基于AnsysWorkBench自行走搬運小車夾持臂的靜力學分析

王新，魏彥哲

（華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210）

引言

伴隨中國制造2025和工業4.0，各行各業都蓬勃發展。平面移動式立體車庫就是智能立體車庫發展的結晶。平行移動式立體車庫適應綜合化控制管理，適應于立體車庫大型化、高自動化發展方向[1-2]，必將成為人口密集區域立體車庫發展的的主流方向。

平行移動式智能車庫可以分為5個組成部分：車庫入口處汽車待搬運平臺、車輛提升設備、搬運小車、車輛橫移載車平臺、車庫存車倉庫[1-2]。搬運小車在車庫中充當著一個汽車搬運工的功能。它是整個平行移動式立體車庫車輛搬運的主要移動設備，其重要性不言而喻。搬運小車夾持臂是搬運小車直接受力部位，對其進行有限元分析，可以直接觀察其變形，檢測夾持臂薄弱結構。

1 搬運小車模型

1.1 搬運小車系統構成

搬運小車的系統不是單獨存在的，搬運小車執行原件、感應和輔助原件、控制原件相互配合，構成自行走搬運小車的整體結構。

1.2 搬運小車結構

搬運小車主要包括五部分，分別為伸縮機構，夾持提升機構，行駛機構，制動機構，和 plc控制感應機構，搬運小車結構如圖1所示。

圖1 搬運小車結構

2 受力分析

搬運小車夾持臂是搬運小車直接受力部位，傳統方法對起重夾持機構進行設計校核雖然有效，但在實際中會隨著工況不同，有時合理的設計也會出現錯誤。所以需要對其進行有限元分析，觀察夾持臂變形量，觀察其是否滿足強度要求。通過ANSYS進行有限元分析，能夠更加真實放映受力情況，較傳統分析有更加直接的顯示效果，具有更好的可信度[3-5]。

圖2 夾持輪胎的示意圖

通過圖1和圖2可知，搬運小車分為前后兩個車體，車體總共包括4對夾持臂，每組夾持臂分擔待搬運車輛車重的1/4。

車輛設計標準重量為2.5t，安全系數為1.3，如公式（1）所示：

其中：Fn—搬運小車搬運極限量，N；k—搬運小車安全系數；Fa—搬運小車設計標準量，N。

計算得到搬運小車搬運車輛的極限量為3.25t。

通過對搬運小車夾持情況進行受力分析。4組夾持臂同時夾持汽車，受力情況大致相同，因此可以選擇其中一個夾持臂的進行受力分析，G1為一對夾持臂所受重力，可以認為汽車所受重力 1/4，對夾持臂夾持輪胎靜力學分析可得夾持臂斜面和輪胎之間壓力Fn與Fm大小，來對夾持臂所受應力和應變進行分析。

夾持臂斜面和輪胎之間壓力Fn與Fm在x坐標與y坐標上分別進行分解，其中，Fnx與Fny為Fn分別在x與y坐標方向上的力，Fmx與Fmy為Fm在x與y坐標方向上的力。如圖3所示為分解后受力簡圖。

圖3 夾持臂靜力學分析圖

列出平衡方程，如公式（2）所示：

式中：Fn—左側夾持臂對待搬運車輛的支持力，N；θ—重力與夾持臂對待搬運車輛作用力夾角，°；Fm—右側夾持臂對待搬運車輛的作用力，N；

G1—一對夾持臂分擔的重力，N；

G—汽車的極限重力，N。

夾持臂斜面對汽車輪胎作用力與水平面的夾角為30?，G等于搬運小車搬運車輛的極限量Fn，帶入公式可以得：

在夾持臂對汽車輪胎夾持時，可以把搬運小車夾持臂看做懸臂梁結構分析。

夾持臂受力屬于均勻的分布載荷，由于輪胎大小不同，車輛重量不同，致使受力面積在一定范圍內變動，此外輪胎作用到夾持臂位置的不同夾持臂受力情況也不同。

根據壓強公式（4）：

式中P—夾持臂所受壓強，F—待搬運車輛對夾持臂的壓力，S—受力面積

當作用力在右側，如圖4所示為夾持臂受力情況，其中，P夾持臂所受壓強，L為夾持臂總長，a為斜面載荷長度，b為夾持臂剩余長度。

夾持臂總長L=560mm，斜面載荷長度a=215mm，受力面積S=0.055m2，得所受壓強P=48221.8Pa，也就是說夾持臂所受壓強在48221.8Pa左右。

圖4 夾持臂受力圖

式中：MA—彎矩大小，kN·m；q—均勻載荷分布，kN/m，帶入數據得Ma=1200.12N/m。

根據懸臂梁撓度公式（6）。

式中：ω—夾持臂撓度，mm；

P—夾持臂所受壓強，kN/m；E—45號鋼彈性模量， MPa；L—夾持臂總長，mm；b—無載荷長度，mm。

代入數據求得，搬運小車的夾持臂最右端最大撓度為0.76mm。

3 有限元分析

通過ANSYS對夾持臂進行靜力分析和疲勞分析，反應夾持臂的應力分布情況﹑夾持臂受力變形情況和疲勞壽命。

3.1 模型導入與材料分析

搬運小車夾持臂工況條件為低速、高負載。根據承載能力、安全可靠性分析，選用材料為45號鋼。

3.2 有限元分析條件約束

根據搬運小車加持臂的實際受力情況，施加作用力。由于右側帶座軸承連接部分連接車體，可以設置其為固定約束。右側楔形機構的斜面是受力表面，所以在其上施加作用力。當搬運小車通過夾持抬起汽車時，由于待搬運汽車輪距不同，作用力添加分左﹑右兩種情況，綜合分析夾持手臂受力情況。

（1）網格的化分

在 Mesh中生成網格。查看網格劃分結果，統計結果Nodes 307559個Elements 207913個。

3.3 后處理

添加總變形量和等效應力后求解，可以得到應力云圖和應變云圖。可以看出兩種情況都是左側變形量最大，右側等效應力最大，其中在右邊施加壓力時，變形量和等效應力最大，最大位移為0.69，最大等效應力217.87Mp如圖5所示。

圖5 夾持臂優化后應力和應變云圖

（2）夾持臂疲勞分析

夾持臂的疲勞分析在靜力分析之后，得到夾持臂疲勞壽命顯示云圖和安全因子顯示云圖。如圖所示可以看出，當作用力施加在左側時安全因子最小，紅色區域最大。當作用力施加在右側位置時安全因子最大，紅色區域最少。

疲勞壽命顯示云圖選擇顯示方式為周期顯示，得到次數可以等同于夾持臂夾持搬運車輛的次數。如圖6所示，作用力施加在左側時壽命為 18810次，施加在右側位置壽命為111470次，可以看出作用力施加在左側和右側位置有明顯差別。

圖6 夾持臂疲勞壽命顯示云圖

4 結論

論文對夾持臂受力分析和對夾持臂有限元分析結果一致，都是左側變形最大，右側應力最大。夾持臂應變最大0.69mm、應力217.87MPa，搬運小車夾持臂搬運車輛時應最大程度靠近內側，可大大提高夾持臂壽命。

[1] 張煒.立體車庫中自動搬運小車的研究[D].上海:上海大學, 2008.

[2] 何聰,肖素梅.電梯式立體車庫升降系統設計與安全研究[J].西南科技大學學報:自然科學版, 2014, 29(4):82-86.

[3] 樊炳輝,焦浩,賈娜,等.基于AnsysWorkBench的排爆機器人機械手靜力學分析[J].制造業自動化, 2014(4):34-36.

[4] 張俊,宋軼民,張策,等. 基于ANSYS的三環減速器靜力學分析[J].農業機械學報, 2007, 38(3):141-143.

[5] 鄧俊秀,朱海清.基于ANSYS分析的安全閥研磨支架優化設計[J].輕工機械, 2016, 34(5):90-94.