概述

近些年來，隨著全球不可再生資源的日漸消耗，世界各國都在努力尋找一種新能源來替代石油以應(yīng)對快速發(fā)展的汽車產(chǎn)業(yè)[1]。最終世界各國達(dá)成了共識，集中力量發(fā)展電能來替代石油，電動汽車遇到了歷史的絕佳發(fā)展機(jī)遇[2]。同時(shí)，與電動汽車配套的充電樁也迎來了歷史的發(fā)展機(jī)遇[3]。在充電樁的日常工作中，難免會遇到外界不確定性的影響，比如飛石沖擊、臺風(fēng)、淋雨、太陽暴曬、地震等情形。為了提高充電樁的安全性，在研發(fā)過程中需要對充電樁在各種潛在風(fēng)險(xiǎn)下的狀態(tài)進(jìn)行仿真，從而提前識別風(fēng)險(xiǎn)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低后期使用過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

 

本文以某充電樁的終端為例，采用響應(yīng)譜分析的方法對其進(jìn)行地震仿真，工作內(nèi)容包括幾何清理、網(wǎng)格劃分、創(chuàng)建邊界條件和載荷、后處理[4]。先使用 Abaqus 對終端進(jìn)行模態(tài)分析，提取終端的各階共振頻率，再根據(jù) GR63 的標(biāo)準(zhǔn)，對終端進(jìn)行響應(yīng)譜分析，查看結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，如果存在結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，再進(jìn)行響應(yīng)譜分析，直至結(jié)構(gòu)滿足安全要求。

 

1.響應(yīng)譜分析介紹

響應(yīng)譜分析（RSA）是一種用于評估結(jié)構(gòu)在瞬態(tài)歷程中最大響應(yīng)的分析技術(shù)，可以得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最大位移、最大應(yīng)力等信息[5-6]。響應(yīng)譜分析是基于模態(tài)分析的，模態(tài)分析提取的有效階數(shù)必須足以反映系統(tǒng)的動力學(xué)特征[7-8]。響應(yīng)譜分析可以替代時(shí)間歷程分析（瞬態(tài)動力學(xué)分析）來確定結(jié)構(gòu)承受隨機(jī)載荷的最大響應(yīng)，比如地震載荷、風(fēng)載、波浪載荷、噴氣發(fā)動機(jī)推力載荷等。

 

抗震性能作為充電樁及終端的一個(gè)重要性能，在充電樁的安全評估方面至關(guān)重要，所以在充電樁的研發(fā)過程中需要對其進(jìn)行地震仿真。GR63 是美國比較權(quán)威的抗震方面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本文對該充電樁終端進(jìn)行 GR63 Zone4 地震仿真。

 

表 1 為地震區(qū)域與里氏震級對應(yīng)表，表 2 為地震區(qū)域與響應(yīng)譜對應(yīng)表。

 

表 1 地震區(qū)域與里氏震級對應(yīng)表

 

 

表 2 地震區(qū)域與響應(yīng)譜對應(yīng)表

 

 

2.有限元模型建立

2.1 網(wǎng)格劃分

本文的充電樁終端均為鈑金件，均采用中面網(wǎng)格，為了減少計(jì)算時(shí)間，保證一定的計(jì)算精度，采用 5mm 的尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，關(guān)鍵位置網(wǎng)格加密，得到的仿真模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)約為 12.71萬個(gè)，總單元數(shù)約為 13.82 萬個(gè)，充電樁終端的有限元模型如圖 1 所示。

 

 

圖 1 充電樁終端的有限元模型

 

2.2 材料與屬性

充電樁終端的材料均采用冷軋鋼板，采用殼單元的截面屬性，由于地震仿真屬于線性仿真，所以不需要設(shè)置材料的塑性應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，只需設(shè)置密度、彈性模量、泊松比等數(shù)據(jù)，材料信息如表3 所示。

 

表 3 材料明細(xì)表

 

 

2.3 建立有限元模型

充電樁終端由底座、殼體、器件、模塊、支撐板、門板等部件組成，各部件間采用縫焊、點(diǎn)焊和螺栓鎖定的方式連接，某些沒有建模的部件以質(zhì)量點(diǎn)的形式配重，終端的總質(zhì)量約 65kg。

 

2.4 邊界條件

將充電樁終端底部的四個(gè)螺栓孔固定，如圖 1 紅色圓圈所示。

 

3.模態(tài)分析及后處理

完成上述有限元模型的創(chuàng)建，再在 Abaqus 中創(chuàng)建一個(gè)模態(tài)分析步，提交模態(tài)計(jì)算，由于后續(xù)的響應(yīng)譜分析的頻率上限是 50Hz，所以此處只列出 50Hz 以內(nèi)的模態(tài)頻率值，如表 4 所示：

 

表 4 模態(tài)頻率值列表

 

 

4.響應(yīng)譜分析及后處理

本文以最惡劣的 Y 向施加載荷的工況為例，對全局施加表 2 所示 GR63 Zone4 的響應(yīng)譜載荷，得到終端的位移和應(yīng)力云圖如圖 2 和圖 3 所示：

 

 

圖 2 終端位移云圖

 

 

圖 3 終端應(yīng)力云圖

 

由 Y 向的地震仿真可知，終端的最大位移約為 2.37mm，位于終端的頂部區(qū)域，最大應(yīng)力約為379MPa，位于底座安裝孔區(qū)域，大于其材料(SPCC)的屈服強(qiáng)度270MPa，但小于抗拉強(qiáng)度500MPa，底座有較大的屈服風(fēng)險(xiǎn)，斷裂風(fēng)險(xiǎn)較小。

 

由于終端是充電樁的充電載體，如果底座發(fā)生了屈服，長時(shí)間之后會有充電安全隱患，所以需要對終端進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本文提出了兩種優(yōu)化方案，如圖 4 所示：

 

方案一：在底座的四個(gè)螺栓安裝孔處分別增加一個(gè)厚度 2mm 的加強(qiáng)塊。

方案二：將底座厚度由 2.5mm 增加到 3.0mm。

 

 

圖 4 優(yōu)化方案示意圖

 

通過對兩種優(yōu)化方案的終端進(jìn)行模態(tài)仿真和 Y 向的地震仿真，結(jié)果如表 5 和圖 5~8 所示：

 

表 5 優(yōu)化方案模態(tài)頻率值列表

 

 

 

圖 5 方案一終端位移云圖

 

 

 

圖 6 方案一終端應(yīng)力云圖

 

 

圖 7 方案二終端位移云圖

 

 

圖 8 方案二終端應(yīng)力云圖

 

由兩種優(yōu)化方案的終端 Y 向地震仿真可知：

方案一：終端最大位移約為 3.90mm，位于終端的插槍孔上部區(qū)域；最大應(yīng)力約為 329.6MPa，位于底座安裝孔區(qū)域，仍大于其材料(SPCC)的屈服強(qiáng)度 270MPa，說明在底座安裝孔增加四個(gè)加強(qiáng)塊，對終端的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化效果不明顯。

 

方案二：終端最大位移約為 3.24mm，位于終端的門板右下邊角區(qū)域；最大應(yīng)力約為 253.9MPa，位于底座安裝孔區(qū)域，小于其材料(SPCC)的屈服強(qiáng)度 270MPa，底座的屈服風(fēng)險(xiǎn)較小，說明增大底座的厚度可以大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性能。

 

5.結(jié)論

抗震性能是充電樁及終端的一個(gè)重要性能，通過使用 Abaqus 創(chuàng)建了某充電樁終端的有限元模型，并對其進(jìn)行 GR63 Zone4 的地震仿真，識別終端的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，提出了兩種優(yōu)化方案，仿真結(jié)果表明在底座四個(gè)螺栓安裝孔處增加一個(gè)厚度 2mm 的加強(qiáng)塊，不能對結(jié)構(gòu)有明顯的強(qiáng)化作用，而將底座的厚度由 2.5mm 增大到 3.0mm 可以大大降低終端的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)。

 

資料來源：達(dá)索官方