搬运式AGV车架优化设计

根据某AGV车架的模型，分析最大载荷下车壳内部框架的静力学结果，得到车架受载的应力状态和变形状况。在车架受载情况下对材料截面进行优化，利用ANSYS软件的拓扑优化模块，采用变密度方法优化得到车架管的最优截面形状。在Optimization模块中建立以质量、应力和形变量为目标的优化模型，对其影响壁厚的2个参数进行优化，得到模型经过设计仍能满足强度和刚度条件。结果显示，原有设计车架减重20%，减少了材料使用，得到了最终设计模型结构。

0 引言
AGV 搬运小车是针对自动化生产线和自动化物流而开发的系列产品，根据现代工业生产物料紧张的需求而研发，专为工业物料搬运而生的智能搬运设备 [1]。车架是 AGV 小车的外部结构，与搬运的货物直接接触，是主要承载区，也是易变形的区域 [2]。AGV 车架的优化设计很有必要，对 AGV 小车的承载能力、轻量化和制造过程具有一定的意义。本文对 AGV 车架进行了静力学分析，为了实现车架的轻量化要求，通过 ANSYS 软件采用变密度法在车架受载情况下对其进行优化，得到空心管模型；对模型简化修复，进而通过 Optimization 模块对壁厚进行多目标优化。结果显示，在最大载荷下，车架自身质量减少了 20%，应力和变形量并没有大幅增加，最终得到的模型仍能满足载荷下的应力要求和变形要求。
1 AGV 车架的静力学分析
1.1 模型初步设计
根据 AGV 小车的工作状况，对 AGV 车架进行初步设计，其基本结构参数为长 800×500 mm，高200 mm。车架内部焊接而成，如图 1 所示。车架材料为铸铝合金，质量轻，材料参数如表 1 所示。

1.2 划分网格
对车架的内部铝合金架进行静力学分析，将车架结构分离出来，同时将表 1 中的材料数据导入 Workbench 的数据库中。对车架进行网格划分，软件中提供了多种划分单元的方法，本文采用六面体主导法对车架结构划分单元 [3]，设置网格直径为5 mm，最终划分网格有限元模型共 23 942 个单元，节点数为 132 672，网格质量绝大部分集中在 0.80以上，网格质量平均值已达到了 0.98。如图 2 所示，划分的网格均匀良好，没有畸形网格，可以对模型进行下一步分析。

1.3 施加载荷
背负式 AGV 小车车体的主要受压区在小车顶部，其受载主要靠底板对车架的支撑作用，忽略掉各处的摩擦力和安装的紧固力，车体承受的负载力约为 5 000 N。由于小车为四轮支撑，所以其受力呈 4 个区域均匀对称分布，承载力区域为模型端面的上部 [4]。车架受载如图 3 所示，AGV 小车搬运重物受载的均布压力 5 000 N，固定约束位于底部。
1.4 静力学结果
静力学分析得到，AGV 车架在受载情况下，车架主要变形区集中在车架端面中间位置，最大变形的位移为 0.25 mm，最大应力在车架两侧的端部，最大等效应力求解结果为 28.516 MPa，其变形云图和应力云图如图 4、图 5 所示。主要集中在模型中间和固定约束处，模型应力最大处的等效应力远小于极限值，在此基础上对模型结构进行优化。

在上述的载荷条件下，对车架的总变形和等效应力进行求解，对比材料的属性，其结构整体强度满足要求。
2 拓扑优化
拓扑优化在零部件概念设计阶段有重要的指导价值 [5-7]。连续体结构拓扑优化是寻找材料的最佳分布，在均匀分布的材料的设计空间中找到最佳的分布方案。连续体的拓扑优化方法目前主要有均匀化法、变密度法、水平集方法等 [6]。本文采用变密度法，以 AGV 小车车架的最小柔度为目标，基于OC 准则，使用 ANSYS 的拓扑优化模块对车架结构进行优化，得到了车架材料的最佳分布和车架的最佳截面形状。
2.1 拓扑优化数学模型
在优化过程中，以车架管内材料为优化区域，管壁外侧为非优化区域。该模型是以结构的最小柔度为目标，在受载情况下，满足其应力和刚度条件。设置保留材料 20%，设置惩罚因子为 3，迭代终止精度为 0.001，数学模型如式（1）所示。