重載AGV輕量化設計研究

劉國剛

（機械科學研究總院，北京 100044）

重載AGV輕量化設計研究

劉國剛

（機械科學研究總院，北京 100044）

以某型載荷為15噸的重載AGV為研究對象，主要對占車體重量比例最大的車架進行了輕量化設計。運用Creo Parametric建立車架參數化三維模型，并與ANSYS Workbench實現對接，對車架進行靜態有限元分析。然后基于ANSYS Workbench的優化設計功能，以車架總重量為目標函數，各焊接型材厚度為優化變量，對車架進行優化設計。最后對輕量化設計實際效果進行評價，為重載AGV輕量化設計提供了可借鑒的思路。

AGV；車架；有限元；輕量化

0 引言

自動導航車（Automated Guided Vehicles，AGV）又名無人搬運車，出現于20 世紀50年代，是一種自動化的無人駕駛的智能化搬運設備，屬于移動式機器人系統，能夠沿預先設定的路徑行駛，是現代工業自動化物流系統如計算機集成制造系統（CIMS）中的關鍵設備[1]。10～40噸級別的重載AGV代表著國內AGV研發的先進技術水平，對提高重載領域物流自動化水平，減輕人的勞動強度，提高生產效率，縮短物流周期，提升經濟效益都具有重要的現實意義。

重載AGV輕量化是研發設計中的一個很有意義的方面。在滿足安全性能的前提下，重載AGV越輕，則運行動力性越好，對地面要求與損壞也會越小。從節能減排角度看，重載AGV輕量化還可減少能耗，從而降低企業運營成本與對環境的污染。本文以某型載重為15T的重載AGV為研究對象，運用ANSYS Workbench的優化設計功能對其進行優化，為重載AGV的輕量化設計提供一個可借鑒的思路。

1 參數化三維建模

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車體重量比例最大的部件，所以首先對車架進行輕量化設計。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的簡化：略去對車架整體變形和內力分布影響較小的非承載構件[2]；忽略縱橫梁上的非連接孔，以更好地保證有限元網格重量；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。經測量，車架長10524mm，寬2000mm，總重5220kg。本模型對其中重要的梁與支撐板進行了參數化建模，將矩形管的壁厚以及焊接板的厚度作為參數，共計8個參數。

2 靜態有限元分析

將模型導入ANSYS Workbench中，對車架進行靜態有限元分析。首先進行分析前處理：采用自由劃分的形式對車架進行網格劃分，設置單元尺寸為100mm，共得到111219個節點24772個單元；按實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。

然后進行分析計算，得到如圖3、圖4的車架應力分布圖和車架變形分布云圖。

圖3 車架應力分布云圖

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，其屈服強度為235MPa。考慮實際工作狀況，安全系數取3，則許用應力為：

由計算結果：

所以本車架的強度滿足要求。

根據本車的實際情況，車架變形在3mm之內可滿足重載AGV的平穩使用。計算結果為2mm，所以本車架的剛度亦滿足要求。

3 輕量化設計

3.1 輕量化設計數學模型

為了有更好的優化效果，車體材料改用更高強度的Q345焊接，安全系數取為3，許用應力[σ]=115MPa。以車架的各重要焊接梁與焊接板的厚度為變量，車架總重量為目標函數，最大應力和變形為約束條件，建立車架的輕量化設計數學模型，可表示為：

3.2 優化參數靈敏度分析

本車架初步選定矩形管的壁厚以及焊接板的厚度共8個變量作為輸入參數。為減少運算量，將車架重量作為輸出參數，對輸入參數進行敏感性計算。經計算，得到相關參數的對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作為首先優化的參數，之后再優化其余參數。

圖5 優化參數敏感性

3.3 輕量化設計結果

設定優化的條件，根據材料實際規范，DS_T2、DS_T3變化范圍設定為3～6mm， DS_T6變化范圍設定為3～5mm ，DS_T7變化范圍設定為8～15mm，DS_T8變化范圍設定為8～17mm。然后設定車架重量最小為計算目標，車架最大應力小于115MPa，變形小于3mm為約束條件。

經過計算，得到滿足優化條件的結果，考慮材料實際規格和設計規范，對優化結果尺寸進行圓整，得到實際優化尺寸，如表1所示。

表1 尺寸優化前后對比（1）

然后再對其余參數進行計算，并進行圓整得到優化尺寸，如表2所示。

表2 尺寸優化前后對比（2）

按照優化后的尺寸，重新計算車架重量、應力與變形，得到優化前后的對比情況，如表3所示。

表3 優化結果前后對比

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

按照同樣的思路，對重載AGV其余結構件也進行輕量化設計，可減少重量約500kg，此處不再詳述。

4 輕量化設計實際效果評價

經過輕量化設計，重載AGV車架重量減少2214kg，其他結構件重量減少500kg，總共減少了約2714kg的重量。實際運行時，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，經過輕量化設計，重載AGV運行動力性會得到提升，對地面要求與損壞也會減小。

從節能減排角度看，每臺AGV驅動功率為6kW，假設車間共10臺AGV同時進行作業，一年200天3班制的工況，則一年內總節能可以達到：

從以上分析可以看出，本重載AGV的輕量化設計對AGV的實際運行起到的一定積極效果，同時可以降低企業的運營成本，并且在節能減排上也有明顯的意義。

5 結論

本文用Creo Parametric對某型15T重載AGV車架進行了參數化三維建模，并與ANSYS Workbench實現對接，建立了有限元分析模型，然后對車架進行了靜態有限元分析。利用靈敏度分析，確定作為輕量化設計的優化參數。利用ANSYS Workbench的優化設計功能計算得到優化結果，達到了輕量化設計的目的。經過輕量化設計，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%，對重載AGV動力性提升，企業的降低運營成本，減輕環境污染都起到一定積極效果。為設計人員對重載AGV確定結構參數尺寸提供了依據，并對行業中相關重載AGV輕量化設計提供了可借鑒的思路。

[1] 徐清.自動導引小車系統的設計與實現[D].蘇州：蘇州大學,2006.

[2] 李承德.整車系統多自由度模擬及隨機振動響應分析[J].吉林工業大學學報,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

劉國剛（1988 -），男，北京人，碩士研究生，主要從事現代物流機械設備的研究。