以自动导引车（Automated Guided Vehicle，AGV）作为载具的智能化运输方式，具有提高生产力、减少输送错误、节约劳动成本、提高过程安全性等优势，在智能仓储系统中具有无可替代的核心地位，AGV 已成为柔性制造领域的重大刚性需求[1]。目前国内的 AGV 生产商以中、轻载为主，重载AGV 的开发尚处于探索阶段。而在航空航天、港口船舶、特大型工程等经常需要调度大型、重型设备的行业中，重载 AGV 高效及敏捷的操作是解决其中长久存在的输送、配合问题的有效手段，因此吸引了学术及工业界的广泛关注[2]。现有的重载 AGV 存在质量重、耗能高的问题，若能对重载 AGV进行车身总成优化设计，并在其关键承载部件中选择性应用轻质材料，则可以在保证工程安全的前提下降低重载 AGV 的重量、节约能源消耗，间接降低制造成本，推广其在智能产线中的使用。
优化方法方面，针对连续体的拓扑优化决定了材料在设计域内的最佳空间分布，已被成功应用于航空航天[3,4]、增材制造[5]、建筑工程[6]、车辆制造[7]等领域，其目的是优化结构受力和材料配置，实现轻量化设计以节约制造成本。渐进结构法（Evolutionary Structural Optimization，ESO）由 Xie 和 Steven[8,9]于 1993 年提出，该方法将初始结构划分为单元，逐步删去低效单元以使得结构受力更加均匀。渐进结构法计算简单，易于实现，发展迅速，Huang 和 Xie[10]在此基础上提出双向渐进结构法（Bi-directional ESO，BESO），在逐步删去低效单元的同时，在高效单元附近生成单元以使结构更快趋于优化。才琪等[11]将能量原理及满应力设计准则与 BESO 法结合，使之适用于桁架结构优化设计，结果表明，采用该方法的基结构优化结算结果与解析解误差小于 1%。程自然等[12]基于 ESO 法对碟式聚光器进行多层次优化设计，消除棋盘格现象之后提取了拓扑结构的特征线，随后沿特征线确定截面尺寸，新结构重量降低了 34.4%且自重下最大形变无显著变化。Bahramian 等[13]使用 BESO 算法对承受轴向载荷的薄壁方管进行了拓扑优化，以提高其耐撞性能，结果显示，在牺牲不到 3.5%的能量吸收的情况下，重量减少了 16.21%，压碎力峰值提高了 35.67%。因此 Bahramian 等人认为该算法在大变形和面外屈曲下设计薄壁结构方面具有很高的潜力。
轻质材料方面，碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）因其优异的综合性能加速普及，其力学性能[14]、成型工艺[15]、异种材料连接[16]等方面研究均有拓展。由于其高比强度、高比模量，以及低比重和优异的抗疲劳性能，成为轻量化设计中理想的材料，因此在全球范围内需求量与使用量均逐年提升。然而，对于 CFRP 构件，铺层角度、厚度和形状极大影响了其成型后的力学性能。王庆等[17]对CFRP 设计的保险杠进行了拉丁超立方采样、Kriging近似建模技术与遗传算法优化求解，表明在满足碰撞性要求后，CFRP 保险杠有效减重 36.4%。Liang 等[18]模拟、制造并实验验证了不同层数、不同纤维方向的 CFRP起落架，研究表明当承受垂直载荷时，[0]12层设计展现出较高强度，[0/90]6 层设计其次，[0/90/45/-45/90/0]对称铺层则具备更好的纵向应变。Ma 等[19]针对汽车下曲轴箱提出工艺与结构一体化优化方法，以铺层厚度、形状和顺序为变量，纤维以初始角度[45/-45/0/90]5 层进行堆叠，并在 Optistruct solver中求解，研究表明与金属油底壳相比，CFRP油底壳减重率达 66%。综上所述，重载 AGV存在发展时间较短与普及速度较快的双重特征，现有的承载部件制造大多依托于经验设计，存在较大的优化空间。此外，目前重载 AGV 优化设计研究中以 CFRP 作为轻质替换材料的研究较少。
本文基于 BESO 法对重载 AGV 承载车架及舵轮安装板分别进行拓扑优化，得到满足实际工程需要的车身总成结构。其次使用真空辅助树脂传递模塑（Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，VARTM）工艺制备CFRP 试样进行力学性能实验，计算得到其性 能 参 数 。 随 后 针 对 纤 维 初 始 角 度 为[0/45/90/-45]的 CFRP 进行铺层角度优化。最后在 COMSOL Multiphysics 5.6 中，针对新车身总成进行动核定工况的有限元分析，求解特征频率及对应模态，验证优化结果，建立从材料到结构的完整重载 AGV 轻量化设计流程。
1 物理模型
重载 AGV 由于承载以及输送要求，一般采取对称设计，驱动形式为多舵轮组共同驱动，以达到承载平衡、无需转弯半径的目的，各轮间通过转速和旋向的配合即可实现AGV 的全方位运动[20]。现分割出单个驱动承载单元，由车架结构及舵轮安装板两部分组成，
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