基于ANSYS 的AGV 小车底盘优化设计

胡聪慧，金晓怡，何志坤，奚鹰，江鸿怀

（1.201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院；2.201804 上海市 同济大学 机械与能源工程学院）

0 引言

近些年来，随着智能仓储业的快速发展，无人引导小车（Automated Guided Vehicle，AGV）作为智能仓储环节的重要工具，受到国内外研究团队的广泛关注。AGV 小车是一种新型移动机器人，能够按照规定路径运载货物，被生产车间、仓库、危险场所等领域使用[1]。底盘是AGV 小车的主要承载结构[2]，由于承载较大的物料及货物，小车行驶稳定性会受到很大影响，所以需对其底盘强度、质量及结构进行优化。通过ANSYS 对AGV 底盘静力学分析[3]，保证在正常工作前提下，基于变密度法和水平集法对底盘进行拓扑优化，设计出新模型，减小AGV 小车底盘质量，实现轻量化。

1 AGV 小车底盘静态分析

AGV 小车主要由驱动、转向、负载、动力源、传感器和控制器6 大部分组成[4]。其中，底盘是负载部分的主要组成结构。驱动轮采用麦克纳姆轮，并以X-长方形的形式安装在底盘上，各个麦克纳姆轮分别与一个驱动电机连接，每个电机都由控制器单独控制，得到一个简易的AGV 小车底盘框架，如图1 所示。

图1 AGV 小车简易框架Fig.1 Simple frame of AGV

1.1 底盘模型设计

为确保静力学分析结果可靠，按照与AGV 小车底盘实际尺寸同样的比例，简要绘制AGV 小车底盘三维模型，并将底盘按要求简化，包括忽略一些过渡处的圆角和倒角；不考虑对静力学分析无实际作用的控制元件的影响以及对底盘刚度和强度影响较小的其他结构；不考虑部件之间焊接带来的影响；省略麦克纳姆轮，在其与底盘连接处施加固定载荷以减少网格划分，降低工作量。得到简化后模型如图2 所示[5]，简化后模型的尺寸数据见表1。

图2 简化后AGV 小车底盘模型Fig.2 Simplified AGV chassis model

表1 简化底盘模型参数Tab.1 Parameters of simplified chassis model

1.2 施加载荷和固定约束

由于AGV 小车在运载货物过程中沿着固定路径匀速行驶，可以将底盘所承受的压力施加为静态载荷。通过ANSYS 中静力学分析模块对AGV 小车底盘施加载荷和固定约束，如图3 所示。

图3 施加载荷和固定约束Fig.3 Applying loads and fixed constraints

在A部分轴承孔设置为固定约束。施加载荷时，考虑到货物、电机、控制装置、车壳以及其他附件的质量，将载荷矢量简化到轮胎附近B 区域均匀分布受载，施加远程载荷（Remote force）5 000 N。同时采用Hex-dominant(六面体主导)方法对底盘进行网格划分，网格大小设置为7.5 mm，得到网格节点数90 117，数量为17 694，网格质量（Element quality）约0.91，为优良。经过软件计算后，得到在施加载荷和固定约束后小车底盘的位移云图和等效应力云图，分别如图4、图5 所示。

图4 施加载荷和固定约束后位移云图Fig.4 Displacement cloud after applying load and fixed constraints

图5 施加载荷和固定约束后等效应力云图Fig.5 Von-Mises stress after applying load and fixed constraints

图4 表明，底盘变形最大区域分布在中心位置，4 个边角变形最少。图5 表明，受力情况沿底盘中心线轴对称分布。由计算结果可知，AGV 小车底盘最大位移变形量为0.134 mm；最大等效应力对称分布在浅色区域，数值为39.366 MPa。底盘结构采用屈服强度为235 MPa的普通碳钢板作为材料[6]，其材料属性见表2。由此可知，AGV 小车底盘的最大等效应力并没有超过材料的屈服强度，满足强度设计和稳定性，符合实际要求。

表2 材料参数Tab.2 Material parameters

2 拓扑优化

拓扑优化主要包含两大领域：连续体拓扑优化、离散结构拓扑优化。其中，材料的分布情况作为连续体结构拓扑优化的优化对象，找到最佳的分布方案是优化的最终目的。目前，连续体的拓扑优化方法主要有均匀化方法、变密度法、水平集法等[7]，下面将分别采用变密度法和水平集法对AGV 小车底盘进行拓扑优化。

2.1 基于变密度法底盘拓扑优化

结合AGV 小车底盘的结构特点应用变密度法、选用连续体结构进行拓扑优化[8]。变密度法是指假设所用的材料密度不确定，将其值设置为[0，1]之间的连续变量，并依据材料密度和自身属性的函数关系，对实体进行拓扑优化[9]。

表3 变密度法数学模型Tab.3 Mathematical model of variable density method

将布置控制器等元件以及安装孔等必要的位置预留出来，设置为不优化区域，其他位置均设置为可优化区域，如图6 所示。

图6 设置优化区域Fig.6 Set up optimization area

设置质量保留30%为约束条件，并在拓扑优化中选择“拓扑优化-基于密度法”，对AGV 小车底盘模型进行拓朴优化，迭代了73 次后，得到结果如图7 所示。再将拓扑优化后的模型导入ANSYS 的Spaceclaim 中进行修复微调，得到一个新的AGV 小车底盘模型，如图8 所示。

图7 基于变密度法拓扑优化结果Fig.7 Topology optimization results based on variable density method

图8 基于变密度法拓扑优化改进后的模型Fig.8 Improved model based on variable density topology optimization

2.2 基于水平集法底盘拓扑优化

水平集法的思想是将该n维界面转换补充到成n+1 维空间，并将该界面看作n+1 维空间水平集函数的零水平集[10]。零水平集随着水平集函数的演算和迭代而不断变化，当其趋于平稳状态时，迭代停止，计算结束[11]。

在软件ANSYS 中设置与上节同样的优化区域和表4 的条件，迭代58 次后，得到拓扑优化结果（如图9 所示），并将其修复（如图10 所示）。

表4 水平集法数学模型Tab.4 Mathematical model of level set method

图9 基于水平集法拓扑优化结果Fig.9 Topology optimization results based on level set method

图10 基于水平集法拓扑优化改进后的模型Fig.10 Improved model based on level set topology optimization

3 改进后的模型静力学分析

对基于变密度法和水平集法拓扑优化修复得到新模型施加与原模型相同的载荷和固定约束，得到的结果见表5。

表5 优化结果对比Tab.5 Comparison of optimization results

由计算结果可知，基于变密度法设计的AGV小车底盘最大位移变形量约为0.455 mm，最大等效应力为85.984 MPa，相较未优化模型最大位移变形量增加了0.321 mm，最大等效应力增加了46.618 MPa，虽都有少量的增加，但都在设计要求之内。基于水平集法设计的模型最大位移变形量约为0.408 mm，最大等效应力为60.209 MPa，最大等效应力对称分布在轴中心线两侧，数值为60.209 MPa，相较未优化模型，最大位移变形量增加了0.274 mm，最大等效应力增加了20.843 MPa。其中，2 种方法的质量和体积都较之前分别下降了65.7%，60%。

对比优化结果可知，2 种方法的优化结构满足质量下降的条件，在静力学分析中得到的结果表明位移量都在允许的范围内，且最大等效应力都没有超过材料的屈服强度，满足设计要求。根据实际应用情况，在载荷相同的条件下，小车质量越小越好，所以选用基于变密度法设计的AGV 小车底盘。

4 结论

（1）通过使用ANSYS 软件对简化的AGV 小车底盘进行静力学分析，得到AGV 小车底盘变形和受力结果。

（2）以保留质量30%为目标，分别采用变密度法和水平集法对底盘进行拓扑优化，对根据拓朴优化结果修复得到新的模型再次进行静力学分析。结果显示，在同样满足强度要求下，选择质量较轻的结构，选用基于变密度法设计的AGV 小车底盘较好。