立體停車庫電連接器的動力學(xué)仿真及優(yōu)化

張衛(wèi)國，楊鳳坤，徐石明

ZHANG Wei-guo, YANG Feng-kun, XU Shi-ming

（國電南瑞科技股份有限公司，南京 211100）

0 引言

近幾年來，隨著節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念在世界各國逐漸得到重視，電動汽車作為新能源汽車，具有污染少，低排放等優(yōu)勢，得到了前所未有的快速發(fā)展[1,2]。為了既能滿足日益增長的電動汽車充電設(shè)施建設(shè)需求，又減少城市占用面積，因此將立體停車庫和充電系統(tǒng)融為一體。由于充電連接器在立體車庫中的必不可少，因此對連接器的安全性和穩(wěn)定性要求就顯得尤為重要。

隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其逐漸成為機(jī)械行業(yè)及其它領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的創(chuàng)新技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使人們在機(jī)械設(shè)計階段確定設(shè)計方案時能及時發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的不足現(xiàn)象，能夠縮短產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)成本。多體動力學(xué)是虛擬樣機(jī)技術(shù)的核心理論，隨著多體系統(tǒng)動力學(xué)新的建模與仿真方法學(xué)的不斷提出和發(fā)展，使系統(tǒng)仿真與人工智能技術(shù)、優(yōu)化理論以及三維建模分析處理技術(shù)等融為一體，并逐步進(jìn)入虛擬樣機(jī)仿真[3,4]。

通常，ANSYS Workbench不適合進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析，而ADAMS不適合進(jìn)行有限元分析，將二者相結(jié)合可以有效地避免二者存在的問題，將兩者優(yōu)勢相結(jié)合，能夠更準(zhǔn)確地模擬仿真，并進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化[5～7]。ANSYS在國內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，利用ANSYS進(jìn)行有限元分析以及拓?fù)鋬?yōu)化受到許多國內(nèi)外專家學(xué)者的青睞[8～10]，因此將兩者有效結(jié)合起來，對連接器聯(lián)合采用ADAMS和ANSYS進(jìn)行了動力學(xué)仿真分析及其關(guān)鍵部件的拓?fù)浞治黾皟?yōu)化。

1 連接器動力學(xué)仿真分析

1.1 立體停車庫連接器簡介

在立體停車庫連接器的使用中，電動乘用車在置于停車庫之后，連接器中的上下電極之間互相連接，對電動乘用車進(jìn)行充電。連接器的整體圖如圖1(a)所示。此連接器未工作時，保持如圖所示狀態(tài)，下電極直接裸露在空氣中，會造成電極上落有大量灰塵或其他雜物。由于灰塵或雜物的存在會導(dǎo)致上下電極出現(xiàn)接觸不良、接觸電壓不穩(wěn)定以及接觸瞬間產(chǎn)生電弧等情況，所以電極在未使用的情況下需要保持電極的干燥潔凈。因此下電極在不使用時，會被封閉在左右滑板和前后擋板之間，形成一個封閉箱，保護(hù)電極的干凈整潔。

電動乘用車的充電過程為電動乘用車在指定位置停車完畢后，安裝有上電極的上機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動，同時帶動左右撥叉分別向兩邊轉(zhuǎn)動，推動左右滑板向兩邊滑動，打開左右兩邊的下電極封閉箱，左右滑板上都設(shè)置有兩把清潔刷，封閉箱被打開的同時清潔刷掃過左右下電極，進(jìn)一步清潔電極接觸表面，保證上下電極的安全穩(wěn)定接觸，對電動乘用車進(jìn)行充電。

圖1 連接器的三維模型

1.2 連接器的動力學(xué)仿真分析

虛擬樣機(jī)技術(shù)的核心理論就是多體系統(tǒng)動力學(xué)，多體系統(tǒng)動力學(xué)是由多剛體系統(tǒng)動力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動力學(xué)組成的。多體系統(tǒng)就是指由多個物體通過運(yùn)動副連接的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。多剛體系統(tǒng)動力學(xué)多體系統(tǒng)中的構(gòu)件定義為物體。多體系統(tǒng)力學(xué)模型中物體的定義并不一定與具體工程對象的零部件一一對應(yīng)，其定義與研究的目的有關(guān)。在運(yùn)動學(xué)分析中，通常對其運(yùn)動狀態(tài)特別關(guān)心的零部件定義為物體。

多剛體系統(tǒng)動力學(xué)的對象是由任意有限個剛體組成的系統(tǒng)，剛體之間以某種形式的約束連接。多柔體系統(tǒng)動力學(xué)的研究對象是由大量剛體和柔體組成的系統(tǒng)。多剛體系統(tǒng)動力學(xué)一般解決多個剛體組成的系統(tǒng)動力學(xué)問題，應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)分析與仿真，各個構(gòu)件之間可以有較大的相對運(yùn)動。多柔體系統(tǒng)動力學(xué)可以看成是多剛體系統(tǒng)動力學(xué)的自然延伸，一般多剛體系統(tǒng)動力學(xué)的研究較多。

因此，主要對連接器進(jìn)行多剛體系統(tǒng)動力學(xué)分析，建立其多體系統(tǒng)力學(xué)模型，進(jìn)行仿真，得到其運(yùn)動過程中的載荷變化情況。

ADAMS程序采用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運(yùn)動方程(矩陣形式)：

在進(jìn)行動力學(xué)分析時，ADAMS采用下列兩種算法：1）提供三種功能強(qiáng)大的變階、變步長積分求解程序：GSTIFF積分器，DSTIFF積分器和BDF積分器來求解稀疏耦合的非線性微分代數(shù)方程，這種方法適于模擬剛性系統(tǒng)(特征值變化范圍大的系統(tǒng))；2）提供ABAM積分求解程序，采用坐標(biāo)分離算法，來求解獨(dú)立坐標(biāo)的微分方程。這種方法適用于模擬特征值經(jīng)歷突變的系統(tǒng)或者高頻系統(tǒng)。多體系統(tǒng)動力學(xué)問題的求解主要集中于微分—代數(shù)方程組的求解。

利用ADAMS進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，首先將連接器的三維模型轉(zhuǎn)換為x_t格式，導(dǎo)入到ADAMS中；設(shè)置仿真分析的相關(guān)控制參數(shù)，施加約束，然后進(jìn)行動力學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)連接器的運(yùn)動仿真，如圖2所示。最后輸出速度及力的性能曲線，得到機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件的邊界條件。

（4）噴灑瀝青黏層。瀝青黏層采用陽離子乳化瀝青。施工時乳化瀝青噴灑溫度不得高于70℃，噴灑量一般控制在2～3ml/m2，噴灑范圍要比土工布鋪設(shè)范圍左右各多出5～8cm。

圖2 運(yùn)動仿真分析示意圖

圖3 關(guān)鍵部件運(yùn)動載荷變化歷程

由圖3(a)可知，撥叉在運(yùn)動過程中，角速度的最大值為608rad/s，在上下電極接觸瞬間，由于它們之間的碰撞，產(chǎn)生很大的阻力，撥叉的角速度突然急劇減小。

由圖3(b)可以看出，在整個運(yùn)動過程中撥叉與滑板軸之間始終接觸，從曲線中可以得到它們之間最大的接觸力為112N，此時對撥叉的沖擊最大。

2 關(guān)鍵部件的強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析

ADAMS動力學(xué)仿真分析得到運(yùn)動過程中各零件的運(yùn)動狀態(tài)以及受力的變化情況，利用在ADAMS中得到的載荷對模型設(shè)置其邊界條件，對關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度分析以及屈曲分析，對構(gòu)件變形情況進(jìn)行評估與分析。連接器使用過程中，撥叉在其工作中的穩(wěn)定性直接影響連接器的工作性能，所以對撥叉進(jìn)行了強(qiáng)度及其穩(wěn)定性分析。

2.1 撥叉的靜力學(xué)分析

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析是對結(jié)構(gòu)在靜態(tài)載荷的作用下其應(yīng)力分布和變形情況。首先，將撥叉三維模型轉(zhuǎn)換為x_t格式導(dǎo)入到Workbench中，其次設(shè)置撥叉材料參數(shù)，劃分網(wǎng)格，施加載荷和約束，然后對其進(jìn)行求解計算；最后提取分析結(jié)果，查看撥叉的整體變形情況。

圖4 撥叉的整體變形圖

由圖4撥叉的變形云圖可以看出，撥叉在中間彎曲處變形較大，其中最大變形為0.36388mm，由此結(jié)果可以對撥叉進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在不影響撥叉強(qiáng)度的情況下，進(jìn)一步減少撥叉整體質(zhì)量，優(yōu)化撥叉的設(shè)計。

2.2 撥叉的屈曲模態(tài)及振型

屈曲分析是用來分析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的技術(shù)。在充電過程中，撥叉始終要在連接器上下機(jī)構(gòu)之間起支撐作用，保證電極充分接觸進(jìn)行充電，所以需要對撥叉進(jìn)行屈曲分析，分析其變形情況以及撥叉在工作過程中的穩(wěn)定性。

對于線性屈曲分析，求解的一般方程為：

在進(jìn)行撥叉的屈曲分析時，在靜力分析的基礎(chǔ)上，對其施加載荷和約束，建立屈曲分析項(xiàng)，設(shè)置初始條件，進(jìn)行屈曲分析。經(jīng)過計算求解其前6階模態(tài)陣型，查看撥叉屈曲分析的變形結(jié)果。由于篇幅有限，所以此處只給出一階屈曲振型圖。

圖5 撥叉屈曲分析結(jié)果

從圖5(a)面板中可以看出第一階屈曲載荷因子為519.42，由于施加的載荷為102N，通過計算得到撥叉的屈曲壓力為519.42×102=52.98kN，整體變形情況如圖5(b)總體變形云圖所示。

第一階臨界載荷為52.98kN，由于第一階為屈曲載荷的最低值，因此這意味著在理論上，當(dāng)壓力達(dá)到52.89kN時撥叉將失穩(wěn)。實(shí)際使用中，由于存在各種其他因素影響，所以撥叉的實(shí)際失穩(wěn)極限載荷取值要小于理論值。

3 關(guān)鍵部件的拓?fù)浞治黾皟?yōu)化

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法取得了很大的發(fā)展，根據(jù)設(shè)計變量類型的不同，已經(jīng)由較低層次的尺寸優(yōu)化，發(fā)展到較高層次的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了更高的層次——拓?fù)鋬?yōu)化。

拓?fù)鋬?yōu)化的主要思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求材料的最優(yōu)分布問題。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化目前的主要研究對象是連續(xù)體結(jié)構(gòu)。優(yōu)化的基本方法是將設(shè)計區(qū)域劃分為有限單元，依據(jù)一定的算法刪除部分區(qū)域，形成帶孔的連續(xù)體，實(shí)現(xiàn)連續(xù)體的拓?fù)鋬?yōu)化。

因此，對連接器的關(guān)鍵部件——撥叉進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，計算并分析其拓?fù)鋬?yōu)化之后的模型。

3.1 撥叉的拓?fù)浞治?/h3>

首先將模型導(dǎo)入到Workbench，施加載荷和約束與靜力分析相同，設(shè)置target reduction為20%，求解計算結(jié)果如圖6(a)、圖6(b)所示。

圖6 拓?fù)浞治鼋Y(jié)果及其優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)對撥叉的輕度分析，穩(wěn)定性分析以及拓?fù)浞治龅慕Y(jié)果可以看出，撥叉在中間彎曲處受力變形最大，因此對撥叉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，中間變形最大處將撥叉稍微加厚，對兩邊區(qū)域進(jìn)行材料去除簡化，進(jìn)行簡化之后的模型圖如圖7所示。

圖7 撥叉優(yōu)化后的幾何模型

3.2 撥叉優(yōu)化后模型的強(qiáng)度分析

通過拓?fù)浞治鰧懿娼Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化之后，需要驗(yàn)證其優(yōu)化是否仍然滿足強(qiáng)度條件，因此對撥叉優(yōu)化后的模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，計算其優(yōu)化之后的應(yīng)力及變形情況，查看其是否因優(yōu)化而造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，變形過大等情況。

首先將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入至Workbench中，施加與之前靜力分析同樣的載荷與約束，進(jìn)行靜力計算，查看撥叉優(yōu)化結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果。

圖8 優(yōu)化之后的撥叉變形云圖

由圖8變形結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的撥叉變形最大為0.25945mm，較未優(yōu)化之前的最大變形減少了0.1mm，更改設(shè)計之后的模型質(zhì)量也減少了，所以減重優(yōu)化后的模型強(qiáng)度依然滿足要求。通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計改善結(jié)構(gòu)，節(jié)約了材料，降低了成本。

4 結(jié)束語

1）對連接器運(yùn)動過程進(jìn)行了動力學(xué)仿真分析，得到了關(guān)鍵部件的動態(tài)載荷歷程及其曲線。

2）對關(guān)鍵部件即撥叉進(jìn)行了靜力分析及拓?fù)浞治?，將仿真得到的載荷施加到撥叉上，分析其整體變形，得到撥叉的強(qiáng)度分布情況。

3）對撥叉進(jìn)行了拓?fù)浞治黾皟?yōu)化，并對其優(yōu)化后的模型進(jìn)行了強(qiáng)度分析，通過優(yōu)化前后的變形結(jié)果對比，減少了質(zhì)量及其變形大小。

對連接器進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，并且對關(guān)鍵部件進(jìn)行了強(qiáng)度分析及優(yōu)化，減少了材料成本，提高了設(shè)計效率。這種分析方法不僅可以更準(zhǔn)確地仿真構(gòu)件的實(shí)際工況，還可以對該構(gòu)架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析計算，并改善關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)，這種方法具有很好的實(shí)用性。

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