基于ANSYS的智能小车底盘有限元分析与优化设计

王国磊， 王战中

(石家庄铁道大学 机械工程学院， 河北 石家庄 050043)

目前，在企业现代化生产技术不断提高，工厂自动化技术不断革新的背景下，智能小车已经成为了自动化物流运输车间、柔性化生产组织等系统的重要设备[1]。而底盘作为智能小车的关键部件，连接着车身与行驶系，它不仅要承受来自小车车体和满载时货物的质量，同时还要受到因地面不平整而行驶颠簸时给它的反作用力，工作环境相对比较恶劣，那么底盘的优劣对于智能小车性能的高低就有着直接的影响，因此有必要对智能小车的底盘进行有限元分析及优化设计[2]。通过对底盘的优化设计，能够缩短整个小车结构设计周期，降低设计成本，提高设计质量[3]。利用ANSYS Workbench软件对智能小车的底盘进行了静力学分析，由于强度和刚度存在较大的富余量，所以通过ANSYS Workbench中的Response Surface Optimization(响应曲面优化)模块，选择Screening优化方法对智能小车底盘结构进一步优化设计，优化后智能小车的底盘质量减小了27%，实现了智能小车底盘的轻量化设计。

1 小车底盘系统模型

底盘系统由底盘、驱动轮、万向轮、驱动电机和微型减速器等组成，底盘是底盘系统中最重要的部件之一，它不仅承受着车载时货物的重量而且还有来自车体零部件的自身质量，底盘系统的尺寸(长，宽，高)为740 mm、378 mm、227 mm，构建的三维模型如图1所示。

2 底盘结构静力学分析

对其进行求解运算，求解后的底盘结构总变形与等效应力云图如图2和图3所示。

由图2可知，底盘的最大总变形为0.443 45 mm，出现在底盘安放蓄电池的区域；从图3可以看出，底盘的最大等效应力为71.213 MPa，出现在左前轮与底盘的螺栓连接处。底盘的材料为Q235普通碳素结构钢[4]，其屈服强度σs为235 MPa，取其失效概率为1%，安全系数n=1.5，许用应力[σ]=σs/n=235/1.5=156.67 MPa，钢板结构的挠度容许值为l/400，其中l为横向跨距，许用挠度[ω]=l/400=378/400=0.945 mm，校核底盘的强度和刚度可知，最大应力σMax小于许用应力[σ]，最大变形也小于许用挠度[ω]，因此底盘结构的强度和刚度分别满足设计要求。

3 底盘结构的优化设计

3.1 优化设计约束条件

对底盘优化设计的目的是在满足强度和刚度的同时，尽量减轻底盘的质量。通过对底盘结构优化设计变量进行约束，使底盘结构模型在约束条件下解得最优解[5]。优化设计约束条件如表1所示。

表1 优化设计约束条件

3.2 响应曲面优化分析

3.2.1 实验设计分析

实验设计的类型为中心复合设计[6]，对优化设计的三个输入参数和约束条件进行设置，然后更新数据，优化分析计算求得15个实验设计点，实验结果输出的参数如表2所示。

3.2.2 响应曲面分析

进入响应曲面模块并更新计算，可以获得设计参数与目标函数的关系，图4、图5、图6分别为最大等效应力、最大变形、底盘质量与优化设计参数的响应曲面3D关系。

从图4可以看出，随着P1、P2、P3的增大，P4逐渐增大，P1、P2、P3和P4呈正相关。比较两图可知，P3对P4的影响大于P1和P2，P2对P4的影响最小。

从图5可以看出，当P1和P2同时增大，P5减小，在P1不变的情况下，P5随着P2的增大而减小，因此P2与P5是负相关。随着P1和P3的增大，P5逐渐增大，P1、P3和P5是正相关。比较分析可以得出：P3对P5的影响明显大于P1和P2，P2对P5的影响最小。

从图6可以看出，随着P1、P2、P3的增大，P6在逐渐减小，P1、P2、P3和P6是负相关。比较分析得出，P1对P6的影响最大，P3对P6的影响大于P2，P2对P6的影响较小。

表2 实验结果参数表

3.2.3 优化分析

在Optimization模块中对得到数据参数进行优化，优化方法选择Screening[7]。设置约束条件最大等效应力P4≤156.67 MPa，最大变形P5≤0.945 mm，目标函数P6为最小，参数的权重设置为默认，参数的优化分析设置如表3所示。

表3 参数的优化分析设置

对数据更新计算，求解得出三个候选设计点，如图7所示。

由图7看出，第一个候选设计点为最优设计点，并对其尺寸参数进行了修整，最终的优化值是DS_d1为374.2 mm，即左右侧板的厚度为1.9 mm ，DS_d2为736. 6mm，即前后板的厚度为1.7 mm ，DS_d3为80.3 mm，即底层板的厚度为1.7 mm。根据最终的优化值对底盘结构模型数据参数进行修改，再对修改后的底盘结构模型进行静力学仿真分析，得到的优化后的总变形和等效应力云图如图8和图9所示。

从图8可以看出，底盘结构的最大总变形为0.785 42 mm，出现在底盘安放蓄电池的区域；由图9可知，最大等效应力为103.06 MPa，出现在左前轮与底盘的螺栓连接处。优化后的底盘结构的强度和刚度均满足设计要求，此优化方案切实可行。

3.2.4 优化前后参数对比分析

优化前后的底盘结构参数对比如表4所示。

表4 优化前后参数对比表

从表4可以看出，底盘结构尺寸有所减小，优化后的底盘质量减小了27%，优化效果比较显著，最大等效应力和最大变形分别增加了45%和77%，且没有超过许用应力值156.67 MPa和许用挠度0.945 mm，能够满足底盘结构强度和刚度的要求，达到了预期目标，此次优化设计合理。

4 结论

在ANSYS软件中，利用有限元分析方法对智能小车的底盘进行了静力学分析，得到了总变形和等效应力云图，校核了底盘的强度和刚度，满足了设计要求，解决了底盘强度和刚度不足的问题。在响应曲面优化模块中，利用Screening优化方法对底盘优化设计，优化后的底盘质量减小了27%，解决了材料浪费的现象，达到了预期目标，证明了此轻量化优化设计方法合理，对于同类型的结构优化设计具有普遍适用性，为下一步的智能小车运动学仿真奠定了基础。