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(dòng)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(dòng)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(jì)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(duì)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(huì)與充電樁樁體發(fā)生碰撞，對(duì)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(duì)充電樁控制系統(tǒng)與硬件電路的設(shè)計(jì)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(bào)道。文獻(xiàn)[1]針對(duì)交流充電樁電磁兼容方面驗(yàn)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(duì)制約電動(dòng)汽車發(fā)展的電池和充電方式設(shè)計(jì)了一套電動(dòng)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(jì)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(jì)中，在所搭建的兩種車載式充電器實(shí)驗(yàn)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(jì)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(gè)充電樁結(jié)構(gòu)中，對(duì)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(gè)懸臂梁系統(tǒng)。

圖1 幾種電動(dòng)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(duì)模型進(jìn)行剖分，該單元有 UX、UY、UZ、Rotx、Roty、Rotz六個(gè)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(duì)桁架支柱固接于地在節(jié)點(diǎn)處的六個(gè)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(duì)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(shí)的桁架載荷分析

汽車與充電樁相撞時(shí)，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(shí)長，汽車撞擊充電樁時(shí)，撞擊力作用的有效時(shí)間很短，參考相關(guān)文獻(xiàn)[5-8]的研究經(jīng)驗(yàn)，取樁體撞擊作用有效時(shí)間為0.1 s；t為時(shí)間(t≤t1)。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)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(duì)象，取其質(zhì)量值為2000 kg；a為汽車加速度；v0為汽車撞擊時(shí)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(shí)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(duì)于 Fm的計(jì)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(chǔ)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(gè)載荷步對(duì)充電樁撞擊響應(yīng)進(jìn)行分析，每一載荷步又分為10個(gè)子步進(jìn)行分析（分析間隔時(shí)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(xiǎn)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(shí)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(duì)撞擊響應(yīng)的影響

考慮充電樁桁架不同型鋼厚度對(duì)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(xiǎn)杠高度為40 cm（內(nèi)置）時(shí)，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(xiǎn)杠有效高度對(duì)撞擊響應(yīng)的影響

考慮汽車保險(xiǎn)杠底端對(duì)地距離相等的情況下保險(xiǎn)杠有效高度對(duì)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(xiǎn)杠有效高度越大，則撞擊時(shí)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(xiǎn)杠底部距地40 cm、充電樁桁架型鋼厚度為2 mm時(shí)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(xiǎn)杠底端對(duì)地距離相等的情況下，隨著保險(xiǎn)杠有效高度的增大，充電樁受撞擊時(shí)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(xiǎn)杠有效高度之間大致呈現(xiàn)線性關(guān)系。

3.4 保險(xiǎn)杠距地高度對(duì)撞擊響應(yīng)的影響

考慮汽車保險(xiǎn)杠距地高度對(duì)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(xiǎn)杠、充電樁桁架型鋼厚度為2 mm時(shí)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(xiǎn)杠距地高度的增加，充電樁受撞時(shí)的最大應(yīng)力和最大變形都將增大。

3.5 車速對(duì)撞擊響應(yīng)的影響

考慮不同汽車初速度對(duì)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(duì)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(xiǎn)杠、充電樁桁架型鋼厚度為2 mm時(shí)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(shí)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(duì)電動(dòng)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??；

(2)在汽車保險(xiǎn)杠底端對(duì)地距離相等的情況下，隨著保險(xiǎn)杠有效高度的增大，充電樁受撞時(shí)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(xiǎn)杠有效高度之間大致呈現(xiàn)線性關(guān)系；

(3)隨著汽車保險(xiǎn)杠距地高度的增加，充電樁受撞時(shí)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(shí)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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