基于ANSYS的智能小車底盤有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

王國磊， 王戰(zhàn)中

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 石家莊 050043)

目前，在企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，工廠自動化技術(shù)不斷革新的背景下，智能小車已經(jīng)成為了自動化物流運(yùn)輸車間、柔性化生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的重要設(shè)備[1]。而底盤作為智能小車的關(guān)鍵部件，連接著車身與行駛系，它不僅要承受來自小車車體和滿載時(shí)貨物的質(zhì)量，同時(shí)還要受到因地面不平整而行駛顛簸時(shí)給它的反作用力，工作環(huán)境相對比較惡劣，那么底盤的優(yōu)劣對于智能小車性能的高低就有著直接的影響，因此有必要對智能小車的底盤進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。通過對底盤的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠縮短整個(gè)小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量[3]。利用ANSYS Workbench軟件對智能小車的底盤進(jìn)行了靜力學(xué)分析，由于強(qiáng)度和剛度存在較大的富余量，所以通過ANSYS Workbench中的Response Surface Optimization(響應(yīng)曲面優(yōu)化)模塊，選擇Screening優(yōu)化方法對智能小車底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后智能小車的底盤質(zhì)量減小了27%，實(shí)現(xiàn)了智能小車底盤的輕量化設(shè)計(jì)。

1 小車底盤系統(tǒng)模型

底盤系統(tǒng)由底盤、驅(qū)動輪、萬向輪、驅(qū)動電機(jī)和微型減速器等組成，底盤是底盤系統(tǒng)中最重要的部件之一，它不僅承受著車載時(shí)貨物的重量而且還有來自車體零部件的自身質(zhì)量，底盤系統(tǒng)的尺寸(長，寬，高)為740 mm、378 mm、227 mm，構(gòu)建的三維模型如圖1所示。

2 底盤結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

對其進(jìn)行求解運(yùn)算，求解后的底盤結(jié)構(gòu)總變形與等效應(yīng)力云圖如圖2和圖3所示。

由圖2可知，底盤的最大總變形為0.443 45 mm，出現(xiàn)在底盤安放蓄電池的區(qū)域；從圖3可以看出，底盤的最大等效應(yīng)力為71.213 MPa，出現(xiàn)在左前輪與底盤的螺栓連接處。底盤的材料為Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼[4]，其屈服強(qiáng)度σs為235 MPa，取其失效概率為1%，安全系數(shù)n=1.5，許用應(yīng)力[σ]=σs/n=235/1.5=156.67 MPa，鋼板結(jié)構(gòu)的撓度容許值為l/400，其中l(wèi)為橫向跨距，許用撓度[ω]=l/400=378/400=0.945 mm，校核底盤的強(qiáng)度和剛度可知，最大應(yīng)力σMax小于許用應(yīng)力[σ]，最大變形也小于許用撓度[ω]，因此底盤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度分別滿足設(shè)計(jì)要求。

3 底盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件

對底盤優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是在滿足強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，盡量減輕底盤的質(zhì)量。通過對底盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量進(jìn)行約束，使底盤結(jié)構(gòu)模型在約束條件下解得最優(yōu)解[5]。優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件如表1所示。

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件

3.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化分析

3.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的類型為中心復(fù)合設(shè)計(jì)[6]，對優(yōu)化設(shè)計(jì)的三個(gè)輸入?yún)?shù)和約束條件進(jìn)行設(shè)置，然后更新數(shù)據(jù)，優(yōu)化分析計(jì)算求得15個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出的參數(shù)如表2所示。

3.2.2 響應(yīng)曲面分析

進(jìn)入響應(yīng)曲面模塊并更新計(jì)算，可以獲得設(shè)計(jì)參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系，圖4、圖5、圖6分別為最大等效應(yīng)力、最大變形、底盤質(zhì)量與優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的響應(yīng)曲面3D關(guān)系。

從圖4可以看出，隨著P1、P2、P3的增大，P4逐漸增大，P1、P2、P3和P4呈正相關(guān)。比較兩圖可知，P3對P4的影響大于P1和P2，P2對P4的影響最小。

從圖5可以看出，當(dāng)P1和P2同時(shí)增大，P5減小，在P1不變的情況下，P5隨著P2的增大而減小，因此P2與P5是負(fù)相關(guān)。隨著P1和P3的增大，P5逐漸增大，P1、P3和P5是正相關(guān)。比較分析可以得出：P3對P5的影響明顯大于P1和P2，P2對P5的影響最小。

從圖6可以看出，隨著P1、P2、P3的增大，P6在逐漸減小，P1、P2、P3和P6是負(fù)相關(guān)。比較分析得出，P1對P6的影響最大，P3對P6的影響大于P2，P2對P6的影響較小。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)表

3.2.3 優(yōu)化分析

在Optimization模塊中對得到數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方法選擇Screening[7]。設(shè)置約束條件最大等效應(yīng)力P4≤156.67 MPa，最大變形P5≤0.945 mm，目標(biāo)函數(shù)P6為最小，參數(shù)的權(quán)重設(shè)置為默認(rèn)，參數(shù)的優(yōu)化分析設(shè)置如表3所示。

表3 參數(shù)的優(yōu)化分析設(shè)置

對數(shù)據(jù)更新計(jì)算，求解得出三個(gè)候選設(shè)計(jì)點(diǎn)，如圖7所示。

由圖7看出，第一個(gè)候選設(shè)計(jì)點(diǎn)為最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)，并對其尺寸參數(shù)進(jìn)行了修整，最終的優(yōu)化值是DS_d1為374.2 mm，即左右側(cè)板的厚度為1.9 mm ，DS_d2為736. 6mm，即前后板的厚度為1.7 mm ，DS_d3為80.3 mm，即底層板的厚度為1.7 mm。根據(jù)最終的優(yōu)化值對底盤結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行修改，再對修改后的底盤結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，得到的優(yōu)化后的總變形和等效應(yīng)力云圖如圖8和圖9所示。

從圖8可以看出，底盤結(jié)構(gòu)的最大總變形為0.785 42 mm，出現(xiàn)在底盤安放蓄電池的區(qū)域；由圖9可知，最大等效應(yīng)力為103.06 MPa，出現(xiàn)在左前輪與底盤的螺栓連接處。優(yōu)化后的底盤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求，此優(yōu)化方案切實(shí)可行。

3.2.4 優(yōu)化前后參數(shù)對比分析

優(yōu)化前后的底盤結(jié)構(gòu)參數(shù)對比如表4所示。

表4 優(yōu)化前后參數(shù)對比表

從表4可以看出，底盤結(jié)構(gòu)尺寸有所減小，優(yōu)化后的底盤質(zhì)量減小了27%，優(yōu)化效果比較顯著，最大等效應(yīng)力和最大變形分別增加了45%和77%，且沒有超過許用應(yīng)力值156.67 MPa和許用撓度0.945 mm，能夠滿足底盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，此次優(yōu)化設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論

在ANSYS軟件中，利用有限元分析方法對智能小車的底盤進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到了總變形和等效應(yīng)力云圖，校核了底盤的強(qiáng)度和剛度，滿足了設(shè)計(jì)要求，解決了底盤強(qiáng)度和剛度不足的問題。在響應(yīng)曲面優(yōu)化模塊中，利用Screening優(yōu)化方法對底盤優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的底盤質(zhì)量減小了27%，解決了材料浪費(fèi)的現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，證明了此輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法合理，對于同類型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有普遍適用性，為下一步的智能小車運(yùn)動學(xué)仿真奠定了基礎(chǔ)。