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0 引言

近年來，電動(dòng)汽車保有量逐年增加，發(fā)生嚴(yán)重交通事故的概率呈上升趨勢(shì)，在碰撞事故中高壓線束破損或斷裂將會(huì)引起高壓系統(tǒng)短路、起火、爆炸等，嚴(yán)重影響乘員安全，并且相關(guān)法規(guī)也對(duì)電安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。高壓線束為連接控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、配電箱與動(dòng)力電池的關(guān)鍵部件，且在碰撞過程中主要有三種失效形式：

1）外部絕緣層破損，導(dǎo)體裸露；

2）外部絕緣層破損，導(dǎo)體部分?jǐn)嗔眩?/span>

3）高壓線束整體斷裂。高壓線束的仿真精度影響其在整車碰撞分析中電安全風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，所以需要研究高壓線束的力學(xué)特性及建模方法。

本文基于高壓線束存在的失效模式，設(shè)計(jì)了3種力學(xué)性能測(cè)試方案，進(jìn)行測(cè)試分析，驗(yàn)證了方案的有效性。通過仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析，所建立的等效實(shí)體建模方法及材料擬合曲線，能夠表征高壓線束的力學(xué)特性，可應(yīng)用于電動(dòng)車碰撞分析中電安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

 

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)設(shè)備組成

依據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)?zāi)芰Γ囼?yàn)采用動(dòng)態(tài)伺服試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由加載和輸出兩部分組成，加載采用線性作動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)高壓線束交叉擠壓、棱邊擠壓及剪切3種力學(xué)性能測(cè)試工況，壓頭可更換，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1.2試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

總體要求：試驗(yàn)前后拍照，記錄高壓線束變形及破損情況；試驗(yàn)過程中錄像；試驗(yàn)結(jié)束后繪制載荷-位移曲線。

1.3試驗(yàn)流程

指導(dǎo)高壓線束試驗(yàn)測(cè)試的流程如圖2所示。

 

2 試驗(yàn)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

本文選取某車型25mm2截面積的高壓線束進(jìn)行試驗(yàn)研究，試件長度20cm，每種測(cè)試方法進(jìn)行2次試驗(yàn)，以驗(yàn)證測(cè)試的有效性。

2.1交叉擠壓

2次試驗(yàn)中，壓頭擠壓16mm，峰值力Ftest_A=8.1KN，F(xiàn)test_B=7.9KN。由圖3可知：試驗(yàn)后,兩根高壓線束均發(fā)生嚴(yán)重變形。壓頭從0mm擠壓至8mm的過程中，由于銅絲線束散開及壓扁，承受的力偏低；當(dāng)壓至14.5～15.5mm時(shí)，局部的護(hù)套、屏蔽層和絕緣層出現(xiàn)破損，擠壓力出現(xiàn)波動(dòng)，但銅芯導(dǎo)體未出現(xiàn)破損。兩次試驗(yàn)的力與位移響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)基本吻合，一致性較好。

2.2棱邊擠壓

2次試驗(yàn)中，壓頭擠壓8mm，峰值力Ftest_A=2.04KN，F(xiàn)test_B=2.24KN。由圖4可知：試驗(yàn)中,壓頭從0mm擠壓至2mm的過程中，由于銅絲線束散開及壓扁，承受的力偏低；當(dāng)壓至6～7mm時(shí)，高壓線束在棱邊側(cè)的護(hù)套、屏蔽層和絕緣層被切開破損，少許銅絲斷裂，擠壓力出現(xiàn)波動(dòng)。兩次試驗(yàn)的力與位移響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)基本吻合，一致性較好。

2.3剪切

2次試驗(yàn)中，壓頭擠壓12mm，峰值力Ftest_A=1.24KN，F(xiàn)test_B=1.34KN。由圖5可知：試驗(yàn)中,壓頭從0mm擠壓至2mm的過程中，由于銅絲線束散開及壓扁，承受的力偏低；當(dāng)壓至7.5～9mm時(shí)，高壓線束的護(hù)套、屏蔽層和絕緣層被切開破損，然后銅絲2/3被剪斷，擠壓力波動(dòng)明顯。兩次試驗(yàn)的力與位移響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)基本吻合，一致性較好。

綜上，對(duì)各工況測(cè)試結(jié)果分析表明：所述的3種高壓線束力學(xué)測(cè)試方法，能正常記錄所需數(shù)據(jù)，多角度反映高壓線束的力學(xué)性能，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)合理。試驗(yàn)提取的力與位移響應(yīng)曲線能應(yīng)用于對(duì)標(biāo)分析。

 

3仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析

3.1高壓線束結(jié)構(gòu)組成

高壓線束的組成從外到內(nèi)依次為防護(hù)套、屏蔽層、絕緣層、銅導(dǎo)體。其中屏蔽層是直徑為0.21mm的多根鍍錫銅絲編織組成，銅導(dǎo)體是直徑為0.21mm的銅線絞合而成。

3.2高壓線束仿真難點(diǎn)

1)絕緣層和防護(hù)套為橡膠材料，用殼單元模擬不能準(zhǔn)確響應(yīng)模型的變形特性。

2)屏蔽層為編織結(jié)構(gòu)，所以也不能直接用銅絲材料來模擬。

3)銅導(dǎo)體在擠壓變形過程中，表現(xiàn)為銅絲先松散、壓扁、壓實(shí)、破損斷裂的形式，所以直接采用銅材料來模擬，模型前期響應(yīng)強(qiáng)度偏大，不能有效的表征銅芯的實(shí)際力學(xué)行為。

3.3建立高壓線束測(cè)試有限元模型

高壓線束的有限元模型如圖7包括：等效絕緣層和等效導(dǎo)體兩部分，采用實(shí)體建模的方法。

1)等效絕緣層實(shí)體建模模擬防護(hù)套、屏蔽層、絕緣層，材料類型選擇*MAT24號(hào)材料，并采用擬合后的材料曲線進(jìn)行模擬。

2)等效導(dǎo)體為實(shí)體建模模擬銅絲束，材料類型選擇*MAT24號(hào)材料，并采用擬合后的材料曲線進(jìn)行模擬。

3)高壓線束采用*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE接觸，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)部分實(shí)體單元失效后，內(nèi)部的實(shí)體單元仍參與接觸，進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)，確保模型的準(zhǔn)確性。

3.4仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

鑒于每種工況2次試驗(yàn)中高壓線束的變形與破損情況相當(dāng)，力與位移響應(yīng)曲線基本吻合，所以均選取Test-A開展對(duì)標(biāo)。

3.4.1交叉擠壓

通過交叉擠壓工況仿真對(duì)標(biāo)分析，結(jié)論如下：

1）仿真的高壓線束變形與試驗(yàn)基本一致，如圖7(a)所示。

2）力與位移曲線的峰值及變化趨勢(shì)基本一致，如圖7(b)所示。其中壓頭從0mm擠壓至8mm的過程中，高壓線束特性表現(xiàn)一致，均為由于銅絲線束散開及壓扁，引起承受力偏低；壓頭擠壓至14.5mm后，局部的等效絕緣層出現(xiàn)破損，因仿真中破損表現(xiàn)為單元失效，擠壓力曲線出現(xiàn)明顯波動(dòng)，但銅芯未出現(xiàn)破損，與試驗(yàn)響應(yīng)一致。

3.4.2棱邊擠壓

通過棱邊擠壓工況仿真對(duì)標(biāo)分析，結(jié)論如下：

1）仿真的高壓線束變形與試驗(yàn)基本一致，如圖8(a)所示。

2）力與位移曲線的峰值及變化趨勢(shì)基本一致，如圖8(b)所示。其中壓頭從0mm擠壓至2mm的過程中，高壓線束特性表現(xiàn)一致，均為由于銅絲線束散開及壓扁，引起承受力偏低；壓頭擠壓至6mm后，高壓線束與棱邊接觸的等效絕緣層開始被切開，少許等效銅導(dǎo)體斷裂，因仿真中破損表現(xiàn)為單元失效，擠壓力曲線波動(dòng)明顯，綜合評(píng)估仿真與試驗(yàn)的響應(yīng)基本一致。

3.4.3剪切

通過棱邊擠壓工況仿真對(duì)標(biāo)分析，結(jié)論如下：

1）仿真的高壓線束變形與試驗(yàn)基本一致，如圖9(a)所示。

2）力與位移曲線的峰值及變化趨勢(shì)9.5mm以前基本一致，如圖9(b)所示。其中壓頭從0mm擠壓至2mm的過程中，高壓線束特性表現(xiàn)一致，均為由于銅絲線束散開及壓扁，引起承受力偏低；壓頭擠壓至7.5mm后，高壓線束的等效絕緣層被切開破損，然后2/3的等效銅導(dǎo)體被剪斷，與試驗(yàn)基本一致。

3）擠壓9.5mm后的偏差主要來自于有限元模型材料失效后單元消失，且10mm后不起決定作用，綜合考慮10mm之前的響應(yīng)，所以仿真與試驗(yàn)的峰值及變化趨勢(shì)基本一致。

通過對(duì)3種工況開展仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析，仿真中高壓線束變形與試驗(yàn)同步，變形及破損情況基本一致，且仿真力與位移響應(yīng)曲線的峰值及趨勢(shì)與試驗(yàn)基本一致。證明了高壓線束仿真建模方法的正確性，且精度高，能應(yīng)用于整車碰撞分析中。

 

4結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了高壓線束的力學(xué)性能測(cè)試方法、系統(tǒng)及流程，并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。建立了3種工況的有限元模型，采用新的高壓線束建模方法，通過高壓線束力學(xué)試驗(yàn)與仿真對(duì)標(biāo)研究，結(jié)論如下：

 

1）該測(cè)試系統(tǒng)能正常記錄所需數(shù)據(jù)，能重復(fù)應(yīng)

用于其他類型高壓線束測(cè)試，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)合理。

 

2）仿真中高壓線束變形及破損情況、擠壓力的峰值及隨擠壓位移的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)基本一致。證明擬合的等效絕緣層和導(dǎo)體的材料能有效表征其相關(guān)特性，高壓線束仿真建模方法正確，仿真精度高，能應(yīng)用于整車碰撞分析中的電安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。