汽車碰撞中低壓線束的失效評(píng)價(jià)方法研究

沈海東 董瑞強(qiáng) 代超

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208）

主題詞：低壓線束 碰撞保護(hù) 評(píng)價(jià)指標(biāo) 變形壓縮比

1 前言

電路系統(tǒng)的碰撞損傷不僅影響汽車安全相關(guān)零件的正常工作，也容易引起電路系統(tǒng)短路或斷路造成的電路零件損壞，甚至發(fā)生事故[1-3]。為防止這類事故發(fā)生，應(yīng)在整車研發(fā)過程中充分考慮電路系統(tǒng)的碰撞保護(hù)。

目前業(yè)界對(duì)汽車電路系統(tǒng)的碰撞保護(hù)研究多集中在油電混合動(dòng)力或純電動(dòng)車輛的高壓電路系統(tǒng)上，并且將其分為高壓元器件和高壓線束進(jìn)行研究，高壓元器件的碰撞損傷評(píng)價(jià)主要以元器件外殼是否超過其所用材料斷裂應(yīng)變來判斷，而高壓線束的失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)大多以其是否會(huì)受到明顯擠壓進(jìn)行主觀判定，并無較為明確的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)。接桂利、朱西產(chǎn)團(tuán)隊(duì)用CAE 分析的方法對(duì)高壓元器件和高壓線束進(jìn)行碰撞評(píng)價(jià)，其中高壓線束采用四面體實(shí)體單元建模，以是否被擠壓進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)判斷[4]；曾澤江對(duì)高壓線束采用六面體+四面體實(shí)體單元的方式進(jìn)行了精細(xì)化建模，同樣采用是否有擠壓或剪切風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)判斷[5]。這些研究對(duì)車輛上大量使用的低壓線束并未過多涉及，并且僅是按照碰撞過程中是否有擠壓或剪切風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性判定，而這些低壓線束不僅在功能上與高壓模塊及高壓線束強(qiáng)相關(guān)，而且其失效往往同樣會(huì)引起較大的安全事故，需要引起足夠的重視。

低壓線束在整車碰撞工況中的失效情況包括切割和擠壓2 類。切割失效主要是零件銳邊與線束的點(diǎn)面接觸或線面接觸導(dǎo)致線束被割破，甚至割斷；擠壓失效主要是零件沿碰撞方向?qū)€束進(jìn)行擠壓，導(dǎo)致線束絕緣皮破損，金屬導(dǎo)線部分露出[6]。切割風(fēng)險(xiǎn)主要通過前期布置設(shè)計(jì)規(guī)避，本文重點(diǎn)研究線束在碰撞擠壓時(shí)可承受的擠壓失效極限，以期獲得相應(yīng)的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 低壓線束擠壓試驗(yàn)研究

從需要保護(hù)的各電路系統(tǒng)中選取最具代表性的幾類線束進(jìn)行擠壓失效試驗(yàn)研究，線束橫截面積分別為16 mm2、25 mm2、35 mm2，如圖1 所示，其余線束評(píng)價(jià)指標(biāo)可參考這3 類線束研究結(jié)果。

圖1 整車典型低壓線束

根據(jù)接觸類型，將擠壓形式簡(jiǎn)化為3種類型，即選擇M10螺栓、5 mm鋼片、20 mm鋼片3種類型的擠壓頭，分別代表小面積圓面接觸、窄面接觸和寬面接觸，如圖2所示。3 種擠壓頭與3 種線型組合，并同時(shí)考慮不同的擠壓速度（見表1），組合成如表2 所示的試驗(yàn)矩陣。為減少試驗(yàn)量，根據(jù)各參數(shù)的相互影響關(guān)系，選取表2 中部分組合項(xiàng)進(jìn)行擠壓試驗(yàn)，共計(jì)18組試驗(yàn)，其他組合的情況可認(rèn)為基本能被覆蓋[7]。

試驗(yàn)基本過程為，將導(dǎo)線接通數(shù)字萬(wàn)用表電阻通斷擋，在靜態(tài)壓力機(jī)上用選定的擠壓頭擠壓線束，萬(wàn)用表一端接壓力機(jī)設(shè)備，一端接線束內(nèi)芯金屬，萬(wàn)用表發(fā)出蜂鳴聲時(shí)壓力機(jī)停止加載，終止試驗(yàn)，此時(shí)可認(rèn)為擠壓頭已接觸到線束內(nèi)部金屬導(dǎo)線，線束可判斷為被擠壓失效。為減小誤差，每組試驗(yàn)進(jìn)行5次，取結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。圖3所示為20 mm鋼片擠壓試驗(yàn)過程示意。

圖2 試驗(yàn)用擠壓頭

表1 試驗(yàn)因子定義

表2 試驗(yàn)組合矩陣

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 擠壓速度對(duì)線束擠壓變形的影響

25 mm2低壓線束擠壓試驗(yàn)過程中，主要采集線束變形與線束所受擠壓力數(shù)據(jù)，如圖4所示，由圖4可知，每種線型在同種擠壓頭、不同擠壓速度下力-位移曲線基本一致，這說明擠壓速度對(duì)線束的變形量和擠壓力影響很小，即在實(shí)車碰撞中，同一根線束的變形評(píng)價(jià)指標(biāo)不因車輛碰撞速度的不同而有所變化。

3.2 擠壓頭形式對(duì)線束擠壓變形的影響

不同擠壓頭的擠壓力-位移曲線如圖5所示。分析圖5可知，在相同變形量條件下，各種線束均對(duì)5 mm鋼片的作用反力最小，M10 螺栓次之，20 mm 鋼片作用反力最大。這說明，隨著擠壓接觸面積的增加，線束耐受力也增大，在實(shí)際碰撞工況中，同一種線束所受周邊零件的擠壓面積越大，線束被壓縮時(shí)的變形量也越小。故在前期布置中，應(yīng)盡可能將線束布置在與周邊零件接觸面積大的平面區(qū)域，即線束的友好界面。

圖3 20 mm鋼片線束擠壓試驗(yàn)示意

圖4 不同擠壓速度下25 mm2低壓線束的力-位移曲線

圖5 不同擠壓頭的擠壓力-位移曲線

另外，比較圖5a～圖5c 可知，25 mm2的線束擠壓反力最高，35 mm2的線束擠壓反力最小，這說明線束的線徑與線束耐擠壓力并無直接關(guān)系。

3.3 線束擠壓變形的評(píng)價(jià)

統(tǒng)計(jì)18 組試驗(yàn)的線束擠壓變形量，發(fā)現(xiàn)不同截面積的線束變形量差別很大，難以找到較為統(tǒng)一的評(píng)價(jià)規(guī)律，對(duì)數(shù)據(jù)充分研究后，定義變形壓縮比為Δ=T/D（其中T為線束擠壓方向上的壓縮量，D為線束擠壓方向上的剩余高度），統(tǒng)計(jì)線束的變形壓縮比如表3 所示，僅有1組數(shù)據(jù)的變形壓縮比為65%，其他組的變形壓縮比均集中在70%～80%范圍內(nèi)。因此，可以將線束的變形壓縮比作為評(píng)價(jià)線束擠壓失效的判斷依據(jù)。

分析表3中數(shù)據(jù)，并綜合考慮一定的試驗(yàn)誤差及實(shí)際碰撞中線束安全保護(hù)的工程可行性，將線束失效評(píng)價(jià)的目標(biāo)值定義為線束被擠壓變形的壓縮比≤70%，并可作為車身大多數(shù)整車低壓線束的碰撞安全設(shè)計(jì)值。

4 CAE仿真對(duì)標(biāo)分析

4.1 CAE建模方法的選擇

在整車的正向開發(fā)中，為了在項(xiàng)目開發(fā)前期較為準(zhǔn)確地判斷線束的失效風(fēng)險(xiǎn)，除上述失效極限值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)外，還需要合適的線束CAE 模擬方法。為此，本文結(jié)合上述線束試驗(yàn)進(jìn)行了多種CAE 建模方法的研究。

表3 線束變形壓縮比計(jì)算結(jié)果

低壓線束結(jié)構(gòu)見圖1b，可考慮采用3 種方法進(jìn)行CAE 建模簡(jiǎn)化，如圖6 所示：方法1，采用單層六面體單元，線束內(nèi)芯增加Beam 單元；方法2，采用單層六面體單元，并附增強(qiáng)型橡膠材料屬性；方法3，采用雙層六面體單元，內(nèi)層六面體單元附適當(dāng)強(qiáng)度材料，模擬內(nèi)芯金屬導(dǎo)線，外層六面體單元采用橡膠材料模擬絕緣層，最外層增加殼單元模擬線束護(hù)套或定義CAE中與周邊零件接觸。

圖6 不同線束建模方法

隨機(jī)選擇表1 中的組合10、組合14、組合18，即25 mm2線束的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)上述建模方法分別進(jìn)行研究，并將研究結(jié)果與所有18 組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以最終選擇具有一定普適性的線束CAE 建模方法。

相關(guān)CAE分析結(jié)果如圖7所示，對(duì)25 mm2線束分別進(jìn)行了M10螺栓、5 mm鋼片、20 mm鋼片擠壓頭下的不同建模方法CAE 分析對(duì)比，結(jié)果表明，采用方法1 時(shí)線束的剛度明顯較高，而采用方法2 時(shí)線束剛度偏低，采用方法3時(shí)CAE分析結(jié)果與對(duì)應(yīng)試驗(yàn)曲線最為接近，故將方法3的建模方式應(yīng)用到試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比研究中。

圖7 25 mm2線束不同建模方法不同擠壓頭CAE仿真結(jié)果

4.2 CAE不同單元尺寸的影響

圖8 所示為25 mm2的線束在不同擠壓頭在單元尺寸2 mm、3 mm、4 mm 下的結(jié)果對(duì)比。CAE 仿真結(jié)果顯示，各種壓頭試驗(yàn)中，4 mm 網(wǎng)格尺寸的結(jié)果都與試驗(yàn)結(jié)果偏離較遠(yuǎn)，2 mm 單元的CAE 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果擬合度最好，3 mm 單元的CAE 仿真結(jié)果也與試驗(yàn)值接近。考慮實(shí)際整車碰撞模型的單元數(shù)量規(guī)模及計(jì)算效率，選擇3 mm 網(wǎng)格尺寸進(jìn)行整車線束CAE建模。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)CAE對(duì)比結(jié)果

根據(jù)上述分析，采用雙層六面體3 mm 尺寸的單元進(jìn)行CAE 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，圖9 中列出了部分對(duì)比結(jié)果。其中，每組試驗(yàn)結(jié)果均選取了5次試驗(yàn)中同位移條件下擠壓力最大、最小值曲線，及5 次試驗(yàn)值的平均曲線，除組合1、組合16和組合22數(shù)據(jù)偏差較大外，其余仿真曲線與試驗(yàn)結(jié)果平均值曲線均較為接近。組合1 的CAE 仿真結(jié)果偏高，說明同位移條件下，組合1的線束所能承受擠壓力比試驗(yàn)值高，即此模擬中的線束剛度偏高，如用前述試驗(yàn)得到的≤70%的目標(biāo)值進(jìn)行前期設(shè)計(jì)，可能出現(xiàn)CAE分析還未達(dá)到目標(biāo)值，但后期試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)已超出目標(biāo)值的情況，這要求在前期設(shè)計(jì)時(shí)，不只用目標(biāo)值評(píng)價(jià)模擬結(jié)果，還需結(jié)合相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)，仔細(xì)分析仿真結(jié)果中線束受擠壓情況，給出綜合判斷；對(duì)于組合16，CAE 仿真結(jié)果偏低，可認(rèn)為前期設(shè)計(jì)進(jìn)行CAE 分析時(shí)如不會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)情況，則后期試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，一般也不會(huì)出現(xiàn)超出目標(biāo)值的情況；組合22 中的CAE 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比，線束剛度前高后低，總體可認(rèn)為其剛度與試驗(yàn)偏差不大，又因前期CAE 設(shè)計(jì)分析中主要關(guān)心線束何時(shí)被擠壓失效，而組合22 CAE仿真結(jié)果后段剛度偏低，故用≤70%的目標(biāo)值進(jìn)行CAE 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)時(shí)，結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)可控，當(dāng)然，為防止有極個(gè)別遺漏，仍需結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)仔細(xì)分析CAE 結(jié)果。綜合分析所有對(duì)標(biāo)結(jié)果[8]，基本可判斷此CAE模擬方法及試驗(yàn)獲得的線束評(píng)價(jià)目標(biāo)值都可用于線束碰撞保護(hù)設(shè)計(jì)。

圖8 25 mm2線束不同擠壓頭、不同單元尺寸CAE仿真結(jié)果

圖9 部分組合CAE仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從整車碰撞中電路安全性能集成開發(fā)的角度出發(fā)，對(duì)12 V 低壓線束在碰撞中的失效評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

a.同一線束的破損變形量和周邊零件的擠壓力不會(huì)因?yàn)榕鲎菜俣鹊牟煌兴煌?/p>

b.線束在不同擠壓頭的作用下所受擠壓力不同，相同擠壓位移條件下，擠壓接觸面積越大，線束所能承受擠壓力也越大，這也表明，線束在布置時(shí)如能與周邊零件為平面對(duì)平面的友好接觸，將會(huì)大幅降低線束被擠壓損傷的風(fēng)險(xiǎn)；

c.線束被擠壓破損時(shí)的變形壓縮比可作為線束碰撞保護(hù)的失效評(píng)價(jià)指標(biāo)，其目標(biāo)值可定義為≤70%；

d.推薦選用3 mm尺寸雙層六面體單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE建模。

本文研究方法對(duì)新能源汽車中的高壓線束、冷卻管路等各種線路系統(tǒng)的相關(guān)保護(hù)研究也具有參考意義。