多自由度新能源汽車充電裝置的機構優(yōu)化

張國智

(新鄉(xiāng)學院 機電工程學院，新鄉(xiāng) 453003)

多自由度新能源汽車充電裝置的機構優(yōu)化

張國智

(新鄉(xiāng)學院 機電工程學院，新鄉(xiāng) 453003)

研究新能源汽車充電裝置的機構優(yōu)化方法，提出了基于參數(shù)隨機波動的有限元分析的優(yōu)化思路.根據(jù)動靜法建立了該裝置緩沖機構的理論計算模型，通過與有限元計算結果的對比驗證了理論模型的準確性.基于參數(shù)隨機波動的有限元分析結果選取了敏度較高的6個參數(shù)建立了充電裝置的優(yōu)化模型，應用混合罰函數(shù)法優(yōu)化后其總質量降低了16%.該研究為充電裝置的機構優(yōu)化設計提供了方法和理論依據(jù).

新能源汽車；充電裝置；優(yōu)化；敏度；混合罰函數(shù)法

電動汽車是未來適應全球節(jié)能和環(huán)保發(fā)展需要的主要交通工具，分為純電動汽車和混合動力電動汽車[1]，未來中國的發(fā)展方向主要是以純電動汽車為主，這就意味著高效、節(jié)能、可靠的充電裝置是急需的裝備，因而，對其的研究也已成為研究熱點之一.隨著研究的逐步深入，取得了一些研究成果，如對電動汽車電動機參數(shù)匹配[2]、變電站和煤礦下的充電裝置[3-4]、充電過程的諧波分析[5]等方面的研究.對于充電裝置而言，機械部分尤為重要，直接影響到充電效率、自動化程度、充電可靠性、節(jié)能環(huán)保等，因而，關于其機構及結構的優(yōu)化的研究十分重要.目前，關于此方面的研究尚不深入、系統(tǒng)，本文基于此，結合動靜法和基于參數(shù)隨機波動的有限元分析方法，對充電裝置的機構優(yōu)化進行了深入、系統(tǒng)的研究.

1 多自由度充電裝置優(yōu)化思路

該多自由度充電裝置的機構簡圖如圖1所示，該裝置具有節(jié)能、抗沖擊、便于調節(jié)精密度的高可靠性充電等優(yōu)點，受沖擊過程中可保證充電部件與電池充電板始終保持垂直，可進行系列新能源汽車的充電.為對該機構進行合理的優(yōu)化，針對該裝置的緩沖機構部分提出了基于概率有限元法的優(yōu)化思路，具體優(yōu)化思路如圖2所示.

圖1 充電裝置機構示意圖

圖2 優(yōu)化方法的基本思路

2 充電裝置機構的理論模型的建立

針對充電裝置的緩沖機構，建立其沖擊緩沖過程中擺動部件的最大應力的理論模型，受力分析簡

圖如圖3所示.

根據(jù)動靜法，有

(1)

式中：σdmax為沖擊緩沖過程中擺動部件的最大應力；F為沖擊載荷；Wz為擺動部件的抗彎截面模量；Kd為動載系數(shù)；L1和L如圖3所示.

動載系數(shù)為

(2)

式中：v為新能源汽車的沖擊速度；Δst為擺動部件所產生的靜載變形.

(3)

式中：K為緩沖彈簧的剛度系數(shù)；FY為緩沖彈簧的預壓力.

擺動部件所產生的動載變形Δdx為

Δdx=KdΔst.

(4)

圖3 緩沖機構的受力簡圖

3 充電裝置的機構的概率有限元分析

當各個參數(shù)如表1的名義值時，緩沖機構的有限元模型如圖4所示，緩沖機構截面參數(shù)如圖5所示，緩沖機構的滑塊部分是建立的耦合約束，底端限制移動自由度，頂端限制垂直移動自由度，在頂端施加沖擊載荷，緩沖彈簧選擇彈簧單元.緩沖機構的動態(tài)變形的有限元計算結果為32.77 mm，根據(jù)式(2)-(4)計算得緩沖機構的動態(tài)變形為32.35 mm，兩者間的相對誤差為1.3%，由此驗證了理論模型和有限元模型的準確性.

表1 充電機構的設計參數(shù)

圖4 有限元模型

圖5 緩沖機構截面形狀

當充電機構的設計參數(shù)如表1所示且各個參數(shù)服從正態(tài)分布隨機波動時，在ANSYS中應用中心復合的響應面方法進行自動抽樣的有限元分析，迭代次數(shù)為79次，敏度計算結果如圖6所示，隨機抽樣計算結果如圖7所示.從圖6中可知，緩沖機構的緩沖距離與緩沖機構的設計參數(shù)的敏感度順序依次為緩沖機構的高度、緩沖彈簧的高度、緩沖彈簧的剛度系數(shù)、緩沖彈簧的預壓力，而對其橫截面參數(shù)不敏感.從圖7中可見，當7個參數(shù)隨機波動時，擺動部件所產生的動載變形△dx在18.28 mm范圍內波動.

圖6 敏度計算結果

圖7 隨機抽機樣計算結果

4 充電裝置的機構優(yōu)化

基于參數(shù)隨機波動的有限元分析的統(tǒng)計結果，選取機構中敏度高的設計參數(shù)作為主要優(yōu)化設計參數(shù)，建立優(yōu)化設計的數(shù)學模型為

(5)

應用混合罰函數(shù)法，在Matlab中編寫了優(yōu)化程序，經過21次迭代，優(yōu)化結果如表2所示.從表2中可見，優(yōu)化結果對機構高度最為敏感，最后的優(yōu)化值中首先機構高度達到最小，這與前面基于有限元分析的敏度分析結果相符.

表2 充電機構的優(yōu)化結果

5 結 論

1)根據(jù)動靜法建立了充電裝置緩沖機構的沖擊過程的力學模型，為充電機構的快速優(yōu)化提供了理論分析模型.

2) 根據(jù)對充電裝置機構主要參數(shù)隨機波動的有限元分析的統(tǒng)計結果，可知，設計該充電裝置時應該重點考慮緩沖機構的緩沖距離與緩沖機構的高度.

3) 通過6個參數(shù)的優(yōu)化，不僅使優(yōu)化后充電裝置的總質量大大減輕，并且在保證有效緩沖的前提下大大降低了占用空間.

通過本文的研究為充電裝置優(yōu)化設計提供了分析方法和理論依據(jù).

[1] 田美娥. 我國發(fā)展電動汽車的必要性與趨勢[J]. 西安石油大學學報(自然科學版), 2010,25(5):89-92.

[2] 田德文, 馬亞青, 鄒 艷. 電動汽車用驅動電機參數(shù)匹配方法研究[J].車輛與動力技術, 2013(3):11-15.

[3] 楊 墨, 隋天日, 曹 濤,等. 變電站巡檢機器人自動充電系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化, 2013,35(2):47-50.

[4] 芮秀鳳, 朱一凡, 關 寧, 等. 煤礦井下蓄電池電機車充電裝置的研究[J].煤礦機械, 2011,32(11):147-149.

[5] 朱小燕, 王群京, 陳 權. 電動汽車充電站的諧波分析與抑制[J]. 現(xiàn)代電子技術, 2012,35(18):179-181.

6-DOF Mechanism Optimization of Charging Device forNew Energy Vehicle

ZHANG Guo-zhi

(Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang University， Xinxiang 453003， China)

The optimization method of its charging device mechanism for a new energy vehicle was studied, and the optimization idea was presented based on the probability finite element method. By means of the static and dynamic method, a theoretical calculation model of the buffer mechanism was established, and the accuracy of the model was verified by comparing with the results of the finite element calculation. According to the results of the probability finite element analysis, six parameters with higher sensitivity were selected to establish an optimization model. The weight of the charging device was reduced by 16% after the optimization with the mixed penalty function. This research provided the theoretical basis for the optimization design of the charging device mechanism.

new energy vehicle; charging device; optimization; sensitivity; mixed penalty function

1009-4687(2016)04-0005-04

2016-3-11

河南省教育廳高等學校重點科研項目(16A460022)

張國智(1978-)，男，博士，副教授，研究方向為工程中的智能仿真與優(yōu)化.

TH12

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