基于ANSYS的叉举式AGV货叉稳定性分析

基于ANSYS的叉举式AGV货叉稳定性分析
孙彬彬;刘楠嶓;吴立辉;武照云
【摘要】随着工业4.0和中国制造2025的提出,我国制造业与信息技术的联结日益紧密,AGV作为自动化产业的重要工具日益受到人们重视.文章主要针对叉举式AGV的货叉结构进行静力学分析,通过Ansys有限元分析软件得到货叉结构应力集中区域和容易出现结构变形的薄弱点,并验证其结构的稳定性和安全性,为其进行结构优化设计提供最重要的参考依据.
【期刊名称】《科技创新与生产力》
【年(卷),期】2016(000)006
【总页数】3页(P115-116,120)
【关键词】AGV;货叉;有限元分析
【作者】孙彬彬;刘楠嶓;吴立辉;武照云
【作者单位】河南工业大学机电工程学院,河南郑州450007;河南工业大学机电工程学院,河南郑州450007;河南工业大学机电工程学院,河南郑州450007;河南工业大学机电工程学院,河南郑州450007
【正文语种】中文
【中图分类】TH242
随着工业自动化的发展，自动导引小车（Automated Guided Vehicle，AGV）作为现代自动化搬运工具，越来越受到人们的青睐。

目前，AGV已成为现代物流领域的关键设备，是工厂自动化、柔性制造系统和计算机集成制造系统等先进生产
方式中不可或缺的自动化设备[1-2]。

无人搬运是AGV的重要特点，它可以根据工作需求，按照预先设计的程序，依照传感器确定的位置信号，沿着规定的行驶路线和停靠位置自动行驶。

近年来，国内越来越多的企业把目光转向AGV研究，国内外学者已从自动控制、运动学以及动力学等方面做出了突出的研究成果[3-7]。

货叉作为叉举式AGV的重要零部件，其结构强度直接影响着小车的正常工作，特别是在军工用品及易碎品等特殊用品的搬运中，其结构稳定性至关重要。

笔者以货叉为研究对象，用有限元方法对货叉的稳定性进行研究，分析货叉在不同载荷下的结构变形，为其结构设计和优化提供依据[8]。

此类货叉焊接成型，由链条拉动货叉上下移动，货叉上安装有四个导轮，在门架导槽中滚动，以承受倾覆力矩。

根据AGV在实际工作中的需要，货叉需叉举1 000 mm×1 200 mm标准川字形托盘，因此确定货叉尺寸为：货叉高度470 mm，货叉长度1 060 mm，货叉外宽690 mm，内宽290 mm，货叉厚度76mm，货叉材料用40Cr，最大起重2 t，材料参数见表1。

针对上述参数利用Pro/E软件建立三维模型。

在建模中对模型进行必要的简化和调整，以减少有限元计算的工作量，提高仿真效率，把三维模型转换成igs格式，以方便导入有限元软件。

模型建成后见第116页图1。

有限元分析的关键一步就是网格的划分，网格的质量直接影响计算工作量的大小和计算精度，对于复杂模型，网格的划分尤为困难。

Ansys workbench提供了多种网格划分方法，用户可以根据自己的需求和模型的复杂程度选择适合自己的网格划分方法。

由于该类型货叉焊接成型，形状较复杂，这里采取智能网格划分，网格划分后效果见图2。

由于货叉在门架导槽内做上下运动，为了研究货叉的变形量，这里对货叉导轮的四个安装孔进行约束，AGV工作时货叉的上表面承受货物向下的压力，同时考虑到货叉自身的重力对其结构强度也有一定的影响，就以货叉的上表面为受力对象，同
时赋予货叉自身的重力。

为了了解货叉在不同压力下对结构强度的影响，对其施加了一组压力，共10个，从0.2～2 t，施加压力的间隔值为0.2 t。

通过Ansys软件自动求解，得出货叉的应力和总变形量，通过工作应力与许用应力的比较，以确定货叉的稳定性。

通过求解，拟合出“压力-应力”曲线和“压力-总变形量”曲线（见图3、图4）。

从图3和图4可以看出，在上述不同工况的情况下，应力和总变形量在一定范围
内呈现类似于线性关系的曲线，该曲线可以为货叉能够承受的最大重量提供一个参考数据，即可以估算出AGV的最大承重量。

在2 t压力的情况下，得出货叉的应
力云图和总变形量云图（见图5、图6）。

从图5可以看出货叉的最大应力部位发生在货叉根部，最大应力238 MPa，明显小于许用应力，满足静强度要求，有较大的余量。

从图6可以看出最大形变处为
货叉头部，变形量为5.6 mm。

查阅机械设计手册，货叉头部的许用挠度[f]应满足如下要求，[f]=l/50=1 060 mm/50=21.2 mm（l为货叉长度）。

显然货叉的变形量在许用挠度范围内，所以货叉在2 t力的作用下稳定性满足要求。

通过对货叉的稳定性分析，可以清楚直观地得出货叉的应力值和变形量。

通过与其许用值的比较，可以确保货叉在使用过程中的安全性及可靠性。

通过对货叉进行三维建模，利用Ansys软件对货叉进行稳定性分析，通过应力云
图和总变形云图得到货叉容易出现结构变形的薄弱点，与传统的机械设计相比，不仅缩短了设计周期，降低了设计成本，而且更加具有说服力，为货叉的设计提供了有力的参考依据。

【相关文献】
[1]王勇.AGV适用性综述[J].物流科技,2008(11):19-23.
[2]张辰贝西,黄志球.自动导航车（AGV）发展综述[J].中国制造业信息化,2010(1):53-59.
[3]于洋.AGV及其控制器设计与开发[D].杭州:浙江大学,2008.
[4]肖一凡.全桥驱动的自导引小车（AGV）动力学建模及其运动控制[D].上海:同济大学,2007.
[5]陈卓.自动导引小车（AGV）运动学模型研究和动力学仿真[J].河南科技,2015(1):47-49.
[6]王海东,王国栋.基于AGV万向轮特性的动力学分析[J].机械设计,2015(4):96-100.
[7]Lee S Y,Yang H W.Navigation of automated guided vehicles using magnet spot guidance method[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,2012,28(3):425-436.
[8]李欢.叉车货叉的有限元分析及优化设计[J].机械制造,2014(7):24-27.。