概述
近些年来，随着全球不可再生资源的日渐消耗，世界各国都在努力寻找一种新能源来替代石油以应对快速发展的汽车产业[1]。最终世界各国达成了共识，集中力量发展电能来替代石油，电动汽车遇到了历史的绝佳发展机遇[2]。同时，与电动汽车配套的充电桩也迎来了历史的发展机遇[3]。在充电桩的日常工作中，难免会遇到外界不确定性的影响，比如飞石冲击、台风、淋雨、太阳暴晒、地震等情形。为了提高充电桩的安全性，在研发过程中需要对充电桩在各种潜在风险下的状态进行仿真，从而提前识别风险，对结构进行优化，降低后期使用过程中的安全风险。
本文以某充电桩的终端为例，采用响应谱分析的方法对其进行地震仿真，工作内容包括几何清理、网格划分、创建边界条件和载荷、后处理[4]。先使用 Abaqus 对终端进行模态分析，提取终端的各阶共振频率，再根据 GR63 的标准，对终端进行响应谱分析，查看结构的应力状态，如果存在结构风险，需要对结构进行优化，再进行响应谱分析，直至结构满足安全要求。
1.响应谱分析介绍
响应谱分析（RSA）是一种用于评估结构在瞬态历程中最大响应的分析技术，可以得到结构响应的最大位移、最大应力等信息[5-6]。响应谱分析是基于模态分析的，模态分析提取的有效阶数必须足以反映系统的动力学特征[7-8]。响应谱分析可以替代时间历程分析（瞬态动力学分析）来确定结构承受随机载荷的最大响应，比如地震载荷、风载、波浪载荷、喷气发动机推力载荷等。
抗震性能作为充电桩及终端的一个重要性能，在充电桩的安全评估方面至关重要，所以在充电桩的研发过程中需要对其进行地震仿真。GR63 是美国比较权威的抗震方面的行业标准，本文对该充电桩终端进行 GR63 Zone4 地震仿真。
表 1 为地震区域与里氏震级对应表，表 2 为地震区域与响应谱对应表。
表 1 地震区域与里氏震级对应表
表 2 地震区域与响应谱对应表
2.有限元模型建立
2.1 网格划分
本文的充电桩终端均为钣金件，均采用中面网格，为了减少计算时间，保证一定的计算精度，采用 5mm 的尺寸进行网格划分，关键位置网格加密，得到的仿真模型总节点数约为 12.71万个，总单元数约为 13.82 万个，充电桩终端的有限元模型如图 1 所示。
图 1 充电桩终端的有限元模型
2.2 材料与属性
充电桩终端的材料均采用冷轧钢板，采用壳单元的截面属性，由于地震仿真属于线性仿真，所以不需要设置材料的塑性应力应变数据，只需设置密度、弹性模量、泊松比等数据，材料信息如表3 所示。
表 3 材料明细表
2.3 建立有限元模型
充电桩终端由底座、壳体、器件、模块、支撑板、门板等部件组成，各部件间采用缝焊、点焊和螺栓锁定的方式连接，某些没有建模的部件以质量点的形式配重，终端的总质量约 65kg。
2.4 边界条件
将充电桩终端底部的四个螺栓孔固定，如图 1 红色圆圈所示。
3.模态分析及后处理
完成上述有限元模型的创建，再在 Abaqus 中创建一个模态分析步，提交模态计算，由于后续的响应谱分析的频率上限是 50Hz，所以此处只列出 50Hz 以内的模态频率值，如表 4 所示：
表 4 模态频率值列表
4.响应谱分析及后处理
本文以最恶劣的 Y 向施加载荷的工况为例，对全局施加表 2 所示 GR63 Zone4 的响应谱载荷，得到终端的位移和应力云图如图 2 和图 3 所示：
图 2 终端位移云图
图 3 终端应力云图
由 Y 向的地震仿真可知，终端的最大位移约为 2.37mm，位于终端的顶部区域，最大应力约为379MPa，位于底座安装孔区域，大于其材料(SPCC)的屈服强度270MPa，但小于抗拉强度500MPa，底座有较大的屈服风险，断裂风险较小。
由于终端是充电桩的充电载体，如果底座发生了屈服，长时间之后会有充电安全隐患，所以需要对终端进行结构优化，本文提出了两种优化方案，如图 4 所示：
方案一：在底座的四个螺栓安装孔处分别增加一个厚度 2mm 的加强块。
方案二：将底座厚度由 2.5mm 增加到 3.0mm。
图 4 优化方案示意图
通过对两种优化方案的终端进行模态仿真和 Y 向的地震仿真，结果如表 5 和图 5~8 所示：
表 5 优化方案模态频率值列表
图 5 方案一终端位移云图
图 6 方案一终端应力云图
图 7 方案二终端位移云图
图 8 方案二终端应力云图
由两种优化方案的终端 Y 向地震仿真可知：
方案一：终端最大位移约为 3.90mm，位于终端的插枪孔上部区域；最大应力约为 329.6MPa，位于底座安装孔区域，仍大于其材料(SPCC)的屈服强度 270MPa，说明在底座安装孔增加四个加强块，对终端的结构强化效果不明显。
方案二：终端最大位移约为 3.24mm，位于终端的门板右下边角区域；最大应力约为 253.9MPa，位于底座安装孔区域，小于其材料(SPCC)的屈服强度 270MPa，底座的屈服风险较小，说明增大底座的厚度可以大大增强结构的安全性能。
5.结论
抗震性能是充电桩及终端的一个重要性能，通过使用 Abaqus 创建了某充电桩终端的有限元模型，并对其进行 GR63 Zone4 的地震仿真，识别终端的风险区域，提出了两种优化方案，仿真结果表明在底座四个螺栓安装孔处增加一个厚度 2mm 的加强块，不能对结构有明显的强化作用，而将底座的厚度由 2.5mm 增大到 3.0mm 可以大大降低终端的结构风险。
资料来源：达索官方
