基于Workbench的移動式電動汽車充電樁外形結構設計

摘要：針對傳統固定式充電樁存在的建設成本高、布局靈活性差以及無法滿足不同場地和用戶需求等問題，設計了一種移動式電動汽車充電樁。利用Workbench對移動式電動汽車充電樁進行結構優化，使其在質量、成本及材料使用效率方面均能得到優化。首先，詳細設計了移動式電動汽車充電樁的總體結構，概述了移動式電動汽車充電樁的優化分析方法；其次，提出了基于Workbench的移動式電動汽車充電樁優化模型；最后，通過仿真實驗驗證了該模型的可行性和穩定性。結果表明，充電樁質量從原來的272.33 kg降低至140.67 kg，實現了輕量化的目標，同時顯著降低了成本。

關鍵詞：Workbench；移動式電動汽車充電樁；結構設計；優化；穩定性

中圖分類號：TM910.6 文獻標識碼：A

0 引言

隨著公眾環境保護意識的提升，電動汽車逐漸成為交通運輸領域的重要組成部分。在這種背景下，充電樁作為電動汽車的主要配套基礎設施，其建設和運營變得尤為重要。然而，傳統的固定式充電樁在實際應用中存在建設成本高、布局靈活性差，以及無法滿足不同場地和用戶需求等問題。移動式電動汽車充電樁作為一種靈活、高效的電動汽車充電解決方案，展現出優越的適應性和服務能力，能夠滿足多樣化的充電需求。基于此，本文設計了一種移動式電動汽車充電樁，并通過Workbench對其進行結構優化。基于結構設計的科學性與合理性，通過引入先進的三維建模工具和有限元分析軟件，能夠更深入地理解移動式電動汽車充電樁在3種工況下的尺寸變化情況[1]。結果表明，優化后的移動式電動汽車充電樁在質量、成本以及材料使用效率方面均得到了優化。

1 移動式電動汽車充電樁的結構設計

移動式電動汽車充電樁的結構包括支撐架、充電支架、充電線、充電器、充電擋板、充電外板、充電接口以及充電面板等部件，如圖1所示。移動式電動汽車充電樁外形為矩形箱體，箱體上設有充電接口和充電面板。同時，充電樁殼體外部設有安裝孔，便于將其安裝在相應位置[2]。

移動式電動汽車充電樁的充電接口為接觸式接口，其工作原理如下：首先，通過整流器進行控制，將電纜中的交流電轉換為直流電，并儲存于移動式電動汽車充電樁的電池內。當進行充電時，移動式電動汽車充電樁會先將電池中儲存的直流電逆變為交流電，隨后通過充電接口將電能傳輸給電動汽車，完成充電過程。由于該充電樁具備可移動性和通用性，能夠靈活地安裝在不同位置上，方便用戶在不同場景下進行快速安裝與拆卸。

2 移動式電動汽車充電樁的優化分析方法

ANSYS/Workbench是由美國ANSYS公司研發的一款通用型有限元分析軟件。該軟件具備將有限元分析方法與相關工具進行有機整合的能力，并且作為一款出色的計算機輔助工程（computer aided engineering?，CAE）軟件，能夠建立一個協同的模擬環境。在產品研發制造過程中，該軟件可以將涉及的數據、模型、技術等多種要素整合到一個仿真環境中。這種仿真環境集成了三維建模、有限元模型建立、計算模擬以及分析處理數據等各項功能，能夠提供全面的仿真與分析服務。基于此，工程師和設計師可以更好地預測產品行為，并在產品的早期階段進行優化設計。

2.1 結構設計優化

針對移動式電動汽車充電樁，采用有限元分析方法對其進行優化以確保設計的靈活性。有限元分析是指使用ANSYS/Workbench對移動式電動汽車充電樁進行建模、劃分網格、施加載荷和求解的過程。由于電動汽車的充電樁與車載充電器均屬于機電類移動式電動汽車充電樁，在進行有限元分析時，需運用ANSYS/Workbench軟件的優化模塊對可移動式充電樁的結構參數進行優化設計[3]。

優化結構設計時需要綜合考慮充電樁的幾何造型和功能要求。運用ANSYS/Workbench軟件的優化模塊對充電樁的結構參數進行優化，再將優化后的結果添加到充電樁組件中進行有限元分析，最終獲得充電樁的變形情況。另外，需要將有限元分析結果與移動式電動汽車充電樁設計參數相結合，并根據仿真結果對其結構進行調整，以獲得滿足功能要求的移動式電動汽車充電樁結構[4]。

2.2 結構可靠性分析

在結構分析中，存在不確定因素，如結構的材料屬性、邊界條件和加工公差等。為了分析這些因素對結構的影響，在建立模型時一般將它們設置為確定的參數。盡管在實際應用中，這些參數的精確值較難確定，但是，通過結合概率評估方法，可以較為準確地預測失效概率，而不必依賴于將所有值都設定為固定值[4]。可靠性分析已經成為一種重要的工具，旨在通過計算，研究移動式電動汽車充電樁在不確定因素影響下的安全性，以及移動式電動汽車充電樁實現預期功能的概率[5]。

隨著可靠性分析技術的不斷發展，如今已形成了許多成熟且應用廣泛的可靠性分析方法。其中，蒙特卡洛法是較為常見的方法。蒙特卡洛法是使用數值模擬來解決復雜結構可靠性問題的方法，還被稱作統計試驗法或隨機抽樣法。其理論基礎為概率論和數理統計，通過特定方法得到隨機數及隨機變量xi，代入功能函數g （x），得到一個函數值。若

g（x）≤0，則表明結構失效，此時需在程序中計入一次失效事件；若g（x）＞0，則表明結構處于安全狀態，不計入程序[6]。經過一次計算，可以得到一個隨機數，然后繼續進行計算，直到達到預期的實驗次數。最終對實驗結果進行統計處理，即可得到失效概率pf：

pf = p[g（x）≤0] =" 。" " " " " " " " " " " " " "（1）

式中，pf為可靠性的失效概率，p[g（x）≤0]為抽樣分布概率，n為抽樣模擬總量，k為g（x）≥0的合格量總數。

經過分析發現，失效概率與抽樣模擬總量n有關，計算結果隨著n的增加變得更加準確[7]。

3 基于Workbench的移動式電動汽車充電樁優化模型

有限元方法作為一種數值求解方法，可以將復雜的物理問題離散化為小的有限元單元，并建立這些單元之間的聯系。通過對每個單元完成離散處理后構建的分析模型進行有限元分析，能夠求解出原始物理問題的數值解。

3.1 三維建模

有限元方法應用十分廣泛，尤其是在現代輕量化設計中，數值求解方法對結構優化設計的作用變得越來越重要。使用有限元方法進行結構分析時，必須具備良好的彈性力學基礎知識，并且要熟悉5種基本假設，以便能夠更好地運用這些假設來進行分析：①連續性假設，即假設研究的結構是連續的，物質之間不存在缺陷和縫隙，力和位移通過單元節點傳遞，并且可以用函數來表示；②均勻性假設，即假設研究的物質均勻分布，不會因位置不同而造成特性差異；③各向同性假設，即假設研究物質的各項特性在各個方向上相同，有利于統一參數；④線彈性假設，即假設結構的位移與外載荷呈線性關系；⑤小變形假設，即假設結構的變形相對于結構本身的尺寸是微小的[8]。

參考移動式電動汽車充電樁的CAD圖紙以及充電樁的實體圖，利用UG NX10.0建模軟件，簡化結構后建立充電樁三維模型，有限元模型中常采用梁單元、實體單元和殼單元3種單元類型。梁單元計算的優點是前處理簡單，計算速度較快，但計算精度較低；實體單元計算雖然精度最高，但是單元節點數量多，計算的工作量大，效率較低；殼單元常用于薄板結構中，能夠反映車架的真實力學性能，并且具有厚度屬性，便于后續的尺寸優化設計。基于綜合考慮，本文采用殼單元進行有限元模擬，充電樁框架簡化結構模型如圖2所示。

3.2 網格劃分

在UG軟件中將充電樁的三維實體模型導出為STEP格式，然后導入Hypermesh Mesh中進行網格劃分。Hypermesh軟件具備強大的網格劃分功能，且功能豐富多樣。靈活運用Hypermesh Mesh的面網格、實體網格以及1D網格，能夠針對各種復雜結構進行網格劃分。另外，Hypermesh Mesh軟件還具備良好的兼容性，可兼容常見的求解器，操作方便。將充電樁模型導入Hypermesh Mesh后，需要選擇求解器，因為有限元模擬是在Workbench中實現的，所以選擇Workbench求解器[9]。鑒于模型比較復雜，在導入過程中可能會出現幾何信息丟失的問題，故需進行模型修復。由于充電樁模型尺寸較大，經過比較計算，將上面板、左面板、下面板和右面板等主要受力結構劃分為10 mm的網格，其余部位屬于附屬結構，無須高精確度，因此將它們劃分為15 mm的網格。經過劃分，共計有156 086個單元格和168 136個節點[10]。

4 面板厚度的優化分析

通過軟件操作面板，可以調整上面板、左面板和下面板的厚度，以滿足不同的使用需求。上面板的厚度變化范圍為5～8 mm，左面板的厚度變化范圍為3～5 mm，而下面板的厚度則為6～

10 mm。通過使用Workbench中的力學分析模塊，根據工況的力學條件，選取最小質量為目標函數。將3種工況下面板的厚度進行優化，并得出優化后的應力結果，如表1和表2所示，以便更好地分析和評估充電樁的力學性能。

為了提高移動式電動汽車充電樁的整體質量，在保證充電樁強度、剛度和穩定性的前提下，對其進行優化分析。針對充電樁的整體質量，在不增加配件的前提下，將上面板厚度從8 mm減小到

6 mm，尺寸變化率為25%。下面板厚度從10 mm減小到8 mm，尺寸變化率為20%，而左面板的厚度沒有發生變化。在重新建模后，充電樁質量從原來的272.33 kg降低至140.67 kg，優化效果十分顯著，進一步降低了成本。

5 結論

本文為充電樁的工程實踐提供了有益的參考，既展示了技術與設計的一體化方案，也指明了未來移動式電動汽車充電樁的研究方向。該設計兼具實用性與可行性，不僅充實了電動汽車充電設施領域的研究內容，還為可持續交通體系的構建貢獻了具有創新性的解決方案。

參考文獻

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