充電樁IK10沖擊仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)研究

袁鵬飛　江丙云　劉俊磊

摘要：? 為研究某交流充電樁IK10沖擊仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的差異性，用ANSA創(chuàng)建交流充電樁IK10沖擊仿真模型。將該模型文件導(dǎo)入Abaqus中進(jìn)行仿真計(jì)算，得到?jīng)_擊頭的加速度曲線、沖擊頭的侵入位移曲線、樁體與地面之間的反作用力曲線，再對(duì)交流充電樁進(jìn)行IK10沖擊試驗(yàn)，將得到的數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者的數(shù)據(jù)誤差約為10%，在可接受的誤差范圍內(nèi)，可以為同類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：? 充電樁; IK10沖擊; 加速度; 侵入位移; 反作用力; 對(duì)標(biāo)

中圖分類(lèi)號(hào)：? U491.8;TM910.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? B

Research of charging pile IK10 impact simulation

and test comparison

YUAN Pengfei JIANG Bingyun LIU Junlei

（1. Guochuang Mobile Energy Innovation Center （Jiangsu） Co.， Ltd.， Changzhou 213000， Jiangsu， China;

2. Wanbang Digital Energy Co.， Ltd， Changzhou 213000， Jiangsu， China）

Abstract： In order to study the difference between the simulation results? and the test results of IK10 impact of an AC pile， ANSA is used to create the simulation model of IK10 impact? of a charging pile， and the model file is imported into Abaqus for simulation calculation. The acceleration curve， the intrusion displacement curve of impactor， and the reaction force curve between pile and ground are obtained. The IK10 impact test on the charging pile is carried out， and the simulation results and the test results is compared. There is a deviation of about 10%， which belongs to the acceptable range. It can provide reference for research and development of similar product.

Key words： charge pile; IK10 impact; acceleration; intrusion displacement; reaction force; comparison

基金項(xiàng)目：? 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB0106300）

作者簡(jiǎn)介： 袁鵬飛（1988—），男，河南舞陽(yáng)人，工程師，碩士，研究方向?yàn)槌潆娫O(shè)備和汽車(chē)仿真，（E-mail）ypf.1059566@163.com0引言

汽車(chē)產(chǎn)業(yè)在人們的生產(chǎn)生活中扮演著重要角色。作為一種清潔能源，電能正在逐漸取代石油作為汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，這也是節(jié)能減排與改善地球環(huán)境的必然趨勢(shì)[1]。目前，很多國(guó)家都在積極致力于電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)與生產(chǎn)，我國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展速度較快。

國(guó)家大力支持新能源汽車(chē)的發(fā)展，積極支持其配套設(shè)施建設(shè)[2]，預(yù)計(jì)會(huì)投入超過(guò)600億元人民幣進(jìn)行充電樁建設(shè)，其中充電設(shè)備的投入占比至少為1/4[3]。如此大的市場(chǎng)份額，促使各個(gè)企業(yè)在充電樁產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中投入大量精力。只有研發(fā)出安全且性能優(yōu)異的充電樁，企業(yè)才能在日趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

1IK沖擊

IK即電器設(shè)備外殼對(duì)外界機(jī)械碰撞的防護(hù)等級(jí)，是充電樁的一項(xiàng)重要測(cè)試項(xiàng)目，在充電樁的安全評(píng)估方面至關(guān)重要。在充電樁的研發(fā)過(guò)程中必須進(jìn)行IK沖擊仿真。

本文對(duì)充電樁進(jìn)行IK10（即以5 kg的鋼球或半球體沖擊頭，在0.4 m的高度豎直下落到目標(biāo)物表面，沖擊能量為20 J）沖擊仿真，并在充電樁制造完成后進(jìn)行IK10沖擊試驗(yàn)，將結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)，校正仿真參數(shù)，以應(yīng)用到其他同類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)中。IK等級(jí)與沖擊能量對(duì)應(yīng)見(jiàn)表1。

2顯式動(dòng)力學(xué)仿真

仿真過(guò)程由前處理、計(jì)算、后處理等3個(gè)步驟組成。前處理包括幾何數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)格劃分、創(chuàng)建連接和邊界條件、施加載荷，計(jì)算是對(duì)仿真模型運(yùn)行求解得到結(jié)果，后處理是將計(jì)算結(jié)果以云圖、曲線、等值線等形式展示出來(lái)。

作為一款世界通用的工程仿真軟件，Abaqus常用的仿真計(jì)算方法有隱式算法和顯式動(dòng)力學(xué)算法。其中，顯式動(dòng)力學(xué)算法適于求解復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題，特別適用于模擬瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，如沖擊和爆炸問(wèn)題[4]。

顯式動(dòng)力學(xué)應(yīng)用中心差分法對(duì)方程進(jìn)行顯式時(shí)間積分，應(yīng)用一個(gè)增量步的動(dòng)力學(xué)條件，計(jì)算下一個(gè)增量步的動(dòng)力學(xué)條件。在顯式算法中，質(zhì)量矩陣總是采用對(duì)角矩陣或者集中質(zhì)量矩陣，所以求解加速度簡(jiǎn)單，不需要求解聯(lián)立方程[5-6]。

顯式動(dòng)力學(xué)算法最大的優(yōu)點(diǎn)是有較好的穩(wěn)定性，不用直接求解切線剛度，不需要進(jìn)行平衡迭代，計(jì)算速度快，時(shí)間步長(zhǎng)只要取得足夠小，一般不存在收斂性問(wèn)題，因此需要的內(nèi)存也比隱式算法少。

3有限元模型的建立

3.1網(wǎng)格劃分

充電樁由裝飾蓋、中蓋、底殼、燈條、PCB組件等組成，由于各部件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用ANSA軟件將這些部件劃分為四面體網(wǎng)格。為減少計(jì)算時(shí)間，保證一定的計(jì)算精度，本文的網(wǎng)格平均尺寸為5 mm，得到的仿真模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為77 500個(gè)，單元總數(shù)約為239 700個(gè)。

3.2材料與屬性

本文研究的是IK沖擊仿真，屬于瞬態(tài)過(guò)程，需要輸入材料在不同應(yīng)變率下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1）。對(duì)于缺失的材料參數(shù)，可由材料供應(yīng)商提供或委外測(cè)試。

在ANSA中創(chuàng)建3個(gè)材料：PC+ASA、FR4、PC，材料信息包括密度、泊松比、彈性模量和拉伸應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)。裝飾蓋、中蓋、底殼的材質(zhì)均為PC+ASA，PCB組件材質(zhì)為FR4，燈條材質(zhì)為PC。由于沖擊頭在整個(gè)沖擊過(guò)程中不發(fā)生變形，因此沖擊頭采用剛體建模，對(duì)其余各部件賦予材料和屬性，均采用SOLID SECTION屬性，材料信息見(jiàn)表2。

3.3模型建立

交流充電樁的塑膠部件之間，以及PCB板組件與底殼之間都通過(guò)螺栓連接，本文采用剛性Coupling單元模擬螺栓連接，采用剛性板模擬剛性地面。在沖擊試驗(yàn)中不需要考慮沖擊頭的變形，因此用剛體球模擬半球形沖擊頭[7]，在剛體球的中心位置設(shè)置加速度傳感器單元，剛體球的質(zhì)量為5 kg，剛體球與樁體之間創(chuàng)建面面接觸，其他部件之間創(chuàng)建全局自動(dòng)接觸，全局接觸的滑動(dòng)摩擦因數(shù)設(shè)為0.2，圖2為沖擊仿真模型和局部細(xì)節(jié)示意。

3.4邊界條件

將充電樁平放于固定的剛性板上，為減少仿真計(jì)算時(shí)間，在ANSA中將剛體球放置在樁體上表面2 mm的位置。根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)知識(shí)和能量守恒定律，通過(guò)式（1）換算得到剛體球自由下落到樁體表面時(shí)的速度，即

mgh=mv²/2 （1）

式中：m為剛體球的質(zhì)量，kg;g為重力加速度，m/s²;h為跌落高度，m;v為剛體球撞擊樁體表面時(shí)的速度，m/s。

給剛體球施加豎直向下2.8 m/s的初速度，模擬其從0.4 m的高度自由下落到充電樁表面的過(guò)程。

3.5計(jì)算及結(jié)果后處理

在ANSA中設(shè)置好仿真模型，導(dǎo)出以.inp結(jié)尾的計(jì)算文件，然后打開(kāi)Abaqus求解器求解界面（DOS窗口），用Abaqus JOB=文件名.inp命令進(jìn)入計(jì)算環(huán)節(jié)[8]。Abaqus求解器計(jì)算完成后，可在META中直接讀取.odb結(jié)果文件。仿真結(jié)果顯示，樁體的最大應(yīng)變約為10.796%，位于裝飾蓋和中蓋與鋼體球接觸的區(qū)域，小于其材料PC+ASA的斷裂伸長(zhǎng)率42.6%。因此，裝飾蓋和中蓋等塑膠部件的破損、開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較小。通過(guò)META提取剛體球的加速度隨時(shí)間的變化曲線、剛體球的侵入位移隨時(shí)間的變化曲線、樁體與地面間的反作用力隨時(shí)間變化的曲線等信息，圖3為IK10沖擊仿真充電樁外殼的應(yīng)變?cè)茍D。

4IK10沖擊試驗(yàn)

對(duì)充電樁進(jìn)行IK10沖擊試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)裝置示意見(jiàn)圖4。將充電樁自由放置在水平放置的鋼板基座上，在基座底部設(shè)置一個(gè)測(cè)力傳感器（見(jiàn)圖5），用于捕捉在沖擊作用下充電樁與剛板基座間的作用力隨時(shí)間的變化歷程。

將質(zhì)量為5 kg的半球狀沖擊頭安裝在落錘臺(tái)架上，沖擊頭位于充電樁上部0.4 m處（考慮到豎直滑軌存在一定的阻尼，所以沖擊頭的高度會(huì)稍大于0.4 m）。沖擊頭沿著滑軌下落，保證沖擊方向豎直向下。在沖擊頭的中心位置設(shè)置2個(gè)加速度傳感器（見(jiàn)圖6），用于捕捉?jīng)_擊頭在沖擊過(guò)程的加速度隨時(shí)間的變化歷程。測(cè)力傳感器和加速度傳感器連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備（見(jiàn)圖7），采用高速攝像機(jī)記錄整個(gè)沖擊過(guò)程。試驗(yàn)前在充電樁的裝飾蓋上噴一層白色自噴漆，以便標(biāo)記沖擊的位置。

5IK10沖擊試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)得到?jīng)_擊頭的2個(gè)加速度傳感器的平均值隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖8，沖擊頭侵入位移隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖9，底部力傳感器捕捉的樁體與剛板基座之間的作用力隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖10。

6仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

充電樁IK10沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示樁體沒(méi)有出現(xiàn)破損、裂縫、脫落等現(xiàn)象，與仿真結(jié)果一致。沖擊試驗(yàn)得到的原始加速度數(shù)據(jù)存在許多尖峰，對(duì)其進(jìn)行濾波處理，可得到比較符合實(shí)際的加速度曲線。濾波后的沖擊頭加速度曲線見(jiàn)圖11。

沖擊頭加速度的試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖12。由于仿真計(jì)算中沖擊頭只有1次沖擊充電樁的過(guò)程，沒(méi)有發(fā)生回落并與充電樁的二次接觸，因此仿真的加速度曲線只有1個(gè)峰值。試驗(yàn)中沖擊頭反彈后回落，再次與充電樁接觸，因此出現(xiàn)2個(gè)較大的加速度峰值。本次只對(duì)比第一個(gè)加速度峰值的結(jié)果。試驗(yàn)從沖擊頭開(kāi)始下落的時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，而仿真從沖擊頭即將接觸充電樁時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，因此圖13中仿真的加速度曲線是將時(shí)間軸平移得到的。

由圖12可知，沖擊測(cè)試得到的沖擊頭的平均加速度最大值約為169.09 m/s²，沖擊仿真得到的沖擊頭最大加速度約為161.28 m/s²，且加速度曲線的趨勢(shì)也很接近，二者的誤差保持在合理誤差范圍（10%）內(nèi)，說(shuō)明仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果有很好的一致性。

沖擊頭的最大侵入位移仿真和試驗(yàn)示意見(jiàn)圖13，二者結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖14，其中仿真結(jié)果曲線通過(guò)時(shí)間軸平移得到。由圖14可知，沖擊測(cè)試中沖擊頭的最大侵入位移約為27.8 mm，沖擊仿真中沖擊頭的最大侵入位移約為25.9 mm，仿真誤差保持在合理誤差范圍（10%）內(nèi)，說(shuō)明仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果有很好的一致性。需要注意，仿真的沖擊過(guò)程時(shí)間比試驗(yàn)的沖擊時(shí)間偏短。

圖15為樁體與剛性地面間的反作用力的試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比。與加速度的曲線類(lèi)似，試驗(yàn)中由于沖擊頭的反彈回落，出現(xiàn)多個(gè)反作用力的峰值，本文只對(duì)比沖擊頭與樁體第一次接觸時(shí)的反作用力，仿真結(jié)果曲線通過(guò)時(shí)間軸平移得到。

由圖15可知，沖擊測(cè)試的樁體與剛性地面間的反作用力約為2 125.9 N，仿真得到的反作用力約為2 001.0 N，二者的誤差保持在合理誤差范圍（10%）內(nèi)，說(shuō)明仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果有很好的一致性。

7結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某款交流充電樁進(jìn)行IK10沖擊仿真和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樁體破壞和開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)均較小。為更精細(xì)化地對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果，分別提取沖擊頭的加速度變化曲線、侵入位移變化曲線、充電樁與剛性地面間的作用力變化曲線。對(duì)比3種曲線發(fā)現(xiàn)，曲線趨勢(shì)基本一致，數(shù)值偏差保持在可接受的誤差范圍（10%）內(nèi)，證明該仿真方法在評(píng)估充電樁IK10沖擊性能方面有很好的參考性。參考文獻(xiàn)：

[1]王旭， 齊向東. 電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設(shè)計(jì)與研究[J]. 機(jī)電工程， 2014， 31（3）： 393-396. DOI： 10.3969/j.issn.1001-4551.2014.03.027.

[2]吳春陽(yáng)， 黎燦兵， 杜力， 等. 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施規(guī)劃方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2010， 34（24）： 36-39.

[3]劉康華， 張會(huì)， 韓娟娟. 交直流一體充電樁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新， 2018（35）： 158-160.

[4]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析實(shí)例詳解[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2008： 7-8.

[5]SHERWOOD J A， FROST C C. Constitutive modeling and simulation of energy absorbing polyurethane foam under impact loading[J]. Polymer Engineering and Science， 1992， 32（16）： 1138-1146.

[6]曾翔. 沖擊和快速加載作用下鋼筋混凝土梁柱構(gòu)件性能試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[D]. 長(zhǎng)沙： 湖南大學(xué)， 2014.

[7]朱東俊， 葛亮， 劉瑩， 等. 基于Abaqus的復(fù)合材料板沖擊特性分析[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程， 2013， 22（S2）： 21-25.

[8]劉明卓. 基于Abaqus的汽車(chē)座椅塑料件有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 塑料工程學(xué)報(bào)， 2011， 18（4）： 116-119. DOI：10.3969/j.issn.1007-2012.2011.04.023.（編輯陳鋒杰）