張國智

(新鄉(xiāng)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，新鄉(xiāng) 453003)

多自由度新能源汽車充電裝置的機(jī)構(gòu)優(yōu)化

張國智

(新鄉(xiāng)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，新鄉(xiāng) 453003)

研究新能源汽車充電裝置的機(jī)構(gòu)優(yōu)化方法，提出了基于參數(shù)隨機(jī)波動(dòng)的有限元分析的優(yōu)化思路.根據(jù)動(dòng)靜法建立了該裝置緩沖機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算模型，通過與有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性.基于參數(shù)隨機(jī)波動(dòng)的有限元分析結(jié)果選取了敏度較高的6個(gè)參數(shù)建立了充電裝置的優(yōu)化模型，應(yīng)用混合罰函數(shù)法優(yōu)化后其總質(zhì)量降低了16%.該研究為充電裝置的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了方法和理論依據(jù).

新能源汽車；充電裝置；優(yōu)化；敏度；混合罰函數(shù)法

電動(dòng)汽車是未來適應(yīng)全球節(jié)能和環(huán)保發(fā)展需要的主要交通工具，分為純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車[1]，未來中國的發(fā)展方向主要是以純電動(dòng)汽車為主，這就意味著高效、節(jié)能、可靠的充電裝置是急需的裝備，因而，對(duì)其的研究也已成為研究熱點(diǎn)之一.隨著研究的逐步深入，取得了一些研究成果，如對(duì)電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配[2]、變電站和煤礦下的充電裝置[3-4]、充電過程的諧波分析[5]等方面的研究.對(duì)于充電裝置而言，機(jī)械部分尤為重要，直接影響到充電效率、自動(dòng)化程度、充電可靠性、節(jié)能環(huán)保等，因而，關(guān)于其機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化的研究十分重要.目前，關(guān)于此方面的研究尚不深入、系統(tǒng)，本文基于此，結(jié)合動(dòng)靜法和基于參數(shù)隨機(jī)波動(dòng)的有限元分析方法，對(duì)充電裝置的機(jī)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究.

1 多自由度充電裝置優(yōu)化思路

該多自由度充電裝置的機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示，該裝置具有節(jié)能、抗沖擊、便于調(diào)節(jié)精密度的高可靠性充電等優(yōu)點(diǎn)，受沖擊過程中可保證充電部件與電池充電板始終保持垂直，可進(jìn)行系列新能源汽車的充電.為對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化，針對(duì)該裝置的緩沖機(jī)構(gòu)部分提出了基于概率有限元法的優(yōu)化思路，具體優(yōu)化思路如圖2所示.

圖1 充電裝置機(jī)構(gòu)示意圖

圖2 優(yōu)化方法的基本思路

2 充電裝置機(jī)構(gòu)的理論模型的建立

針對(duì)充電裝置的緩沖機(jī)構(gòu)，建立其沖擊緩沖過程中擺動(dòng)部件的最大應(yīng)力的理論模型，受力分析簡

圖如圖3所示.

根據(jù)動(dòng)靜法，有

(1)

式中：σdmax為沖擊緩沖過程中擺動(dòng)部件的最大應(yīng)力；F為沖擊載荷；Wz為擺動(dòng)部件的抗彎截面模量；Kd為動(dòng)載系數(shù)；L1和L如圖3所示.

動(dòng)載系數(shù)為

(2)

式中：v為新能源汽車的沖擊速度；Δst為擺動(dòng)部件所產(chǎn)生的靜載變形.

(3)

式中：K為緩沖彈簧的剛度系數(shù)；FY為緩沖彈簧的預(yù)壓力.

擺動(dòng)部件所產(chǎn)生的動(dòng)載變形Δdx為

Δdx=KdΔst.

(4)

圖3 緩沖機(jī)構(gòu)的受力簡圖

3 充電裝置的機(jī)構(gòu)的概率有限元分析

當(dāng)各個(gè)參數(shù)如表1的名義值時(shí)，緩沖機(jī)構(gòu)的有限元模型如圖4所示，緩沖機(jī)構(gòu)截面參數(shù)如圖5所示，緩沖機(jī)構(gòu)的滑塊部分是建立的耦合約束，底端限制移動(dòng)自由度，頂端限制垂直移動(dòng)自由度，在頂端施加沖擊載荷，緩沖彈簧選擇彈簧單元.緩沖機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變形的有限元計(jì)算結(jié)果為32.77 mm，根據(jù)式(2)-(4)計(jì)算得緩沖機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變形為32.35 mm，兩者間的相對(duì)誤差為1.3%，由此驗(yàn)證了理論模型和有限元模型的準(zhǔn)確性.

表1 充電機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 有限元模型

圖5 緩沖機(jī)構(gòu)截面形狀

當(dāng)充電機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示且各個(gè)參數(shù)服從正態(tài)分布隨機(jī)波動(dòng)時(shí)，在ANSYS中應(yīng)用中心復(fù)合的響應(yīng)面方法進(jìn)行自動(dòng)抽樣的有限元分析，迭代次數(shù)為79次，敏度計(jì)算結(jié)果如圖6所示，隨機(jī)抽樣計(jì)算結(jié)果如圖7所示.從圖6中可知，緩沖機(jī)構(gòu)的緩沖距離與緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感度順序依次為緩沖機(jī)構(gòu)的高度、緩沖彈簧的高度、緩沖彈簧的剛度系數(shù)、緩沖彈簧的預(yù)壓力，而對(duì)其橫截面參數(shù)不敏感.從圖7中可見，當(dāng)7個(gè)參數(shù)隨機(jī)波動(dòng)時(shí)，擺動(dòng)部件所產(chǎn)生的動(dòng)載變形△dx在18.28 mm范圍內(nèi)波動(dòng).

圖6 敏度計(jì)算結(jié)果

圖7 隨機(jī)抽機(jī)樣計(jì)算結(jié)果

4 充電裝置的機(jī)構(gòu)優(yōu)化

基于參數(shù)隨機(jī)波動(dòng)的有限元分析的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，選取機(jī)構(gòu)中敏度高的設(shè)計(jì)參數(shù)作為主要優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為

(5)

應(yīng)用混合罰函數(shù)法，在Matlab中編寫了優(yōu)化程序，經(jīng)過21次迭代，優(yōu)化結(jié)果如表2所示.從表2中可見，優(yōu)化結(jié)果對(duì)機(jī)構(gòu)高度最為敏感，最后的優(yōu)化值中首先機(jī)構(gòu)高度達(dá)到最小，這與前面基于有限元分析的敏度分析結(jié)果相符.

表2 充電機(jī)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié) 論

1)根據(jù)動(dòng)靜法建立了充電裝置緩沖機(jī)構(gòu)的沖擊過程的力學(xué)模型，為充電機(jī)構(gòu)的快速優(yōu)化提供了理論分析模型.

2) 根據(jù)對(duì)充電裝置機(jī)構(gòu)主要參數(shù)隨機(jī)波動(dòng)的有限元分析的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可知，設(shè)計(jì)該充電裝置時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮緩沖機(jī)構(gòu)的緩沖距離與緩沖機(jī)構(gòu)的高度.

3) 通過6個(gè)參數(shù)的優(yōu)化，不僅使優(yōu)化后充電裝置的總質(zhì)量大大減輕，并且在保證有效緩沖的前提下大大降低了占用空間.

通過本文的研究為充電裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了分析方法和理論依據(jù).

[1] 田美娥. 我國發(fā)展電動(dòng)汽車的必要性與趨勢[J]. 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010,25(5):89-92.

[2] 田德文, 馬亞青, 鄒 艷. 電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配方法研究[J].車輛與動(dòng)力技術(shù), 2013(3):11-15.

[3] 楊 墨, 隋天日, 曹 濤,等. 變電站巡檢機(jī)器人自動(dòng)充電系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2013,35(2):47-50.

[4] 芮秀鳳, 朱一凡, 關(guān) 寧, 等. 煤礦井下蓄電池電機(jī)車充電裝置的研究[J].煤礦機(jī)械, 2011,32(11):147-149.

[5] 朱小燕, 王群京, 陳 權(quán). 電動(dòng)汽車充電站的諧波分析與抑制[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2012,35(18):179-181.

6-DOF Mechanism Optimization of Charging Device forNew Energy Vehicle

ZHANG Guo-zhi

(Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang University， Xinxiang 453003， China)

The optimization method of its charging device mechanism for a new energy vehicle was studied, and the optimization idea was presented based on the probability finite element method. By means of the static and dynamic method, a theoretical calculation model of the buffer mechanism was established, and the accuracy of the model was verified by comparing with the results of the finite element calculation. According to the results of the probability finite element analysis, six parameters with higher sensitivity were selected to establish an optimization model. The weight of the charging device was reduced by 16% after the optimization with the mixed penalty function. This research provided the theoretical basis for the optimization design of the charging device mechanism.

new energy vehicle; charging device; optimization; sensitivity; mixed penalty function

1009-4687(2016)04-0005-04

2016-3-11

河南省教育廳高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(16A460022)

張國智(1978-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)楣こ讨械闹悄芊抡媾c優(yōu)化.

TH12

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