在全世界倡導碳中和的趨勢下，近年來我國新能源電動汽車飛速發(fā)展，但充電問題一直阻礙著新能源電動車的發(fā)展，“十四五”的新基建中明確指出要加快充電樁的建設(shè)與全國充電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。交流充電樁因其體積小、無噪音、安裝方便、成本低等特點受到了生活小區(qū)的青睞。

 

交流充電樁在使用的過程中會受到人為、自然災(zāi)害的影響，如臺風、地震、異物沖擊等，因此在交流充電樁研發(fā)時應(yīng)對其抗臺風、抗地震、IK 沖擊等性能進行考察。結(jié)構(gòu)力學仿真作為加快研發(fā)進度、降低研發(fā)成本的重要手段，在產(chǎn)品的開發(fā)體系中顯得尤為重要，交流充電樁在研發(fā)的過程中需要對其進行反復(fù)的力學性能分析，以保證交流充電樁結(jié)構(gòu)件在使用過程中的可靠與安全。

 

Abaqus 因其優(yōu)異的非線性問題解決能力[1-3]，被廣泛應(yīng)用在汽車、航空航天、機械設(shè)備等領(lǐng)域，本文以某款交流充電樁為例，使用商用 Abaqus 仿真軟件對交流充電樁的抗臺風性能、抗地震性能及 IK 沖擊性能進行仿真分析。

 

1 模型處理

1.1 三維模型簡化

對三維模型進行檢查，對于干涉的零部件進行調(diào)整，對于電路板等零部件進行簡化，使用質(zhì)量點進行代替，對于較小的幾何特征進行簡化，本文中案例對小于 1mm 的特征進行簡化處理。

 

1.2 網(wǎng)格劃分

對于較薄的等厚件進行抽取中面，然后劃分成尺寸約為 5mm 的面網(wǎng)格，面網(wǎng)格使用四邊形縮減積分的單元（S4R）和三角形單元（S3），劃分時盡可能的減少三角形單元的使用，保證三角形的數(shù)量小于 1%，整體模型面網(wǎng)格尺寸控制在 2mm 到 8mm 之間，并保證單元的其它質(zhì)量參數(shù)在合理范圍內(nèi)；對于螺栓孔位置應(yīng)做兩層寬度為 2-4mm 的 washer，保證每層 washer包含的單元數(shù)量大于或等于 6 個。對于復(fù)雜的注塑件劃分成尺寸約為 5mm 的四面體網(wǎng)格（C3D4），整體網(wǎng)格尺寸控制在 1mm 到 8mm 之間，保證四面體網(wǎng)格質(zhì)量的其它參數(shù)在合理的范圍內(nèi)。網(wǎng)格劃分完成后，檢查模型中是否存在重復(fù)、干涉或穿透的網(wǎng)格并對其進行修復(fù)。

 

創(chuàng)建好的網(wǎng)格模型見圖 1 所示。

 

 

圖 1. 交流充電樁網(wǎng)格模型.

 

1.3 創(chuàng)建連接

充電樁零部件之間的連接主要包括三種類型：一是螺栓或者螺釘連接，可以使用剛性單元、剛性單元與 beam 單元的組合形式進行模擬；二是焊縫連接，可以使用剛性單元、實體單元或者殼單元進行模擬；三是卡扣連接，可以使用剛性單元或者接觸的方式進行模擬。本文中，螺栓或螺釘連接使用剛性單元與 beam 單元組合的形式進行模擬，焊縫連接使用殼單元進行模擬，卡扣連接使用剛性單元模擬。

 

1.4 材料、接觸設(shè)置

交流充電樁中的結(jié)構(gòu)件一般使用碳鋼、不銹鋼或者鋁合金，如 SPCC、Q235B、SUS304、Al6063 等；樁體內(nèi)、外殼通常使用熱塑性材料，如聚碳酸酯（PC）、合金聚碳酸酯（PC-ASA）等。本文中，交流充電樁的立柱等鈑金件使用的材料為 Q235B 冷軋?zhí)间?，充電樁?nèi)、外殼使用的材料為 PC 熱塑性材料。交流充電樁仿真中常用接觸分為面面接觸、通用接觸、TIE 接觸，本文中模型使用通用接觸的方式。

 

2 分析工況

2.1 抗臺風性能分析工況

根據(jù) GB/T 4797：電工電子產(chǎn)品自然環(huán)境條件中規(guī)定，將臺風等級對應(yīng)的風速換算成風壓，對產(chǎn)品進行不同等級、不同方向抗臺風仿真，評估產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件是否會產(chǎn)生永久變形，甚至失效。在本文案例中，以正面 12 級臺風為例，分析交流充電樁的抗臺風性能。

 

2.2 抗地震性能分析工況

根據(jù)國、內(nèi)外室外電器抗地震標準，如 NEBS 認證標準 GR-63-CORE:地震實驗項目研究中，對產(chǎn)品進行不同等級抗地震性能仿真，評估產(chǎn)品振動模態(tài)的頻率及振型、不同等級地震激勵下的位移、變形及失效情況，對存在風險的零部件進行加強。本文以 Zone3(5-6 級)地震等級前后方向激勵為例進行分析交流充電樁的可靠性。

 

2.3 IK 沖擊性能分析工況

根據(jù) GB/T 2423 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程中規(guī)定，對產(chǎn)品進行不同方向、不同等級的鋼球沖擊，評估產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件是否會產(chǎn)生永久變形，甚至失效，對存在風險的零部件進行加強。 本文以 IK8 正面沖擊工況為例。

 

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 抗臺風性能結(jié)果分析

在交流充電樁正面施加 12 級臺風風壓，結(jié)果表明：交流充電樁最大位移約為 1.1mm，位于立柱最頂端，滿足設(shè)計要求；最大應(yīng)力約為 52.1MPa，位于立柱與地面之間的連接螺栓附近，遠小于 Q235B 鋼材的屈服強度，交流充電樁整體結(jié)構(gòu)失效風險較小。

 

 

圖 2. 12 級臺風工況位移云圖.

 

 

圖 3. 12 級臺風工況應(yīng)力云圖

 

3.2 抗地震性能結(jié)果分析

交流充電樁模態(tài)的頻率與振型見表 1 所示，一階模態(tài)的頻率為 13.1Hz，前后擺動；二階模態(tài)的頻率為 19.3Hz，左右擺動；三階模態(tài)的頻率為 51.1Hz，繞豎直方向轉(zhuǎn)動；其中,一階模態(tài)的頻率滿足設(shè)計要求。施加 5-6 級地震前后方向激勵時，一階模態(tài)頻率位置產(chǎn)生的最大位移響應(yīng)約為 51.5mm，二階模態(tài)頻率位置產(chǎn)生的最大位移響應(yīng)約為 1.6mm，符合設(shè)計要求。

 

表 1

 

 

 

圖 4. 一階模態(tài)激勵位移云圖

 

 

圖 5. 二階模態(tài)激勵位移云圖.

 

3.3 IK 沖擊性能結(jié)果分析

交流充電樁正面 IK8 沖擊結(jié)果表明，樁體最大等效應(yīng)變約為 0.015，位于鋼球沖擊位置，沖擊位置塑性變形風險較大，斷裂風險較小，滿足設(shè)計要求。

 

 

圖 6. IK8 沖擊應(yīng)變云圖.

 

4 結(jié)論

通過對某款交流充電樁抗臺風性能、抗地震性能、IK 沖擊性能的結(jié)構(gòu)力學仿真分析，驗證了此款交流充電樁具有較好的結(jié)構(gòu)力學性能，滿足生活中常見惡劣環(huán)境對其性能的要求。文中對交流充電樁結(jié)構(gòu)力學仿真的建模過程、工況設(shè)置及結(jié)果評價做了概述，為從事充電樁及相關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員與仿真試驗人員提供參考依據(jù)。

 

資料來源：達索官方