CN109753699A - 智能停车场agv小车车架设计与优化方法 - Google Patents

智能停车场agv小车车架设计与优化方法 Download PDF

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许鑫
郭世勇
孙会忠
李春录
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Abstract

本发明公开了一种智能停车场AGV小车车架设计与优化方法，包括以下步骤:建立AGV小车车架实体模型；建立车架有限元模型并在运行工况下进行静态分析；对车架进行结构优化设计；根据有限元模型的静态分析结果，对车架受应力较小的区域设置减重孔；对AGV小车车架以质量作为设计目标，对车架在运行工况下的最大位移、最大应力值设置限制的前提下，对结构优化和设置减重孔的车架有限元模型进行尺寸优化，获得AGV小车车架在满足运行工况的力学要求的前提下降低整车质量。本发明在满足车架性能的前提下可缩短开发周期、降低整车质量、减小AGV小车整体厚度、降低运行能耗。

Description

智能停车场AGV小车车架设计与优化方法
技术领域
本发明涉及智能停车场技术领域，尤其涉及一种智能停车场AGV小车车架设计与优化方法。
背景技术
随着城市汽车保有量的日益增加，对智能停车场的需求越来越大，而AGV小车作为智能停车场的核心工具，它的工作效率决定着智能停车场的投资成本、服务效率的高低。AGV小车车架作为主要支撑部件，在运行工况下由于受到各种较大的载荷，较厚材料的车架结构虽然能保证其整体刚度要求，但是容易致使AGV小车整体过重，进而导致小车驱动电机和电池组的参数和规格较大，使得AGV小车的整车厚度增加，这样不利于托运离地间隙较小的汽车；另外，AGV小车过重也会使得制造成本提高，能源消耗加大，不利于智能停车场的发展。
因此，针对AGV小车车架设计与优化方法对于解决车架质量过重有着重要意义。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种智能停车场AGV小车车架设计与优化方法，其利用结构优化设计、减重孔、有限元仿真技术，在满足车架性能的前提下缩短开发周期、降低整车质量、减小AGV小车整体厚度、降低运行能耗。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
智能停车场AGV小车车架设计与优化方法，包括以下步骤：
(1)建立AGV小车车架实体模型；
(2)建立车架有限元模型并在运行工况下进行静态分析；
(3)对车架进行结构优化设计，在不影响AGV小车车架前轮包夹机构总装和后轮包夹机构总装以及电池组的正常装配的前提下，减少左主梁、右主梁受到的扭矩；在此，所述车架包括左主梁、右主梁和设置在左主梁与右主梁之间的前包夹横梁和后包夹横梁以及位于左主梁和右主梁外侧设置的固定支架；
(4)根据有限元模型的静态分析结果，对车架受应力较小的区域设置减重孔；
(5)对AGV小车车架以质量作为设计目标，对车架在运行工况下的最大位移、最大应力值设置限制的前提下，对结构优化和设置减重孔的车架有限元模型进行尺寸优化，将优化后的车架再次进行静力分析，若满足性能要求则得到最终结果；若不满足性能要求则再将优化的车架带入步骤(3)、(4)、(5)中继续优化，最终使得AGV小车车架在满足运行工况的力学要求的前提下降低整车质量。
优选的，所述步骤(1)中利用绘图软件进对AGV小车车架进行实体建模，并将模型导入到有限元前处理软件中，对模型的圆角、小孔、倒角进行简化后建立有限元模型。
优选的，所述步骤(2)中车架主要由冷弯矩形空心型钢焊接构成，所以有限元模型的单元类型选择壳单元，连接方式选择为rigid焊点，材料为普通碳钢，密度为7800kg/m3，中抗剪模量为7.9e10N/m2，泊松比为0.28，网格类型选择四边形，最后检查单元质量，在AGV小车正常运行工况下运用OPTISTRUCT进行静态分析。
优选的，所述步骤(3)中固定支架应与前包夹横梁、后包夹横梁贯穿左主梁、右主梁在一条直线上连接为一个整体，让竖直向下的载荷均匀分布在前包夹横梁、后包夹横梁上，避免固定支架产生较大的弯矩使得左主梁、右主梁受到固定支架和前包夹横梁、后包夹横梁的扭矩。
优选的，所述步骤(4)中减重孔分布在左主梁、右主梁侧面前后两端区域，根据有限元静态分析结果显示该区域应力最大值不超过20Mpa，远小于普通碳钢的屈服应力220.6Mpa，同时在前包夹横梁、后包夹横梁和固定支架连接位置应力显著增加，应避免设置减重孔。
优选的，所述减重孔半径为40mm，相邻中心距为120mm。
优选的，所述步骤(5)利用OPTISTRUCT的尺寸优化功能，以车架质量最小为设计目标，截面的厚度尺寸、截面形状作为设计变量，对AGV小车车架进行轻量化设计，迭代的最后有限元结果可以通过OSSmooth插件导出几何模型。
本发明具有以下有益效果：
1)运用有限元仿真技术，在OPTISTRUCT中对车架在运行工况下的应力分布和位移大小进行仿真分析，结果在后处理软件HYPERVIEW中可以直观的查看，方便找出较大应力区域产生的原因，针对性的进行结构优化，提高设计效率，缩短开发周期；
2)结合应力分布，合理设置减重孔的分布，避免了减重孔导致的车架整体强度的降低；
3)在设置减重孔的有限元模型基础上利用尺寸优化功能得到最优的轻量化车架尺寸参数和截面形状，大大提高了轻量化效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是智能停车场AGV小车车架设计与优化流程图；
图2是智能停车场AGV小车车架的原始几何模型；
图3是智能停车场AGV小车车架的有限元网格模型；
图4是AGV小车车架的运行工况下的位移云图；
图5是AGV小车车架的运行工况下的应力分布云图；
图6是原始固定支架与横梁的装配关系图；
图7是改进后固定支架与横梁的装配关系图；
图8是原始主梁的应力分布图；
图9是改进后主梁的应力分布图；
图10是结构优化后的车架实体模型；
图11是结构优化后的车架有限元网格模型；
图12是结构优化后的车架应力分布图；
图13是结构优化后的车架位移云图。
其中；1.左主梁；2.右主梁；3.前包夹横梁；4.后包夹横梁；5.固定支架；6.减重孔。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在AGV小车车架作为主要支撑部件，在运行工况下由于受到各种较大的载荷，较厚材料的车架结构虽然能保证其整体刚度要求，但是容易致使AGV小车整体过重，进而导致小车驱动电机和电池组的参数和规格较大，使得AGV小车的整车厚度增加，这样不利于托运离地间隙较小的汽车；另外，AGV小车过重也会使得制造成本提高，能源消耗加大，不利于智能停车场的发展等不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出一种智能停车场AGV小车车架设计与优化方法。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，智能停车场AGV小车车架设计与优化方法，包括以下步骤：
(1)建立AGV小车车架实体模型；
(2)建立车架有限元模型并在运行工况下进行静态分析；
(3)对车架进行结构优化设计，在不影响AGV小车车架前轮包夹机构总装和后轮包夹机构总装以及电池组的正常装配的前提下，减少左主梁1、右主梁2受到的扭矩；在此，所述车架包括左主梁1、右主梁2和设置在左主梁1与右主梁2之间的前包夹横梁3和后包夹横梁4以及位于左主梁1和右主梁2外侧设置的固定支架5；
(4)根据有限元模型的静态分析结果，对车架受应力较小的区域设置减重孔6；
(5)对AGV小车车架以质量作为设计目标，对车架在运行工况下的最大位移、最大应力值设置限制的前提下，对结构优化和设置减重孔的车架有限元模型进行尺寸优化，将优化后的车架再次进行静力分析，若满足性能要求则得到最终结果；若不满足性能要求则再将优化的车架带入步骤(3)、(4)、(5)中继续优化，最终使得AGV小车车架在满足运行工况的力学要求的前提下降低整车质量。
优选的，如图2-3所示，利用UG或SolidWorks或Creo绘图软件或其它绘图软件进对AGV小车车架进行实体建模，并将模型导入到有限元前处理软件HYPERMESH中，对模型的圆角、小孔、倒角进行简化后建立有限元模型，其中单元选择壳单元，材料参数如下表1所示，采用20mm的四边形网格尺寸。
表1为AGV小车车架材料性能表
进行车架运行工况下的静力分析：
载荷情况为AGV小车重量为500kg，托运轴距为2920mm，重量大约为1500kg的轿车，轿车质心在轴距中心，前后重量分配简化为50:50，重力载荷通过前包夹横梁3和后包夹横梁4的支撑点以集中载荷作用在左主梁1和右主梁2上，固定支架5用于安装AGV小车车轮，因此其y轴自由度为0，由此建立约束。
优选地，利用有限元模型，研究模型在运行工况下载荷以及边界条件的施加下，分析计算出车架结构的形变和应力大小以及分布情况可以得出车架整体应力大多小于20Mpa，只有极少连接部位和集中载荷施加的区域最大应力为165Mpa，在合理优化车架结构避免应力集中的前提下，车架安全系数较大，有较大的轻量化空间。
在此，车架主要由冷弯矩形空心型钢焊接构成，所以有限元模型的单元类型选择壳单元，连接方式选择为rigid焊点，材料为普通碳钢，密度为7800kg/m3，中抗剪模量为7.9e10N/m2，泊松比为0.28，网格类型选择四边形，最后检查单元质量，在AGV小车正常运行工况下运用OPTISTRUCT进行静态分析，如图4-5所示。
优选的，如图6所示，固定支架5以及前包夹横梁3、后包夹横梁4与左主梁1、右主梁2连接处受到较大应力，应力值为128Mpa，主要是由于主梁受到较大的扭矩，对小车车架进行结构优化，应将左主梁1、右主梁2与固定支架5连接处通过焊接连接为一个整体，改进后如图7所示，固定支架5Y轴方向的反力可以直接传递到前包夹横梁3、后包夹横梁4，避免对左主梁1、右主梁2产生较大扭矩，有效避免主梁集中应力的产生，同时对于固定支架5应力较大区域通过增加型材厚度减小应力值，将原厚度为4mm增加为10mm，进一步提升AGV小车车架轻量化潜力。
如图8所示，车架左主梁1、右主梁2侧面所受应力分布不均匀，有较多区域所受应力值在20Mpa以下，对于这种应力分布不均匀的梁结构，可以通过在应力分布较低的区域设置减重孔在不影响车架强度的前提下进一步减轻重量6；如图9所示，减重孔分布在左主梁1、右主梁2侧面前后两端区域，根据有限元静态分析结果显示该区域应力最大值不超过20Mpa，远小于普通碳钢的屈服应力220.6Mpa，同时在前包夹横梁3、后包夹横梁4和固定支架5连接位置应力显著增加，应避免设置减重孔，减重孔半径为40mm，相邻中心距为120mm。
如图10-11所示，利用OPTISTRUCT的尺寸优化功能，以车架质量最小为设计目标，截面的厚度尺寸、截面形状作为设计变量，对AGV小车车架进行轻量化设计，迭代的最后有限元结果可以通过OSSmooth插件导出几何模型；具体地，将车架结构优化和设置减重孔主梁过后的的有限元模型运用OPTISTRUCT软件中OPTIMIZATION插件的尺寸优化功能，设置初始厚度为8mm，尺寸上限为8mm,尺寸下限为4mm，离散变量的增值设置为0.2，优化目标为左主梁1和右主梁2的壳单元，设置响应函数为车架体积分数以及车架两端Y轴最大位移量，约束函数为位移量小于原始车架的最大位移3.833mm，目标函数为之前设置的体积分数，通过18次迭代，得到主梁横截面尺寸最优解为6mm。
为了进一步验证实际优化后新车架的刚度和形变量是否符合原车架的设计要求，因此将新的厚度赋予到左主梁1和右主梁2的COMPONENT中，再次进行应力分析，得到的结果，如图12-13所示，最大位移3.15mm，相较于优化前的最大位移3.833mm，主要是由于增加固定支架的厚度尺寸为10mm，在减小车架位移的前提下也降低了最大应力值，最大应力值为74.3Mpa，由于改变支架主梁截面形状，设置减重孔，优化截面厚度尺寸，使得车架整体重量由之前的416KG优化为252.4KG，结果表明该设计与优化方法在满足车架性能的前提下很好的对车架进行减重，实现了轻量化的目的，降低了制造成本，也为缩小AGV小车尺寸奠定了基础。
表2优化前后车架主要性能参数对比表
车架性能参数 优化前 优化后 变化量 变化率
车架质量KG 416.6 252.4 164.2 39％
车架最大位移mm 3.833 3.157 0.676 17.6％
车架最大应力Mpa 138.2 74.6 63.6 46％
主梁质量mm 266.7 121.1 145.6 54.5％
主梁最大应力Mpa 48.2 49.8 1.6 3.03％
安全系数 1.42 3.15 1.73 121％
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.智能停车场AGV小车车架设计与优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立AGV小车车架实体模型；
(2)建立车架有限元模型并在运行工况下进行静态分析；
(3)对车架进行结构优化设计；
所述车架包括左主梁、右主梁和设置在左主梁与右主梁之间的前包夹横梁和后包夹横梁以及位于左主梁和右主梁外侧设置的固定支架；
(4)根据有限元模型的静态分析结果，对车架受应力较小的区域设置减重孔；
(5)对AGV小车车架以质量作为设计目标，对车架在运行工况下的最大位移、最大应力值设置限制的前提下，对结构优化和设置减重孔的车架有限元模型进行尺寸优化，将优化后的车架再次进行静力分析，若满足性能要求则得到最终结果；若不满足性能要求则再将优化的车架带入步骤(3)、(4)、(5)中继续优化，最终使得AGV小车车架在满足运行工况的力学要求的前提下降低整车质量。
2.根据权利要求1所述的智能停车场AGV小车车架设计与优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中由绘图软件进行AGV小车车架的实体建模，并将模型导入到有限元前处理软件中，在对模型的圆角、小孔、倒角进行简化后建立有限元模型。
3.根据权利要求2所述的智能停车场AGV小车车架设计与优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中车架主要由冷弯矩形空心型钢焊接构成，所以有限元模型的单元类型选择壳单元，连接方式选择为rigid焊点，材料为普通碳钢，密度为7800kg/m3，中抗剪模量为7.9e10N/m2，泊松比为0.28，网格类型选择四边形，最后检查单元质量，在AGV小车正常运行工况下运用OPTISTRUCT进行静态分析。
4.根据权利要求1所述的智能停车场AGV小车车架设计与优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述步骤(3)中固定支架应与前包夹横梁、后包夹横梁贯穿左主梁、右主梁在一条直线上连接为一个整体，让竖直向下的载荷均匀分布在前包夹横梁、后包夹横梁上，避免固定支架产生较大的弯矩使得左主梁、右主梁受到固定支架和前包夹横梁、后包夹横梁的扭矩。
5.根据权利要求1所述的智能停车场AGV小车车架设计与优化方法，其特征在于，所述步骤(4)减重孔分布在左主梁、右主梁侧面前后两端区域，根据有限元静态分析结果显示该区域应力最大值不超过20Mpa，远小于普通碳钢的屈服应力220.6Mpa，同时在前包夹横梁、后包夹横梁和固定支架连接位置应力显著增加，应避免设置减重孔。
6.根据权利要求5所述的智能停车场AGV小车车架设计与优化方法，其特征在于，所述减重孔半径为40mm，相邻中心距为120mm。
7.根据权利要求1所述的智能停车场AGV小车车架设计与优化方法，其特征在于，所述步骤(5)利用OPTISTRUCT的尺寸优化、形状优化功能，以车架质量最小为设计目标，截面的厚度尺寸、截面形状作为设计变量，对AGV小车车架进行轻量化设计，迭代的最后有限元结果可以通过OSSmooth插件导出几何模型。
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