基于有限元法的重載AGV框架應(yīng)用研究

吳寧強，王艷霞

(1.西安航空學(xué)院 汽車檢測工程技術(shù)研究中心，西安 710077；2.北京無線電計量測試研究所，北京 100854)

自動導(dǎo)引車(Automatic Guided Vehicle，AGV)是一種無人駕駛的自動引導(dǎo)運輸車，AGV系統(tǒng)涉及機械、電子，光學(xué)、計算機等多個領(lǐng)域。AGV逐漸應(yīng)用到港口、物流、汽車等行業(yè)，但大都起著簡單運輸?shù)淖饔谩ｋS著技術(shù)的發(fā)展，AGV車輛不僅使用在汽車主機廠的物流方向，而且大的汽車生產(chǎn)廠逐漸將其運用到汽車底盤生產(chǎn)線的合裝和發(fā)動機線分裝領(lǐng)域[1-2]。

目前AGV向小型化和重載化兩個方向發(fā)展。重載AGV具有無軌、智能、站點自動識別、自動導(dǎo)引、無線通訊能力，但重載的AGV對其框架的強度和剛性要求高。如果強度不夠或剛性較差，影響汽車底盤和車身的合裝精度；AGV有車輛安全隱患；增加線邊操作設(shè)備的工藝設(shè)置難度；增大AGV在行走過程中的路徑偏差，轉(zhuǎn)彎的地方會更加明顯。所以對AGV車輛框架的仿真計算尤為重要，采用有限元的分析方法，較實驗方法周期短，成本低[3-4]。

1 模型建立

根據(jù)使用的技術(shù)指標(biāo)和要求，采用Catia軟件建立AGV車輛的模型，如圖1所示。

圖1 AGV設(shè)備三維模型

驅(qū)動部分，框架，前、后舉升，電控柜，操作面板，Sick安全光柵等如圖中所示。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及有限元的計算

2.1 框架布置調(diào)整及極限工況

汽車合裝的過程中，因為汽車的車系不同，軸距也不同，為了滿足同一生產(chǎn)車間可以生產(chǎn)不同系列汽車的柔性化要求，設(shè)計的AGV車輛需要匹配不同軸距車輛的生產(chǎn)，AGV車輛的框架初始布置為后橋位置采用橫置的方式。經(jīng)初步有限元分析后，不能滿足使用的工況要求，對其進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，將后前位置采用縱置的布置方式。

圖2 AGV框架舉升極限位置工況Case1

圖3 AGV框架舉升極限位置工況Case2

圖4 AGV三輪觸地工況

調(diào)整優(yōu)化后車輛前橋和后橋兩個極限位置如圖2和圖3所示，圖4是4個承載輪的三輪觸地工況。本文將按照Case1和Case2和三輪觸地三種極限工況進(jìn)行分析。第三種工況下，又會有8種不同情況，本文按照經(jīng)驗選取這8種情況下的四種“3 Casters touching LF”“3 Casters touching RF”“3 Casters touching LR”“3 Casters touching RR”進(jìn)行仿真模擬計算。

2.2 網(wǎng)格劃分

將Catia中建立的框架模型導(dǎo)入到Ansys/Workbench中，對模擬進(jìn)行簡化處理，忽略了影響小的孔和部分薄板等細(xì)節(jié)，以獲得較高的網(wǎng)格質(zhì)量。由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，網(wǎng)格劃分選用高階三維10節(jié)點四面體Solid187單元，沒有選用solid45和solid185的六面體單元，雖然增加了計算量，但可以更好地模擬不規(guī)則的模型，計算精度也比較高，并對局部進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分

單元尺寸：6mm；節(jié)點總數(shù)：6297514；單元總數(shù)：2370452，各部分的接觸采用綁定接觸。

2.3 邊界條件與載荷的施加[5-6]

框架采用Q235整體焊接，Q235其韌性和塑性較好，具有一定的延伸性和良好的焊接性能和熱加工型，材料屬性如表1、表2所示。

表1 材料化學(xué)成分

表2 框架材料屬性

強度計算采用“Spring Force”,“Force”,“Standard Earth Gravity”三種不同的載荷，約束采用“Fixed Support”約束方式。靜力分析用來分析結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷作用下的響應(yīng)，運算中常關(guān)注相關(guān)的變形、應(yīng)力、應(yīng)變及約束反力等參數(shù)，經(jīng)典理論中物體通用運動方程是[2]：

(1)

式中，[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度系數(shù)矩陣；{x}為位移矢量；{F}為力矢量。

線性靜力分析中，與時間有關(guān)的因素都排除，得到如下方程式：

[K]{x}={F(t)}

(2)

本文在計算過程中滿足如下條件：[K]矩陣是連續(xù)的，材料滿足小變形和線彈性理論；[F]矩陣為靜力載荷，同時不考慮隨時間變化的載荷，不考慮質(zhì)量、阻尼等的影響。具體施加的載荷和邊界條件如圖6所示。

圖6 作用于框架上的載荷和邊界模擬

2.4 應(yīng)力安全系數(shù)的計算[7]

應(yīng)力安全系數(shù)Sf通過下式計算得出：

Sf=σs/rmσv

(3)

式中，σs為材料的屈服強度；rm為材料安全系數(shù)；σv為框架的Von-Mises應(yīng)力。材料安全系數(shù)為1.1，載荷的安全系數(shù)在施加載荷時已經(jīng)考慮。

3 計算結(jié)果

Case1等效應(yīng)力、最大變形量結(jié)果分別如圖7、圖8所示，Case2等效應(yīng)力、最大變形量結(jié)果分別圖9、圖10所示，3 Casters touching LF等效應(yīng)力、最大變形量結(jié)果分別如圖11、圖12所示，3 Casters touching RF等效應(yīng)力、最大變形量結(jié)果分別如圖13、圖14所示，3 Casters touching LR等效應(yīng)力、最大變形量結(jié)果分別如圖15、圖16所示，3 Casters touching RR等效應(yīng)力、最大變形量結(jié)果分別如圖17、圖18所示。

具體結(jié)果如表3所示。

圖7 Case1工況等效應(yīng)力

圖8 Case1工況最大變形量

圖9 Case2工況等效應(yīng)力

圖10 Case2工況最大變形量

圖11 3 Casters touching LF等效應(yīng)力

圖12 3 Casters touching LF最大變形量

圖13 3 Casters touching RF等效應(yīng)力

圖14 3 Casters touching RF最大變形量

圖15 3 Casters touching LR等效應(yīng)力

圖16 3 Casters touching LR最大變形量

圖17 3 Casters touching RR等效應(yīng)力

圖18 3 Casters touching RR最大變形量

根據(jù)以上應(yīng)力分析的結(jié)果，最大應(yīng)力出現(xiàn)在1輪懸空，3輪觸地(3 Casters touching LR)工況，此時等效應(yīng)力為207.76MPa，最大變形量為2.0577mm，安全系數(shù)為1.131。

表3 框架的計算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)通過對幾種極限位置工況進(jìn)行運算，由計算云圖得到等效應(yīng)力和最大變形量。由表3可知，在極限位置工況“3 Casters touching LR”時，最小安全系數(shù)為1.131；在極限位置工況“3 Casters touching RR”時，最大變形量為2.0628mm，強度和剛性均滿足使用工況的要求。

(2)優(yōu)化后的框架應(yīng)用到AGV中，重載AGV車輛已經(jīng)投入使用，目前運行平穩(wěn)可靠，本文在理論和實用上具有一定的應(yīng)用參考價值。