在全世界倡导碳中和的趋势下，近年来我国新能源电动汽车飞速发展，但充电问题一直阻碍着新能源电动车的发展，“十四五”的新基建中明确指出要加快充电桩的建设与全国充电网络的构建。交流充电桩因其体积小、无噪音、安装方便、成本低等特点受到了生活小区的青睐。
交流充电桩在使用的过程中会受到人为、自然灾害的影响，如台风、地震、异物冲击等，因此在交流充电桩研发时应对其抗台风、抗地震、IK 冲击等性能进行考察。结构力学仿真作为加快研发进度、降低研发成本的重要手段，在产品的开发体系中显得尤为重要，交流充电桩在研发的过程中需要对其进行反复的力学性能分析，以保证交流充电桩结构件在使用过程中的可靠与安全。
Abaqus 因其优异的非线性问题解决能力[1-3]，被广泛应用在汽车、航空航天、机械设备等领域，本文以某款交流充电桩为例，使用商用 Abaqus 仿真软件对交流充电桩的抗台风性能、抗地震性能及 IK 冲击性能进行仿真分析。
1 模型处理
1.1 三维模型简化
对三维模型进行检查，对于干涉的零部件进行调整，对于电路板等零部件进行简化，使用质量点进行代替，对于较小的几何特征进行简化，本文中案例对小于 1mm 的特征进行简化处理。
1.2 网格划分
对于较薄的等厚件进行抽取中面，然后划分成尺寸约为 5mm 的面网格，面网格使用四边形缩减积分的单元（S4R）和三角形单元（S3），划分时尽可能的减少三角形单元的使用，保证三角形的数量小于 1%，整体模型面网格尺寸控制在 2mm 到 8mm 之间，并保证单元的其它质量参数在合理范围内；对于螺栓孔位置应做两层宽度为 2-4mm 的 washer，保证每层 washer包含的单元数量大于或等于 6 个。对于复杂的注塑件划分成尺寸约为 5mm 的四面体网格（C3D4），整体网格尺寸控制在 1mm 到 8mm 之间，保证四面体网格质量的其它参数在合理的范围内。网格划分完成后，检查模型中是否存在重复、干涉或穿透的网格并对其进行修复。
创建好的网格模型见图 1 所示。
图 1. 交流充电桩网格模型.
1.3 创建连接
充电桩零部件之间的连接主要包括三种类型：一是螺栓或者螺钉连接，可以使用刚性单元、刚性单元与 beam 单元的组合形式进行模拟；二是焊缝连接，可以使用刚性单元、实体单元或者壳单元进行模拟；三是卡扣连接，可以使用刚性单元或者接触的方式进行模拟。本文中，螺栓或螺钉连接使用刚性单元与 beam 单元组合的形式进行模拟，焊缝连接使用壳单元进行模拟，卡扣连接使用刚性单元模拟。
1.4 材料、接触设置
交流充电桩中的结构件一般使用碳钢、不锈钢或者铝合金，如 SPCC、Q235B、SUS304、Al6063 等；桩体内、外壳通常使用热塑性材料，如聚碳酸酯（PC）、合金聚碳酸酯（PC-ASA）等。本文中，交流充电桩的立柱等钣金件使用的材料为 Q235B 冷轧碳钢，充电桩内、外壳使用的材料为 PC 热塑性材料。交流充电桩仿真中常用接触分为面面接触、通用接触、TIE 接触，本文中模型使用通用接触的方式。
2 分析工况
2.1 抗台风性能分析工况
根据 GB/T 4797：电工电子产品自然环境条件中规定，将台风等级对应的风速换算成风压，对产品进行不同等级、不同方向抗台风仿真，评估产品结构件是否会产生永久变形，甚至失效。在本文案例中，以正面 12 级台风为例，分析交流充电桩的抗台风性能。
2.2 抗地震性能分析工况
根据国、内外室外电器抗地震标准，如 NEBS 认证标准 GR-63-CORE:地震实验项目研究中，对产品进行不同等级抗地震性能仿真，评估产品振动模态的频率及振型、不同等级地震激励下的位移、变形及失效情况，对存在风险的零部件进行加强。本文以 Zone3(5-6 级)地震等级前后方向激励为例进行分析交流充电桩的可靠性。
2.3 IK 冲击性能分析工况
根据 GB/T 2423 电工电子产品基本环境试验规程中规定，对产品进行不同方向、不同等级的钢球冲击，评估产品结构件是否会产生永久变形，甚至失效，对存在风险的零部件进行加强。 本文以 IK8 正面冲击工况为例。
3 仿真结果及分析
3.1 抗台风性能结果分析
在交流充电桩正面施加 12 级台风风压，结果表明：交流充电桩最大位移约为 1.1mm，位于立柱最顶端，满足设计要求；最大应力约为 52.1MPa，位于立柱与地面之间的连接螺栓附近，远小于 Q235B 钢材的屈服强度，交流充电桩整体结构失效风险较小。
图 2. 12 级台风工况位移云图.
图 3. 12 级台风工况应力云图
3.2 抗地震性能结果分析
交流充电桩模态的频率与振型见表 1 所示，一阶模态的频率为 13.1Hz，前后摆动；二阶模态的频率为 19.3Hz，左右摆动；三阶模态的频率为 51.1Hz，绕竖直方向转动；其中,一阶模态的频率满足设计要求。施加 5-6 级地震前后方向激励时，一阶模态频率位置产生的最大位移响应约为 51.5mm，二阶模态频率位置产生的最大位移响应约为 1.6mm，符合设计要求。
表 1
图 4. 一阶模态激励位移云图
图 5. 二阶模态激励位移云图.
3.3 IK 冲击性能结果分析
交流充电桩正面 IK8 冲击结果表明，桩体最大等效应变约为 0.015，位于钢球冲击位置，冲击位置塑性变形风险较大，断裂风险较小，满足设计要求。
图 6. IK8 冲击应变云图.
4 结论
通过对某款交流充电桩抗台风性能、抗地震性能、IK 冲击性能的结构力学仿真分析，验证了此款交流充电桩具有较好的结构力学性能，满足生活中常见恶劣环境对其性能的要求。文中对交流充电桩结构力学仿真的建模过程、工况设置及结果评价做了概述，为从事充电桩及相关设备的结构设计人员与仿真试验人员提供参考依据。
资料来源：达索官方
