自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)（AGV）車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

賈新鵬，袁鋒偉，黃貞普

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421000）

0 引言

機(jī)器人是衡量一個(gè)國(guó)家的創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是一個(gè)國(guó)家科技的尖端技術(shù)，被譽(yù)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(dòng)導(dǎo)引小車(chē)（Automatic Guided Vehicle，AGV）應(yīng)用也大為擴(kuò)展，不僅在物流行業(yè)、機(jī)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(xiǎn)場(chǎng)合。而隨著應(yīng)用場(chǎng)合的增加，對(duì)AGV的承載能力和運(yùn)行的控制精度有了更高的要求。

AGV的車(chē)架是承受載重、安裝輪系以及各類(lèi)控制系統(tǒng)件的主要載體，設(shè)計(jì)時(shí)一方面考慮其最大承載力，保證其在最大載荷時(shí)車(chē)架結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)較大的彎曲變形，另一方面要優(yōu)化AGV車(chē)體結(jié)構(gòu)的尺寸來(lái)減少整車(chē)的慣性，使AGV的動(dòng)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(duì)AGV的運(yùn)動(dòng)控制算法進(jìn)行研究以此提高運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性而對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究較少。例如蔡業(yè)彬[3]在機(jī)械設(shè)計(jì)中做了模塊化設(shè)計(jì)的描述和分析，也只是針對(duì)具體功能設(shè)計(jì)的模塊，只需要將模塊安裝到現(xiàn)有車(chē)架結(jié)構(gòu)上以方便拆卸和維修；段文軍等[4]為立體化車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)中了兩種液壓式行走自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)的結(jié)構(gòu)，但卻沒(méi)有給出具體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)；艾青等[5]對(duì)AGV車(chē)的輪系的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究和分析，但主要是研究輪系對(duì)承重的影響。由此本文主要對(duì)車(chē)架機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行一種新的邊梁設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行研究，并且市場(chǎng)上大多是一些輕載在2 t以下的AGV，且車(chē)架是AGV主要的承重載體。本文設(shè)計(jì)以車(chē)架最大載重量3 t為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)車(chē)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用ANSYS有限元進(jìn)行分析。

1 AGV車(chē)架原理設(shè)計(jì)

1.1 車(chē)架設(shè)計(jì)要求

AGV車(chē)架相當(dāng)于汽車(chē)底盤(pán)，是AGV機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵部分[6]。車(chē)架的設(shè)計(jì)基本原則是車(chē)架布局簡(jiǎn)單，便于加工。車(chē)架的合理化設(shè)計(jì)會(huì)有利于其他的動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和一些傳感器零部件的安裝，而不會(huì)發(fā)生干涉；車(chē)架的輕量化設(shè)計(jì)則有利于提高小車(chē)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定性，而提高小車(chē)工作效率。但最重要的是要小車(chē)車(chē)架在路面平整運(yùn)動(dòng)、靜止和路面凹凸不平要能夠滿(mǎn)足承載一定要求的重物，發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，所以對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)要達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 車(chē)架模型要求

此次AGV車(chē)架采用的是邊梁式上下雙層設(shè)計(jì)如圖1所示，采用的Q235空心方管構(gòu)成車(chē)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(jìn)行多種方式設(shè)計(jì)，既可以在梁上搭建1～3 mm鋼板或者鋁合金板用來(lái)運(yùn)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(lái)承載電池質(zhì)量和其他的系統(tǒng)重量。同時(shí)在方鋼上留有大量的小孔以便之后裝載加強(qiáng)板和其他的控制系統(tǒng)等通過(guò)螺栓連接到車(chē)架上[7]。輪系選擇了兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和4個(gè)萬(wàn)向輪，在車(chē)架的四角裝載4個(gè)支撐輪用來(lái)承受主要載荷。在車(chē)體腹部安裝兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪承擔(dān)其中一部分載荷，驅(qū)動(dòng)輪不僅可以為小車(chē)的運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力，而且在受載時(shí)分擔(dān)一部分載荷，從而增大了整車(chē)承重。

圖1 AGV車(chē)架三維模型

1.3 車(chē)架三維建模

車(chē)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(chē)架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)度為1 000 mm，寬度為480 mm，高度為290 mm。雙層車(chē)架分為主副車(chē)架，主車(chē)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(chē)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(qiáng)結(jié)構(gòu)作用，同時(shí)用于安裝輪系、驅(qū)動(dòng)裝置、動(dòng)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(chē)架梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 車(chē)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(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬[8]。利用簡(jiǎn)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(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)[9]。將模型做簡(jiǎn)化后，用簡(jiǎn)單模型的問(wèn)題代替復(fù)雜模型問(wèn)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(duì)每個(gè)小的區(qū)域求的一個(gè)合適近似解，然后推導(dǎo)求解區(qū)域總的滿(mǎn)足條件，從而得到復(fù)雜模型問(wèn)題的近似解。用來(lái)做有限元分析常用軟件有很多如可以分析機(jī)械、電磁、流體力學(xué)等多學(xué)科的ANSYS；電機(jī)有限元分析軟件NASTRAN；多物理場(chǎng)耦合計(jì)算方面的COMSOL Multiphysics等。本文采用的分析軟件是ANSYS的平臺(tái)中的Workbench進(jìn)行分析處理。Workbench操作簡(jiǎn)單，易于上手，可以直接設(shè)置計(jì)算參數(shù)，如設(shè)計(jì)尺寸、工程材料或運(yùn)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(chē)架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢后，需要對(duì)其承載能力進(jìn)行更加準(zhǔn)確地評(píng)估，研究其在承受最大載重時(shí)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(jì)是否合理，并進(jìn)行尺寸優(yōu)化，所以，需要進(jìn)行有限元分析[11]。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析和校核強(qiáng)度、剛度是利用經(jīng)典力學(xué)理論進(jìn)行分析計(jì)算，因此有計(jì)算復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)和如果中間出現(xiàn)差錯(cuò)難以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤點(diǎn)等問(wèn)題。而利用有限元分析軟件對(duì)AGV車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力、變形分析和尺寸優(yōu)化，花費(fèi)時(shí)間會(huì)更少，降低結(jié)構(gòu)使用成本，快速完成AGV車(chē)架結(jié)構(gòu)的分析任務(wù)，來(lái)確保AGV車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性及可靠性[12]。

2.1 車(chē)架有限元建模

利用三維軟件Solidworks繪制車(chē)架的三維模型結(jié)構(gòu)圖時(shí)，為降低之后有限元分析網(wǎng)格劃分難度，對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)模型做適當(dāng)簡(jiǎn)化：忽略對(duì)車(chē)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(lái)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(jìn)行仿真分析。本文對(duì)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(jìn)行了簡(jiǎn)化，選擇綁定接觸方法，簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)模型有利于提高有限元分析時(shí)效率和分析時(shí)避免產(chǎn)生應(yīng)力奇異性。

AGV小車(chē)在工作時(shí)有彎曲、轉(zhuǎn)彎、啟動(dòng)和停止多種工況，本文主要對(duì)AGV滿(mǎn)載時(shí)最?lèi)毫庸r——彎曲工況進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算分析，在有限元分析軟件上對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)這種工況進(jìn)行約束條件和施加載荷，仿真分析過(guò)程驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。車(chē)架滿(mǎn)載時(shí)所受主要載荷是車(chē)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(duì)較小可忽略，最后并不影響分析結(jié)果。其中車(chē)架自重以重力形式施加，貨物質(zhì)量平均施加到上層車(chē)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(chē)架的縱梁上?？紤]到不平路面的影響，取動(dòng)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(duì)AGV車(chē)架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，工程中的梁網(wǎng)格大小一般在5～10 mm，本項(xiàng)目設(shè)置網(wǎng)格的平均大小為8 mm。車(chē)架支撐柱采用Solid186單元，整體橫梁、縱梁和用于安裝驅(qū)動(dòng)裝置和萬(wàn)向輪的部位采用Solid187單元。因?yàn)镾olid186單元具有計(jì)算速度快，生成網(wǎng)格時(shí)間短，Solid187單元具有非常強(qiáng)的非線(xiàn)性分析能力。劃分網(wǎng)格情況如圖2所示，全車(chē)架共生成476 670個(gè)節(jié)點(diǎn)，20 829個(gè)單元。劃分完成后檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，避免求解出錯(cuò)。可以通過(guò)位移變化來(lái)驗(yàn)證網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格精度對(duì)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(duì)照網(wǎng)格評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)理想數(shù)值說(shuō)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(chē)架整體自身重力通過(guò)standard earth gravity施加，車(chē)架受載重力通過(guò)force的形式分別平均施加到主車(chē)架的縱梁和橫梁上，將電池重力和其他系統(tǒng)重力通過(guò)force的形式分別平均施加到副車(chē)架的前后縱梁上。兩根支撐柱之間處副車(chē)架橫梁4個(gè)底板方塊通過(guò)4個(gè)萬(wàn)向輪與地面接觸，因此在4塊方板底部進(jìn)行約束；在車(chē)架下層的縱梁之間安裝驅(qū)動(dòng)裝置及驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪與地面接觸，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置支撐車(chē)架，因此在簡(jiǎn)化后的驅(qū)動(dòng)裝置處施加約束；其余各個(gè)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(chē)架載荷和約束

2.2 力學(xué)結(jié)果分析

運(yùn)用ANSYSWorkbench分析車(chē)架的剛度和強(qiáng)度，在良好路面下小車(chē)靜止和勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車(chē)的車(chē)輪全部與地面接觸處于同一水平面，受到地面的約束而車(chē)架產(chǎn)生的彎曲的工況仿真分析。在最大等效應(yīng)力處進(jìn)行網(wǎng)格的無(wú)關(guān)化處理，得出車(chē)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(jì)算結(jié)果可以明顯地發(fā)現(xiàn)車(chē)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(duì)于焊接的焊縫可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，所以在車(chē)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(dá)到了141.95 MPa。在梁的連接處會(huì)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(chē)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(xiàn)可知Q235鋼材的屈服強(qiáng)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(qiáng)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(jì)算機(jī)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(shí)，網(wǎng)格的劃分可能在圖形的尖角區(qū)域不能完美實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)力集中將存在。但試圖通過(guò)安全系數(shù)來(lái)解決應(yīng)力集中的問(wèn)題，這可能會(huì)把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)推入一個(gè)萬(wàn)劫不復(fù)的境地，因?yàn)樵O(shè)計(jì)不出一個(gè)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(chē)架的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

由變形分析云圖可知，車(chē)架最大變形量出現(xiàn)在主車(chē)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?xún)?nèi)。彎曲剛度是單位力所產(chǎn)生的位移的變化，因此次車(chē)架彎曲剛度為90 000 N∕mm。根據(jù)載貨汽車(chē)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，小于車(chē)間軸距的2%則滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

說(shuō)明車(chē)架具有較大的剛度，具有抵抗車(chē)架一般變形的能力。由計(jì)算結(jié)果可知，其剛度設(shè)計(jì)也滿(mǎn)足車(chē)架要求。

3 車(chē)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(shuō)明了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還有很大的盈余可以進(jìn)行優(yōu)化。而通過(guò)在支撐柱處增加加強(qiáng)筋以此減少應(yīng)力集中現(xiàn)象同時(shí)減小空心方鋼管的厚度來(lái)減輕質(zhì)量，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后車(chē)架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后車(chē)架結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可以承擔(dān)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(chē)架結(jié)構(gòu)為44 kg，優(yōu)化后的車(chē)架質(zhì)量為38 kg，質(zhì)量減少了14%，由此可見(jiàn)優(yōu)化的方案可以實(shí)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(jìn)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(méi)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(qiáng)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(guò)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(qiáng)度和變形量均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，而且很大程度上減輕了車(chē)架的質(zhì)量，鋼材的用量降低，從而可以提高小車(chē)的穩(wěn)定性和靈活性，因此確認(rèn)此優(yōu)化的方案可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究AGV（自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)）車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)出主副車(chē)架搭配雙層邊梁式車(chē)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(shí)現(xiàn)多功能應(yīng)用。采用Solidworks完成車(chē)架結(jié)構(gòu)三維建模，并且參照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)采用ANSYSWorkbench完成了車(chē)架有限元的分析。仿真結(jié)果表明該車(chē)架采用的鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，改善應(yīng)力集中問(wèn)題并且為車(chē)架減重了14%質(zhì)量，結(jié)構(gòu)性能依然滿(mǎn)足彎曲工況下的強(qiáng)度及剛度要求，為以后車(chē)架設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。