轻质多材料重载自动引导车总成优化设计

摘要

自动引导车（AGV）在智能制造高速发展的过程中逐渐呈现大型化、重载化的趋势，关键承载部件的优化设计能够显著降低重载AGV的重量及运行时的能耗，直接降低其制造及使用成本。本研究使用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）作为轻质材料，针对80 t级标准平台AGV关键承载部件从材料到结构进行总成优化设计。首先，使用双向渐进结构法（BESO）拓扑优化车架及舵轮安装板，采用单元灵敏度过滤技术消除细小的分叉结构，得到了适合实际制造的优化结构。然后，制备不同层数及编织方向的CFRP试样，进行拉伸及面内剪切实验，获得CFRP的力学性能参数。随后，优化复合材料层合板的铺层角度，仿真结果表明，复合材料优化后的铺层角度为[–12/33/55/–68]（从下至上铺层角度依次为–12°、33°、55°、–68°），使多层材料面内最大Mises应力和位移分别降低了25.79%和9.95%。最后，针对车身进行有限元分析。研究结果表明：优化设计使重载AGV重量明显降低，新结构在未大幅提升最大Mises应力与位移的前提下，总重量降低21.79%，其中，舵轮安装板采用角度优化后的CFRP铺层组，其重量仅为优化前的8.83%。模态分析表明，新结构的前6阶特征频率在核定工况范围内随着载荷增加呈减速下降的趋势，满载情况下在61.95～109.75 Hz之间变化平稳。研究为实现重载AGV的低能耗、轻量化及低成本制造提供一定的参考。

关键词

重载自动引导车 / 双向渐进结构法 / 拓扑优化 / 碳纤维复合材料