充電樁IK10沖擊仿真與試驗對標研究

 

袁鵬飛1，江丙云2，劉俊磊1

(1.國創移動能源創新中心(江蘇)有限公司, 江蘇常州 213000；2.萬幫數字能源股份有限公司, 江蘇常州 213000)

 

摘要：為研究某交流充電樁IK10沖擊仿真結果與試驗結果的差異性，用ANSA創建交流充電樁IK10沖擊仿真模型。將該模型文件導入Abaqus中進行仿真計算，得到沖擊頭的加速度曲線、沖擊頭的侵入位移曲線、樁體與地面之間的反作用力曲線。再對交流充電樁進行IK10沖擊試驗，將得到的數據與仿真結果進行對比，發現二者的數據誤差均保持在可接受的誤差范圍內，可以為同類產品的研發提供參考。

 

關鍵詞：充電樁；IK10沖擊；加速度；侵入位移；反作用力；對標

 

0  引  言

 

    汽車產業作為全球的支柱產業，在人們的生產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的動力來源，這也是節能減排與改善地球環境的必然趨勢[1]。目前，很多國家都在積極致力于電動汽車的研發與生產，我國的電動汽車行業起步較早，發展速度較快。

    國家大力支持新能源汽車的發展，積極支持其配套設施建設[2]，預計會投入超過600億元人民幣進行充電樁建設，其中充電設備的投入占比至少1/4[3]。如此大的市場份額，促使各個企業在充電樁產品研發過程中投入大量精力。只有研發出安全且性能優異的充電樁，企業才能在日趨激烈的環境中立于不敗之地。

 

1  IK沖擊

 

    IK(電器設備外殼對外界機械碰撞的防護等級)作為充電樁的一項重要測試項目，在充電樁的安全評估方面至關重要，在充電樁的研發過程中必須進行IK沖擊仿真。

    本文對充電樁進行IK10沖擊(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物表面，沖擊能量為20 J)仿真，并在充電樁制造完成后進行IK10沖擊試驗，將二者結果進行對標，校正仿真參數，以應用到其他同類產品的研發中。IK等級與沖擊能量對應表見表1。

 

表1  IK等級與沖擊能量對應表

 

IK代碼	能量/J	IK代碼	能量/J
IK01	0.14	IK06	1.0
IK02	0.20	IK07	2.0
IK03	0.35	IK08	5.0
IK04	0.50	IK09	10.0
IK05	0.70	IK10	20.0

 

2 顯式動力學

 

    仿真過程由前處理、計算、后處理等3個步驟組成。前處理包括幾何數據處理、網格劃分、創建連接和邊界條件、施加載荷，計算是對仿真模型運行求解得到結果，后處理是將計算結果以云圖、曲線、等值線等形式展示出來。

    作為一款世界通用的工程仿真軟件，Abaqus常用的仿真計算方法有隱式算法和顯式動力學算法。其中，顯式動力學算法適于求解復雜的非線性動力學問題和準靜態問題，特別是用于模擬瞬時的動態過程，如沖擊和爆炸問題[4]。

    顯式動力學應用中心差分法對方程進行顯式的時間積分，應用一個增量步的動力學條件，計算下一個增量步的動力學條件。在顯式算法中，質量矩陣總是采用對角矩陣或者集中質量矩陣，所以在求解加速度時變得簡單，不需要求解聯立方程[5-6]。

    顯式動力學算法最大的優點是有較好的穩定性，不用直接求解切線剛度，不需要進行平衡迭代。計算速度快，時間步長只要取得足夠小，一般不存在收斂性問題。因此，需要的內存也比隱式算法少。

 

3  有限元模型的建立

 

3.1  網格劃分

 

    文中的充電樁由裝飾蓋、中蓋、底殼、燈條、PCB組件等組成，由于各部件結構比較復雜，使用ANSA軟件將這些部件劃分為四面體網格。為減少計算時間，保證一定的計算精度，本文的網格平均尺寸為5 mm，得到的仿真模型的節點總數約為77500個，單元總數約為239 700個。

 

3.2  材料與屬性

 

    本文研究的是IK沖擊仿真，屬于瞬態過程，需要輸入材料在不同應變率下的拉伸應力應變數據(見圖1)。對于缺失的材料參數，可由材料供應商提供或委外測試。

 

 

圖1  PC+ASA不同應變率下的拉伸應力應變曲線

 

    在ANSA中創建3個材料：PC+ASA、FR4、PC，材料信息包括密度、泊松比、彈性模量和拉伸應力應變數據。裝飾蓋、中蓋、底殼的材質均為PC+ASA，PCB組件材質為FR4，燈條材質為PC。由于沖擊頭在整個沖擊過程中不發生變形，因此沖擊頭采用剛體建模，對其余各部件賦予材料和屬性，均采用SOLID SECTION屬性，材料信息見表2。

表2  材料明細

 

零部件	彈性模量/MPa	密度/(t/mm3)	泊松比
裝飾蓋	2 482	1.18E-09	0.39
中蓋	2 482	1.18E-09	0.39
底殼	2 482	1.18E-09	0.39
PCB組件	18 715	3.43E-09	0.40
燈條	2 400	1.10E-09	0.40

 

3.3  建模

 

    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螺栓連接，本文采用剛性Coupling單元模擬螺栓連接，用剛性板模擬剛性地面。由于在沖擊試驗中不需要考慮沖擊頭的變形，因此用剛體球模擬試驗時的半球形沖擊頭[7]，在剛體球的中心位置設置一個加速度傳感器單元，剛體球的質量為5 kg，剛體球與樁體之間創建面面接觸，其他部件之間創建全局自動接觸，全局接觸的滑動摩擦系數設為0.2，圖2為仿真模型和局部細節示意。

 

 

 圖2  仿真模型示意

 

3.4  邊界條件

 

    將充電樁平放于固定的剛性板上，為減少仿真計算時間，將剛體球放置在樁體上表面2 mm的位置。根據自由落體的運動知識和能量守恒定律，通過式(1)換算出剛體球自由下落到樁體表面時的速度。

mgh=mv2/2        (1)

    式中：m為剛體球的質量，kg；g為重力加速度，m/s²；h為跌落高度，m；v為剛體球下落到樁體表面時的速度，m/s。

    在ANSA中給剛體球施加一個豎直向下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程。

 

3.5 計算及結果后處理

 

    在ANSA中設置好仿真模型，導出以.inp結尾的計算文件，然后打開Abaqus求解器求解界面(DOS窗口)，輸入命令Abaqus JOB=文件名.inp，即可進入計算環節[8]。Abaqus求解器計算完成后，可在META中直接讀取.odb結果文件。仿真結果顯示，樁體的最大應變約為10.796%，位于裝飾蓋和中蓋與鋼體球接觸的區域，小于其材料PC+ASA的斷裂伸長率42.6%。因此，裝飾蓋和中蓋等塑膠部件的破損、開裂的風險較小。通過META還提取剛體球的加速度隨時間的變化曲線、剛體球的侵入位移隨時間的變化曲線、樁體與地面間的反作用力隨時間變化的曲線等信息，圖3為IK10沖擊仿真外殼的應變云圖。

 

 

圖3  IK10沖擊仿真結果示意

 

4  IK10沖擊試驗

 

    對充電樁進行IK10沖擊試驗，沖擊試驗裝置示意見圖4。將充電樁自由放置在水平放置的鋼板基座上，在基座底部設置一個測力傳感器(見圖5)，用于捕捉充電樁在沖擊作用下與剛板基座間的作用力隨時間的變化歷程。

 

 

圖4  沖擊試驗裝置示意

 

 

圖5  測力傳感器示意

 

    將質量為5 kg的半球狀沖擊頭安裝在落錘臺架上，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置2個加速度傳感器(見圖6)，用于捕捉沖擊頭在沖擊過程的加速度隨時間的變化歷程。測力傳感器和加速度傳感器連接到數據采集設備(見圖7)，采用高速攝像機(見圖8)記錄整個沖擊過程，在試驗前需要在充電樁的裝飾蓋上噴一層白色自噴漆，以便標記沖擊的位置。 

 

 

5  IK10沖擊試驗結果

 

    IK10沖擊充電樁得到沖擊頭的2個加速度傳感器的平均加速度隨時間變化的曲線見圖9，沖擊頭侵入位移隨時間變化的曲線見圖10，底部力傳感器捕捉的樁體與剛板基座之間的作用力隨時間變化的曲線見圖11。

 

 

圖9  沖擊頭平均加速度曲線

 

 

圖10  沖擊頭侵入位移曲線

 

 

圖11  樁體與剛板基座之間的作用力曲線

 

6  仿真與試驗結果對比

 

    對充電樁進行IK10沖擊測試，結果顯示樁體沒有出現破損、裂縫、脫落等現象，與仿真結果一致。由于沖擊試驗得到的原始加速度數據存在許多尖峰，需要對其進行濾波處理，得到比較符合實際的加速度曲線。濾波后的沖擊頭加速度曲線見圖12。

 

 

圖12  濾波后的沖擊頭加速度曲線

 

    沖擊頭加速度的試驗與仿真結果對比見圖13。由于仿真計算中沖擊頭只有1次沖擊充電樁的過程，沒有發生回落與充電樁的二次接觸，因此仿真的加速度曲線只有1個峰值。試驗中由于沖擊頭反彈后回落，再次與充電樁接觸，因此出現2個較大的加速度峰值。本次只對比第一個加速度峰值的結果。由于試驗從沖擊頭開始下落的時刻開始計時，而仿真從沖擊頭即將接觸充電樁時開始計時，因此圖13中仿真的加速度曲線是將時間軸平移得到的。

 

 

圖13  沖擊頭加速度的試驗與仿真結果對比

 

    由圖13可知，沖擊測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也很接近，二者的誤差保持在合理誤差范圍(10%)內，說明仿真結果與測試結果有很好的一致性。

    沖擊頭的最大侵入位移試驗和仿真見圖14，二者結果對比示意見圖15，其中，仿真結果曲線通過時間軸平移得到。由圖15可知，沖擊測試的沖擊頭的最大侵入位移約為27.8 mm，沖擊仿真的沖擊頭的最大侵入位移約為25.9 mm，二者的誤差保持在合理誤差范圍(10%)內，說明仿真結果與測試結果有很好的一致性。需要注意，仿真的沖擊過程時間比試驗的沖擊時間偏短。

 

 

圖14   沖擊頭的最大侵入位移試驗

 

 

圖15  沖擊頭最大侵入位移試驗與仿真結果對比

 

    圖16為樁體與剛性地面間的反作用力的試驗與仿真對比。與加速度的曲線類似，試驗中由于沖擊頭的反彈回落，出現多個反作用力的峰值，本文只對比沖擊頭與樁體第一次接觸時的反作用力，仿真結果曲線通過時間軸平移得到。

 

 

圖16  樁體與剛性地面反作用力的試驗與仿真對比

 

    由圖16可知，沖擊測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 N，二者的誤差保持在合理誤差范圍(10%)內，說明仿真結果與測試結果有很好的一致性。

 

7  結  論

 

    對某款交流充電樁進行IK10沖擊仿真和試驗，發現樁體破壞和開裂的風險均較小。為更精細化地對比仿真與試驗結果，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。對比3種曲線發現，曲線趨勢基本一致，數值偏差保持在可接受的誤差范圍(10%)內，證明該仿真方法在評估充電樁IK沖擊性能方面有很好的參考性。

 

參考文獻:

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