融合的自動(dòng)導(dǎo)航車(chē)（AGV）位姿估計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2022，18（20）：111-114.

[4] 石凱飛.真實(shí)路面激勵(lì)下拖車(chē)車(chē)架瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2023，61（8）：130-134.

[5] 王善軍，余其霞.農(nóng)用車(chē)底盤(pán)車(chē)架有限元分析[J].湖南農(nóng)機(jī)，2010，37（9）：55-57.

[6] KIM H S，HUH H. Vechicle structure collapse analysis using a finite element limits method[J].Korea Advanced Inst of Science and Technology，1999（21）：436-499.

[7] 銀俊鷹.某礦用自卸車(chē)車(chē)架強(qiáng)度有限元分析[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2014.

[8] 劉倫倫，張瑞亮，申晉憲，等．某主副一體式自卸車(chē)車(chē)架強(qiáng)度特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2015（2）：12-16.

[9] 吳磊.某隧道清篩車(chē)車(chē)架有限元靜強(qiáng)度計(jì)算分析[J].工程技術(shù)研究，2023，8（5）：17-19.

[10] 王偉，王孟琴.某輕型卡車(chē)車(chē)架有限元分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2022，60（3）：156-160.

[11] 魏文濤，周盼.中型自卸車(chē)主車(chē)架設(shè)計(jì)與靜力學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2021，59（6）：130-134.

[12] 傅杰.某山地履帶運(yùn)輸車(chē)車(chē)架的拓?fù)鋬?yōu)化研究[D].重慶：重慶三峽學(xué)院，2023.

[13] 任宇剛.高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在大型起重機(jī)臂架上的應(yīng)用研究[J].中國(guó)重型裝備，2023（2）：40-44.

[14] 趙強(qiáng)，劉丹丹，李旭，等.基于CAE技術(shù)的工程自卸車(chē)車(chē)架有限元分析[J].重型汽車(chē)，2022（5）：29-30.

[15] 李強(qiáng).某重型載貨車(chē)車(chē)架有限元靜態(tài)及其試驗(yàn)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[16] 張忠元，張鳳麗，郭軍軍，等.基于輕量化設(shè)計(jì)的空氣冷卻器支架有限元靜動(dòng)態(tài)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2021，38（1）：32-38.

[17] 張歆伊，鄭再象，張友宏.基于Hyperworks的客車(chē)車(chē)架有限元分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2021，52（9）：16-18.

[18] 劉惟信.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[19] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑機(jī)械使用安全技術(shù)規(guī)程：JGJ 33—2012[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[20] 王濤.重型載貨汽車(chē)車(chē)架有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].大連：大連交通大學(xué)，2020.

[21] 耿磊，唐公明，王敏，等.某混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)車(chē)架橫梁的優(yōu)化改進(jìn)[J].汽車(chē)零部件，2023（5）：81-85.

Finite element analysis of AGV frame and its optimization

HU Zhongyi， HUANG Xuetao*， XU Yongchao， LIU Zihao， WANG Xiancheng

Automotive Engineering College，Shandong Jiaotong University， Jinan 250357，China

Abstract：In order to solve the problem of cracks in the frame of an automated guided vehicle （AGV） during use， a finite element model of the frame is established based on Solidwork. Hypermesh is used to conduct static analysis of the bending， torsion， turning， and braking conditions of the frame， identifying dangerous conditions and stress concentration areas. The thickness of the channel steel in the middle longitudinal beam， 3rd crossbeam， and 6th crossbeam of the frame is increased， and the thickness of the channel steel in the 3rd crossbeam install reinforcing ribs at the intersection of the 6th crossbeam and longitudinal beam， and conduct static and modal analysis on the optimized torsion and turning conditions of the frame. The results show that the maximum stress in the torsion and turning conditions of the optimized frame has been reduced， and the safety factor meets the design requirements; After optimization， the frame will not experience low-frequency resonance， solving the problem of frame cracks.

Keywords：AGV frame; finite element analysis; static analysis; modal analysis

（責(zé)任編輯：胡曉燕）

收稿日期：2023-07-31

基本項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（301051103）

第一作者簡(jiǎn)介：胡忠義（1989—），男，山東棗莊人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛邢拊抡婕夹g(shù)，E-mail：419635052@qq.com

*通信作者簡(jiǎn)介：黃雪濤（1978—），男，山東東明人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橛邢拊抡婕夹g(shù)，E-mail：xuetaohuang@163.com。