張軍，何芳

（長(zhǎng)江師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，重慶涪陵408100）

基于ANSYS一種轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)關(guān)鍵件有限元分析

張軍，何芳

（長(zhǎng)江師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，重慶涪陵408100）

以一種轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)作為研究對(duì)象，對(duì)小車(chē)基本結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵件車(chē)架進(jìn)行了分析。運(yùn)用軟件ANSYS Workbench，建立車(chē)架的有限元模型。對(duì)小車(chē)車(chē)架的靜力學(xué)進(jìn)行分析，求解車(chē)架的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，對(duì)車(chē)架的承載能力進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)車(chē)架進(jìn)行模態(tài)分析，得到車(chē)架的固有頻率和振型圖，分析了車(chē)架的固有頻率和振型對(duì)該轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)特性的影響。

轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)；Workbench；靜力學(xué)分析；模態(tài)分析

工廠物流自動(dòng)化、柔性制造技術(shù)隨著工業(yè)4.0的提出逐漸發(fā)展成為一個(gè)新的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域[1-3]。而自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)因其自動(dòng)化程度高，安全靈活在工廠物流自動(dòng)化、智能制造技術(shù)等領(lǐng)域里面起著至關(guān)重要的作用[4]。

本文以一種自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)為研究對(duì)象，對(duì)小車(chē)的承載關(guān)鍵件進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析，為小車(chē)在設(shè)計(jì)過(guò)程中提供理論依據(jù)。

1　轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)工作原理

本文所研究的轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)如圖1所示，主要由蓋板、車(chē)架、行車(chē)輪、電池箱、導(dǎo)航儀、驅(qū)動(dòng)單元等結(jié)構(gòu)組成。四個(gè)行車(chē)輪均勻布置在車(chē)架的四個(gè)角落，在小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中主要起輔助小車(chē)保持平衡作用，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元由4個(gè)直流伺服電機(jī)提供動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)物流轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)行走。該小車(chē)通過(guò)導(dǎo)航儀進(jìn)行坐標(biāo)定位，能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退、側(cè)移以及原地轉(zhuǎn)彎。因此，在現(xiàn)代制造生產(chǎn)車(chē)間以及物流行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。鑒于該小車(chē)在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中主要承擔(dān)貨物的重量，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中為了保證該轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)有足夠的承載能力和在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中擁有良好的動(dòng)態(tài)特性，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)該小車(chē)車(chē)架進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。小車(chē)關(guān)鍵件車(chē)架三維模型如圖2（a）所示。該車(chē)架采用邊長(zhǎng)為50 mm的方管通過(guò)焊接而成，該車(chē)架總長(zhǎng)1 800 mm，總寬1 250 mm.具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖2（b）所示。

圖1　轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)結(jié)構(gòu)圖

圖2　小車(chē)關(guān)鍵件（車(chē)架）

2　車(chē)架結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析

2.1有限元模型建立

對(duì)該轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)的工作條件和承載能力進(jìn)行分析，通過(guò)靜力學(xué)分析對(duì)小車(chē)車(chē)架在承載情況下的變形情況，對(duì)小車(chē)車(chē)架尺寸是否合理以及是否能夠正常工作進(jìn)行判別。為了提高有限元分析的可行性和效率，去掉車(chē)架的連接螺栓等小部件，通過(guò)PRO/E軟件對(duì)小車(chē)車(chē)架進(jìn)行三維建模，將模型保存為（*.igs）格式的文件，導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，在材料庫(kù)中自定義整個(gè)模型的材料為45#鋼，彈性模量為E=2.09×105MPa，密度D=7 890 kg/m3；泊松比μ=0.269.利用Workbench中網(wǎng)格控制命令設(shè)置網(wǎng)格的尺寸為10 mm.

2.2靜力學(xué)分析

由于轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)在工作過(guò)程中需要承受較大載荷，而小車(chē)車(chē)架是轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)的主要受力部件，通過(guò)對(duì)車(chē)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，找出車(chē)架的薄弱環(huán)節(jié)。先對(duì)車(chē)架與驅(qū)動(dòng)單元和行車(chē)輪連接處施加一個(gè)固定約束，而轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)承受的載荷則簡(jiǎn)化為車(chē)架表面承受的載荷，施加一個(gè)載荷大小為2 t的載荷力。得到小車(chē)車(chē)架的總位移云圖和應(yīng)力云圖，如圖3和圖4所示。從車(chē)架位移云圖中，可以看出最大應(yīng)變發(fā)生在車(chē)架的邊緣處，大小為0.000 963 mm，應(yīng)變量非常小，完全滿足使用要求。從車(chē)架應(yīng)力云圖中可以看出小車(chē)車(chē)架受力相對(duì)比較均勻，最大的應(yīng)力發(fā)生在車(chē)架與行車(chē)輪接觸附近，大小為201.17 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于45#鋼的屈服極限，滿足要求。

圖3　車(chē)架位移云圖

圖4　車(chē)架應(yīng)力云圖

3　車(chē)架模態(tài)分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型[5]。模態(tài)分析亦即自由振動(dòng)分析，是求解結(jié)構(gòu)在無(wú)阻尼自由振動(dòng)情況下的振動(dòng)特性，即固有頻率和振型，避免在實(shí)際工況中因共振而造成結(jié)構(gòu)的損壞[6]?？紤]到轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)在負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中因地面不平整會(huì)受到一定的振動(dòng)沖擊的影響，因此，對(duì)該車(chē)架的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，就顯得非常重要。轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)在工作過(guò)程中高階模態(tài)阻尼相對(duì)較大，對(duì)車(chē)架性能的影響較小，而低階模態(tài)對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)的性能影響較大，在這里只提取前六階固有頻率和振型作為研究，如圖5所示。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖5　車(chē)架前六階振型圖

根據(jù)振型圖，可以得出：（1）第一階振型在YZ平面內(nèi)擺動(dòng)，第二階振型在YZ平面扭曲，第三階振型和第四階振型在XY平面扭曲，第五階振型和第六階振型在XY平面扭曲。（2）振幅最大位置主要發(fā)生在小車(chē)車(chē)架中間的骨架上。在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以適當(dāng)增加車(chē)架方管的尺寸或者選用強(qiáng)度較大的材料以提高車(chē)架的抗振性能。（3）由于車(chē)架在低階振型中主要為擺動(dòng)和扭曲，各個(gè)方管連接處的容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)過(guò)程中可以適當(dāng)增加一些輔助裝置來(lái)保持車(chē)架的穩(wěn)定性。

4　結(jié)論

本文對(duì)一種轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析，以小車(chē)車(chē)架為研究對(duì)象，通過(guò)三維建模軟件PRO/E對(duì)其進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行了靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析。從靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析可以得出：小車(chē)車(chē)架在2 t載荷的作用下，車(chē)架的最大應(yīng)變和應(yīng)力發(fā)生在邊緣位置，應(yīng)力和應(yīng)變均滿足車(chē)架的使用要求。通過(guò)對(duì)車(chē)架進(jìn)行模態(tài)分析，得到了車(chē)架的前六階固有頻率和振型，發(fā)現(xiàn)車(chē)架主要振型為擺動(dòng)和扭曲，最大變形位置主要發(fā)生在車(chē)架中間，針對(duì)這種變形，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，適當(dāng)增加車(chē)架方管的尺寸或者采用高強(qiáng)度的材料以提高車(chē)架的動(dòng)態(tài)性能，從而保證轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)能夠正常進(jìn)行工作。

[1]任云星，馬世杰.AGV+工業(yè)機(jī)器人在精密搬運(yùn)中的運(yùn)用[J].山西電子技術(shù)，2016，（3）：51-52，57.

[2]馮星華.AGV及其控制系統(tǒng)研制[J].電子機(jī)械工程，2001，89（1）：31-33.

[3]王軍建，尚小輝.AGV小車(chē)技術(shù)及其在汽車(chē)制造行業(yè)的應(yīng)用[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2016，（5）：187-189，199.

[4]周愛(ài)國(guó)，陸亮，陸敏恂.全方位移動(dòng)式AGV技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36（8）：10-14.

[5]凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS Workbench13.0從入門(mén)到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

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Finite Element Analysis of Key Parts of a Transport Trolley Based on ANSYS

ZHANG Jun，HE Fang
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Yangtze Normal University，F(xiàn)uling Chongqing 408100，China）

In this paper，a transport vehicle as the research object，the basic structure of the car and the key parts of the frame were analyzed.The finite element model of the frame was established by using the software Workbench ANSYS.The static analysis of the trolley frame is carried out to solve the stress and strain distribution of the frame，and the carrying capacity of the frame is verified.By modal analysis of the frame，the natural frequency and vibration mode of the frame are obtained，and the influence of the natural frequency and vibration mode of the frame on the dynamic characteristics of the moving vehicle is analyzed.

transport trolley；workbench；static analysis；modal analysis

TH114

A

1672-545X（2016）10-0015-03

2016-07-11

長(zhǎng)江師范學(xué)院科研資助項(xiàng)目（2013XJYB004，2014QN018）

張軍（1987-），男，重慶涪陵人，碩士研究生，主要從事機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)電一體化研究。