電動客車充電插座安裝支架的有限元分析

劉國浩 李 棟

（聊城大學東昌學院，聊城 252000）

1 背景介紹

近年來，新能源市場火爆，電動客車、插電式混合動力客車受到熱捧。新能源客車必不可少的部件是電池，有電池就需要充電，就離不開車輛充電連接裝置。車輛充電連接裝置包括充電接口和車輛接口兩部分，車輛接口包括車輛插座和車輛插頭兩部分，車輛插座是指車輛接口中固定安裝在電動汽車上，通過電纜和車載充電機或車載動力蓄電池相互連接的部分。本文研究的充電插座是車輛插座。根據充電類型的不同，車輛充電連接裝置分為直流充電連接裝置和交流充電連接裝置，本文研究的對象是直流充電連接裝置。根據國標相關要求[1]，在使用或設計充電連接裝置時，應滿足以下要求。

（1）插合供電插頭和供電插座、車輛插頭和車輛插座，在鎖止狀態下，施加200N的拔出外力時，連接不應斷開，且鎖止裝置不得損壞。

（2）供電插頭插入和拔出供電插座、車輛插頭插入和拔出車輛插座的全過程的力均應滿足：對于交流充電接口，小于100N；對于直流充電接口，小于140N。

根據以上要求，充電插座安裝支架在使用中應該可以承受200N的插拔力而不發生明顯彎曲變形。

2 充電插座安裝位置的相關介紹

根據實際使用情況，充電插座的安裝位置一般分為以下幾種[2-6]。（1）安裝在客車側圍，這種安裝方式采用盒式安裝支架，直接將充電插座支架與客車側圍骨架連接在一起，簡單牢固，整體性好，且技術成熟，使用非常廣泛。（2）安裝在客車后艙門內，這種安裝方式在客車充電時要求必須打開后艙門，占用充電空間，充電操作繁瑣，除特殊情況不建議安裝在此處。（3）安裝在側艙門內，這種安裝方式采用充電插座安裝支架，通過焊接與車身骨架連接在一起，但是設計時要考慮支架與側艙門的位置關系，在盡可能不改變側艙門原來結構的基礎上完成充電插座的安裝，這種安裝方式由于使用方便，被應用在大部分電動客車車型中。本文研究的內容即安裝在側艙門內的充電插座的安裝支架問題。由于側艙門結構原因，在側艙門上開充電小門有一定高度要求，配合車架結構，導致充電插座在安裝的時候需要使用特別設計的充電插座支架。由于車架本身的結構原因，在實際中充電插座支架前端面到側艙門充電小門外側的距離約為80mm。這樣，一般的充電槍在完全插入充電插座后，充電槍手柄到充電插座小門外側的距離僅余15mm左右，為了保證操作方便，且能夠完全將充電槍插入，則充電插座支架安裝孔中心彎曲位移要小于5mm。本文為了相應節能減排號召，以及實現客車輕量化的目標，針對充電插座支架的厚度、有無肋板進行有限元分析，為充電插座支架的設計提供幫助。

3 充電插座模型簡化設計

根據國標中的相關要求，簡化充電插座模型，只保留分析時相關的重要尺寸，使用UG NX11.0構建車輛充電插座的簡化三維模型，如圖1所示。

4 充電插座安裝支架的模型簡化設計

充電插座安裝支架的設計首先需要滿足充電插座的安裝要求，四個螺栓孔必須中心對齊；其次，安裝充電插座時應該留有足夠的操作空間，既要能按得上去，也要能拿得下來；最后，充電插座支架應保證充電插座與側艙門上充電口小門中心對齊，能保證充電槍插頭可以在不打開側艙門只打開充電口小門的情況下，順利全部插入充電插座中，連接可靠。根據以上條件，合理設計充電插座支架尺寸，使用UG NX11.0構建充電插座支架的三維模型，如圖2所示。

圖2 充電插座安裝支架三維模型圖

圖1 充電插座簡化三維模型圖

5 充電插座安裝支架的有限元分析

根據相關要求分別選用2mm、3mm、4mm、5mm厚的鋼板作為研究對象。首先采用UG NX11.0構建不同厚度的充電插座支架三維模型，然后完成充電插座與不同厚度充電插座支架的裝配。啟動UG界面中的設計仿真功能，將裝配好的模型導入設計仿真環境下。彈出新建FFEM和仿真對話框，采用默認參數設置；彈出結算方案對話框，分析類型選擇“結構”，結算方案類型選擇“線性靜態-單約束”，結果選項選擇“位移列表、應力列表、應變列表”，其他參數采用默認設置。第一步，指派材料，充電插座支架選擇“steel”，充電插座選擇“ABS”；第二步，網格劃分，單元屬性類型選擇“CTETRA（10）”，單元大小選擇2mm，其他參數默認，分別對充電插座和充電插座支架進行網格劃分，由于使用的是裝配件，在網格劃分后，需要使用網格配對功能，選擇要配對的面，網格配對類型選擇“粘連重合”；第三步，新建載荷類型，選擇“力”，在打開的對話框中，模型對象選擇充電插座外平面，力的方向選擇充電插座中心方向，力的幅值設為200N；第四步，新建約束類型，選擇固定約束，在打開的對話框中，模型對象選擇充電插座支架上平面；最后，求解得到相應的結果，如圖3所示。

圖3 充電插座安裝支架有限元分析圖

通過圖形分析可得：充電插座安裝支架的變形量隨支架厚度的增加而減少，安裝孔中心位置的彎曲變形位移如下，2mm支架約為32mm，3mm支架約為9mm，4mm支架約為4mm，5mm支架約為2mm。因此，板厚在4mm及以上的充電插座安裝支架能夠滿足使用要求。

為了達到客車輕量化的要求，修改充電插座安裝支架結構，在原有支架背面兩側添加肋板，使用UG NX11.0完成三維建模及有限元分析，求解得到相應的結果，如圖4所示。

圖4 充電插座加肋板安裝支架有限元分析圖

通過圖形分析可得：添加肋板的充電插座安裝支架安裝孔中心位置的彎曲變形位移均小于1mm，滿足充電插座的安全使用要求。

根據已得到的充電插座安裝支架模型，使用UG NX11.0分析得到各個結構模型質量，如表1、表2所示。

表1 無肋板充電插座安裝支架質量

表2 加肋板充電插座安裝支架質量

通過質量分析可知，4mm厚充電插座安裝支架（無肋板）質量為0.94kg，2mm厚充電插座加肋板安裝支架質量為0.59kg。經對比，2mm厚充電插座加肋板安裝支架既能滿足實際使用需求，又符合企業輕量化的要求。

6 結論

本文使用UG NX11.0構建充電插座及其安裝支架的三維簡化模型，應用高級仿真模塊，通過網格劃分，添加約束和力，完成有限元分析，并根據分析結果，確定充電插座安裝支架合理厚度，進而優化充電插座安裝支架結構，最終得出2mm厚加肋板的充電插座安裝支架，既能滿足實際使用需求，且安全可靠，又符合節能減排的號召及企業輕量化的要求。

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