李 瑾

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，山西 晉中 030600）

當(dāng)今世界能源與環(huán)境問題已經(jīng)越來越突出。汽車工業(yè)從燃油到燃?xì)庠俚侥壳靶屡d的電動汽車，一場能源環(huán)境變革已在汽車工業(yè)中興起。

充電樁作為電動汽車的“加油站”，其重要性不言而喻。充電樁按充電類型可分為直流充電樁和交流充電樁，按安置方式可分為站內(nèi)充電樁和露天充電樁，按計費(fèi)方式可分為有人值守充電樁和無人值守充電樁。充電樁通過樁體上附帶的充電槍和插座等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對汽車的充電操作。汽車在靠近充電樁進(jìn)行充電前由于種種原因可能會與充電樁樁體發(fā)生碰撞，對充電樁結(jié)構(gòu)的抗撞性能進(jìn)行分析和研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)有關(guān)于充電樁的研究大多注重于對充電樁控制系統(tǒng)與硬件電路的設(shè)計實(shí)現(xiàn)，較少有關(guān)注充電樁本體撞擊類、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度類的相關(guān)研究和報道。文獻(xiàn)[1]針對交流充電樁電磁兼容方面驗收的規(guī)范要求和測試方法進(jìn)行了研究和介紹；文獻(xiàn)[2]針對制約電動汽車發(fā)展的電池和充電方式設(shè)計了一套電動汽車充電樁的控制系統(tǒng)，并論述了該控制系統(tǒng)各單元的硬件設(shè)計及主要程序；文獻(xiàn)[3]將有源電力濾波技術(shù)應(yīng)用到交流充電樁設(shè)計中，在所搭建的兩種車載式充電器實(shí)驗樣機(jī)上采用傳統(tǒng)PI控制與重復(fù)控制相結(jié)合的控制方法，有效地抑制了車載式充電器諧波。本文將在參考這些文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上研究交流充電樁在不同情況下的撞擊響應(yīng)。

1 充電樁結(jié)構(gòu)模型

1.1 交流充電樁結(jié)構(gòu)簡析

交流充電樁大多為內(nèi)部桁架支撐、外部薄壁包裹的力學(xué)結(jié)構(gòu)，充電裝置、計費(fèi)裝置、控制裝置等設(shè)備經(jīng)過封裝后固接于樁體主桁架上。圖1顯示了目前市面上已有的幾種充電樁。

在整個充電樁結(jié)構(gòu)中，對充電樁整體力學(xué)強(qiáng)度起決定作用的主要為固接于地面的樁體主桁架，此桁架可簡化為一個懸臂梁系統(tǒng)。

圖1 幾種電動汽車交流充電樁

1.2 交流充電樁桁架模型

不同廠商生產(chǎn)的充電樁其桁架在結(jié)構(gòu)上各有不同，有一些為雙懸臂梁支柱式桁架，有一些為四懸臂梁支柱式桁架。本文選取雙懸臂梁支柱式桁架為例進(jìn)行建模分析。

采用通用有限元軟件ANSYS建立交流充電樁的桁架模型，如圖2所示。采用beam188單元對模型進(jìn)行剖分，該單元有 UX、UY、UZ、Rotx、Roty、Rotz六個自由度，定義單元截面為口字型，設(shè)置單元彈性模量值為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，密度值為7800 kg/m3。得到充電樁桁架的有限元模型如圖2(a)所示，模型節(jié)點(diǎn)分布如圖2(b)所示。

圖2 充電樁桁架有限元模型

對桁架支柱固接于地在節(jié)點(diǎn)處的六個自由度進(jìn)行約束，體現(xiàn)在圖2(b)中為約束節(jié)點(diǎn)33和37的所有自由度。為模擬汽車與樁體相撞情況，將撞擊力施加于桁架中對應(yīng)于撞點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)處。圖2(b)中為汽車正面撞擊樁體桁架單根支柱的情況（撞擊力施加于節(jié)點(diǎn)28）。

2 充電樁受撞時的桁架載荷分析

汽車與充電樁相撞時，作用在兩者上的相互作用力可表示為一正弦函數(shù)，具體如式(1)所示[4]。

式中：Fm為撞擊力幅值；t1為汽車與充電樁的有效撞擊時長，汽車撞擊充電樁時，撞擊力作用的有效時間很短，參考相關(guān)文獻(xiàn)[5-8]的研究經(jīng)驗，取樁體撞擊作用有效時間為0.1 s；t為時間(t≤t1)。根據(jù)牛頓運(yùn)動定律可得到式(2)與式(3)。

式中：m為汽車質(zhì)量，此處以普通轎車質(zhì)量為研究對象，取其質(zhì)量值為2000 kg；a為汽車加速度；v0為汽車撞擊時的初速度。

聯(lián)立式(1)、(2)、(3)，可解得汽車撞擊初速度分別為0.5～5 m/s時的Fm值及撞擊力曲線，分別如表1及圖3所示。由于sin(πt/t1)在[0，t1]區(qū)間的積分為 2，故 t1的取值對于 Fm的計算沒有影響。

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3 基于ANSYS的充電樁撞擊響應(yīng)分析

3.1 分析方法

ANSYS分析中有靜分析、諧分析、模態(tài)分析和暫態(tài)分析等，本文采用暫態(tài)分析，在parameter＞function＞edit中按照式(1)定義載荷，存儲后讀入形成沖擊力數(shù)據(jù)表格，按照不同的撞擊情況將此沖擊力載荷數(shù)據(jù)加載至不同數(shù)量、不同位置的節(jié)點(diǎn)上并定義不同載荷方向。

本文分10個載荷步對充電樁撞擊響應(yīng)進(jìn)行分析，每一載荷步又分為10個子步進(jìn)行分析（分析間隔時間為0.001 s），具體分步求解設(shè)置如表2所示。得到求解結(jié)果后觀察各步的應(yīng)力應(yīng)變情況，記錄求解結(jié)果，圖4為保險杠距地面40 cm高（內(nèi)置）的汽車以0.5 m/s的速度側(cè)面撞擊厚度為3 mm桁架型鋼時的充電樁響應(yīng)情況，應(yīng)力與變形最大值出現(xiàn)于撞擊后第52 ms。

表2 充電樁撞擊分步求解設(shè)置

3.2 桁架型鋼厚度對撞擊響應(yīng)的影響

考慮充電樁桁架不同型鋼厚度對撞擊響應(yīng)的影響，通過設(shè)置單元的截面厚度來實(shí)現(xiàn)。結(jié)合考慮不同的撞擊情況，得到充電樁在車速為1 m/s、保險杠高度為40 cm（內(nèi)置）時，汽車撞擊充電樁的最大應(yīng)力與最大變形如圖5所示。

由圖5可知，隨著充電樁桁架型鋼厚度的增大，充電樁在撞擊過程中的最大應(yīng)力和變形將減小。

3.3 保險杠有效高度對撞擊響應(yīng)的影響

考慮汽車保險杠底端對地距離相等的情況下保險杠有效高度對撞擊響應(yīng)的影響，通過設(shè)置汽車與充電樁的撞擊點(diǎn)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。保險杠有效高度越大，則撞擊時與充電樁的撞擊接觸點(diǎn)越多。結(jié)合考慮不同的撞擊情況，得到充電樁在車速為5 m/s、保險杠底部距地40 cm、充電樁桁架型鋼厚度為2 mm時汽車撞擊充電樁的最大應(yīng)力與最大變形如圖6所示。

由圖6可看出，在汽車保險杠底端對地距離相等的情況下，隨著保險杠有效高度的增大，充電樁受撞擊時的最大應(yīng)力和最大變形都將增大。充電樁最大應(yīng)力及最大變形與汽車保險杠有效高度之間大致呈現(xiàn)線性關(guān)系。

3.4 保險杠距地高度對撞擊響應(yīng)的影響

考慮汽車保險杠距地高度對撞擊響應(yīng)的影響，通過在ANSYS中改變充電樁的受載節(jié)點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)。結(jié)合考慮不同的撞擊情況，得到充電樁在車速5 m/s、內(nèi)置式保險杠、充電樁桁架型鋼厚度為2 mm時汽車撞擊充電樁的最大應(yīng)力與最大變形如圖7所示。

由圖7可知，隨著汽車保險杠距地高度的增加，充電樁受撞時的最大應(yīng)力和最大變形都將增大。

3.5 車速對撞擊響應(yīng)的影響

考慮不同汽車初速度對撞擊響應(yīng)的影響，通過在ANSYS中改變載荷函數(shù)的幅值Fm來實(shí)現(xiàn)。各車速對應(yīng)的撞擊力幅值已在表1列出。結(jié)合考慮不同的撞擊情況，得到充電樁在車速為5 m/s、距地高度為50 cm的內(nèi)置式保險杠、充電樁桁架型鋼厚度為2 mm時汽車撞擊充電樁的最大應(yīng)力與最大變形如圖8所示。

由圖8可知，隨著汽車車速的增加，充電樁受撞時的最大應(yīng)力和最大變形都將增大。撞擊過程中充電樁最大應(yīng)力及最大變形與汽車撞擊速度之間大致呈現(xiàn)線性關(guān)系。

4 結(jié)論

本文對電動汽車交流充電樁在不同情況下的撞擊響應(yīng)進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)隨著充電樁桁架型鋼厚度的增大，充電樁在撞擊過程中的最大應(yīng)力和最大變形將減小；

(2)在汽車保險杠底端對地距離相等的情況下，隨著保險杠有效高度的增大，充電樁受撞時的最大應(yīng)力和最大變形都將增大，充電樁最大應(yīng)力及最大變形與汽車保險杠有效高度之間大致呈現(xiàn)線性關(guān)系；

(3)隨著汽車保險杠距地高度的增加，充電樁受撞時的最大應(yīng)力和最大變形都將增大；

(4)隨著汽車車速的增加，充電樁受撞時的最大應(yīng)力和最大變形都將增大，撞擊過程中充電樁最大應(yīng)力及最大變形與汽車撞擊速度之間大致呈現(xiàn)線性關(guān)系。

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