劉國(guó)剛

（機(jī)械科學(xué)研究總院，北京 100044）

重載AGV輕量化設(shè)計(jì)研究

劉國(guó)剛

（機(jī)械科學(xué)研究總院，北京 100044）

以某型載荷為15噸的重載AGV為研究對(duì)象，主要對(duì)占車體重量比例最大的車架進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。運(yùn)用Creo Parametric建立車架參數(shù)化三維模型，并與ANSYS Workbench實(shí)現(xiàn)對(duì)接，對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)有限元分析。然后基于ANSYS Workbench的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，以車架總重量為目標(biāo)函數(shù)，各焊接型材厚度為優(yōu)化變量，對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后對(duì)輕量化設(shè)計(jì)實(shí)際效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為重載AGV輕量化設(shè)計(jì)提供了可借鑒的思路。

AGV；車架；有限元；輕量化

0 引言

自動(dòng)導(dǎo)航車（Automated Guided Vehicles，AGV）又名無人搬運(yùn)車，出現(xiàn)于20 世紀(jì)50年代，是一種自動(dòng)化的無人駕駛的智能化搬運(yùn)設(shè)備，屬于移動(dòng)式機(jī)器人系統(tǒng)，能夠沿預(yù)先設(shè)定的路徑行駛，是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化物流系統(tǒng)如計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）中的關(guān)鍵設(shè)備[1]。10～40噸級(jí)別的重載AGV代表著國(guó)內(nèi)AGV研發(fā)的先進(jìn)技術(shù)水平，對(duì)提高重載領(lǐng)域物流自動(dòng)化水平，減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，縮短物流周期，提升經(jīng)濟(jì)效益都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

重載AGV輕量化是研發(fā)設(shè)計(jì)中的一個(gè)很有意義的方面。在滿足安全性能的前提下，重載AGV越輕，則運(yùn)行動(dòng)力性越好，對(duì)地面要求與損壞也會(huì)越小。從節(jié)能減排角度看，重載AGV輕量化還可減少能耗，從而降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本與對(duì)環(huán)境的污染。本文以某型載重為15T的重載AGV為研究對(duì)象，運(yùn)用ANSYS Workbench的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，為重載AGV的輕量化設(shè)計(jì)提供一個(gè)可借鑒的思路。

1 參數(shù)化三維建模

本文研究的某型載重為15T的重載AGV如圖1所示。其中作為AGV承載基體的車架是占整個(gè)車體重量比例最大的部件，所以首先對(duì)車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。圖2是用Creo Parametric建立的車架三維模型，為降低有限元分析難度，車架三維模型做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化：略去對(duì)車架整體變形和內(nèi)力分布影響較小的非承載構(gòu)件[2]；忽略縱橫梁上的非連接孔，以更好地保證有限元網(wǎng)格重量；忽略半徑較小的曲面倒角。

圖1 某型15T重載AGV

圖2 重載AGV車架三維模型

車架主要由矩形管和板材焊接而成，材料均為Q235。經(jīng)測(cè)量，車架長(zhǎng)10524mm，寬2000mm，總重5220kg。本模型對(duì)其中重要的梁與支撐板進(jìn)行了參數(shù)化建模，將矩形管的壁厚以及焊接板的厚度作為參數(shù)，共計(jì)8個(gè)參數(shù)。

2 靜態(tài)有限元分析

將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)有限元分析。首先進(jìn)行分析前處理：采用自由劃分的形式對(duì)車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元尺寸為100mm，共得到111219個(gè)節(jié)點(diǎn)24772個(gè)單元；按實(shí)際工況施加自重載荷和工作載荷15kN；約束采用Cylindrical Support，施加在輪系支撐板的上的圓柱面上。

然后進(jìn)行分析計(jì)算，得到如圖3、圖4的車架應(yīng)力分布圖和車架變形分布云圖。

圖3 車架應(yīng)力分布云圖

圖4 車架變形分布云圖

由上圖可知車架最大應(yīng)力σ約為57.5MPa，最大變形δ約為2mm。

車架焊接件的材料均為Q235，其屈服強(qiáng)度為235MPa。考慮實(shí)際工作狀況，安全系數(shù)取3，則許用應(yīng)力為：

由計(jì)算結(jié)果：

所以本車架的強(qiáng)度滿足要求。

根據(jù)本車的實(shí)際情況，車架變形在3mm之內(nèi)可滿足重載AGV的平穩(wěn)使用。計(jì)算結(jié)果為2mm，所以本車架的剛度亦滿足要求。

3 輕量化設(shè)計(jì)

3.1 輕量化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

為了有更好的優(yōu)化效果，車體材料改用更高強(qiáng)度的Q345焊接，安全系數(shù)取為3，許用應(yīng)力[σ]=115MPa。以車架的各重要焊接梁與焊接板的厚度為變量，車架總重量為目標(biāo)函數(shù)，最大應(yīng)力和變形為約束條件，建立車架的輕量化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，可表示為：

3.2 優(yōu)化參數(shù)靈敏度分析

本車架初步選定矩形管的壁厚以及焊接板的厚度共8個(gè)變量作為輸入?yún)?shù)。為減少運(yùn)算量，將車架重量作為輸出參數(shù)，對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行敏感性計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，得到相關(guān)參數(shù)的對(duì)車架重量敏感度如圖5所示。由圖可知， DS_T2、DS_T3、DS_T5、DS_T7、DS_T8敏感度較大，說明其變化對(duì)車架重量影響較大。所以，選取DS_T2、DS_T3、DS_T5、DS_T7、DS_T8作為首先優(yōu)化的參數(shù)，之后再優(yōu)化其余參數(shù)。

圖5 優(yōu)化參數(shù)敏感性

3.3 輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果

設(shè)定優(yōu)化的條件，根據(jù)材料實(shí)際規(guī)范，DS_T2、DS_T3變化范圍設(shè)定為3～6mm， DS_T6變化范圍設(shè)定為3～5mm ，DS_T7變化范圍設(shè)定為8～15mm，DS_T8變化范圍設(shè)定為8～17mm。然后設(shè)定車架重量最小為計(jì)算目標(biāo)，車架最大應(yīng)力小于115MPa，變形小于3mm為約束條件。

經(jīng)過計(jì)算，得到滿足優(yōu)化條件的結(jié)果，考慮材料實(shí)際規(guī)格和設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)優(yōu)化結(jié)果尺寸進(jìn)行圓整，得到實(shí)際優(yōu)化尺寸，如表1所示。

表1 尺寸優(yōu)化前后對(duì)比（1）

然后再對(duì)其余參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行圓整得到優(yōu)化尺寸，如表2所示。

表2 尺寸優(yōu)化前后對(duì)比（2）

按照優(yōu)化后的尺寸，重新計(jì)算車架重量、應(yīng)力與變形，得到優(yōu)化前后的對(duì)比情況，如表3所示。

表3 優(yōu)化結(jié)果前后對(duì)比

從表3中可以看出，在滿足車架強(qiáng)度與剛度的條件下，車架重量從5288kg減到3042kg，減小重量為2242kg。

按照同樣的思路，對(duì)重載AGV其余結(jié)構(gòu)件也進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，可減少重量約500kg，此處不再詳述。

4 輕量化設(shè)計(jì)實(shí)際效果評(píng)價(jià)

經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)，重載AGV車架重量減少2214kg，其他結(jié)構(gòu)件重量減少500kg，總共減少了約2714kg的重量。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，重載AGV與貨物的總重量約在22.5T，所減少的重量約占到總重量的12%。

從工作情況看，經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)，重載AGV運(yùn)行動(dòng)力性會(huì)得到提升，對(duì)地面要求與損壞也會(huì)減小。

從節(jié)能減排角度看，每臺(tái)AGV驅(qū)動(dòng)功率為6kW，假設(shè)車間共10臺(tái)AGV同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，一年200天3班制的工況，則一年內(nèi)總節(jié)能可以達(dá)到：

從以上分析可以看出，本重載AGV的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)AGV的實(shí)際運(yùn)行起到的一定積極效果，同時(shí)可以降低企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，并且在節(jié)能減排上也有明顯的意義。

5 結(jié)論

本文用Creo Parametric對(duì)某型15T重載AGV車架進(jìn)行了參數(shù)化三維建模，并與ANSYS Workbench實(shí)現(xiàn)對(duì)接，建立了有限元分析模型，然后對(duì)車架進(jìn)行了靜態(tài)有限元分析。利用靈敏度分析，確定作為輕量化設(shè)計(jì)的優(yōu)化參數(shù)。利用ANSYS Workbench的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能計(jì)算得到優(yōu)化結(jié)果，達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目的。經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)，重載AGV總共減少重量2714kg，約占到重載AGV車重加載荷總重量的12%，對(duì)重載AGV動(dòng)力性提升，企業(yè)的降低運(yùn)營(yíng)成本，減輕環(huán)境污染都起到一定積極效果。為設(shè)計(jì)人員對(duì)重載AGV確定結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸提供了依據(jù)，并對(duì)行業(yè)中相關(guān)重載AGV輕量化設(shè)計(jì)提供了可借鑒的思路。

[1] 徐清.自動(dòng)導(dǎo)引小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學(xué),2006.

[2] 李承德.整車系統(tǒng)多自由度模擬及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析[J].吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1993(3)：26-41.

Research on lightweight of heavy load AGV

LIU Guo-gang

TH22

A

1009-0134(2014)05(下)-0101-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).28

2013-11-29

劉國(guó)剛（1988 -），男，北京人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代物流機(jī)械設(shè)備的研究。