汽車碰撞中低壓線束的失效評價方法研究

沈海東 董瑞強 代超

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201208）

主題詞：低壓線束 碰撞保護 評價指標 變形壓縮比

1 前言

電路系統的碰撞損傷不僅影響汽車安全相關零件的正常工作，也容易引起電路系統短路或斷路造成的電路零件損壞，甚至發生事故[1-3]。為防止這類事故發生，應在整車研發過程中充分考慮電路系統的碰撞保護。

目前業界對汽車電路系統的碰撞保護研究多集中在油電混合動力或純電動車輛的高壓電路系統上，并且將其分為高壓元器件和高壓線束進行研究，高壓元器件的碰撞損傷評價主要以元器件外殼是否超過其所用材料斷裂應變來判斷，而高壓線束的失效風險評價大多以其是否會受到明顯擠壓進行主觀判定，并無較為明確的量化評價指標。接桂利、朱西產團隊用CAE 分析的方法對高壓元器件和高壓線束進行碰撞評價，其中高壓線束采用四面體實體單元建模，以是否被擠壓進行風險判斷[4]；曾澤江對高壓線束采用六面體+四面體實體單元的方式進行了精細化建模，同樣采用是否有擠壓或剪切風險進行風險判斷[5]。這些研究對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險進行定性判定，而這些低壓線束不僅在功能上與高壓模塊及高壓線束強相關，而且其失效往往同樣會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面接觸或線面接觸導致線束被割破，甚至割斷；擠壓失效主要是零件沿碰撞方向對線束進行擠壓，導致線束絕緣皮破損，金屬導線部分露出[6]。切割風險主要通過前期布置設計規避，本文重點研究線束在碰撞擠壓時可承受的擠壓失效極限，以期獲得相應的設計評價指標。

2 低壓線束擠壓試驗研究

從需要保護的各電路系統中選取最具代表性的幾類線束進行擠壓失效試驗研究，線束橫截面積分別為16 mm2、25 mm2、35 mm2，如圖1 所示，其余線束評價指標可參考這3 類線束研究結果。

圖1 整車典型低壓線束

根據接觸類型，將擠壓形式簡化為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，并同時考慮不同的擠壓速度（見表1），組合成如表2 所示的試驗矩陣。為減少試驗量，根據各參數的相互影響關系，選取表2 中部分組合項進行擠壓試驗，共計18組試驗，其他組合的情況可認為基本能被覆蓋[7]。

試驗基本過程為，將導線接通數字萬用表電阻通斷擋，在靜態壓力機上用選定的擠壓頭擠壓線束，萬用表一端接壓力機設備，一端接線束內芯金屬，萬用表發出蜂鳴聲時壓力機停止加載，終止試驗，此時可認為擠壓頭已接觸到線束內部金屬導線，線束可判斷為被擠壓失效。為減小誤差，每組試驗進行5次，取結果的平均值作為試驗結果。圖3所示為20 mm鋼片擠壓試驗過程示意。

圖2 試驗用擠壓頭

表1 試驗因子定義

表2 試驗組合矩陣

3 試驗結果分析

3.1 擠壓速度對線束擠壓變形的影響

25 mm2低壓線束擠壓試驗過程中，主要采集線束變形與線束所受擠壓力數據，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，這說明擠壓速度對線束的變形量和擠壓力影響很小，即在實車碰撞中，同一根線束的變形評價指標不因車輛碰撞速度的不同而有所變化。

3.2 擠壓頭形式對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，線束被壓縮時的變形量也越小。故在前期布置中，應盡可能將線束布置在與周邊零件接觸面積大的平面區域，即線束的友好界面。

圖3 20 mm鋼片線束擠壓試驗示意

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系。

3.3 線束擠壓變形的評價

統計18 組試驗的線束擠壓變形量，發現不同截面積的線束變形量差別很大，難以找到較為統一的評價規律，對數據充分研究后，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），統計線束的變形壓縮比如表3 所示，僅有1組數據的變形壓縮比為65%，其他組的變形壓縮比均集中在70%～80%范圍內。因此，可以將線束的變形壓縮比作為評價線束擠壓失效的判斷依據。

分析表3中數據，并綜合考慮一定的試驗誤差及實際碰撞中線束安全保護的工程可行性，將線束失效評價的目標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整車低壓線束的碰撞安全設計值。

4 CAE仿真對標分析

4.1 CAE建模方法的選擇

在整車的正向開發中，為了在項目開發前期較為準確地判斷線束的失效風險，除上述失效極限值作為評價指標外，還需要合適的線束CAE 模擬方法。為此，本文結合上述線束試驗進行了多種CAE 建模方法的研究。

表3 線束變形壓縮比計算結果

低壓線束結構見圖1b，可考慮采用3 種方法進行CAE 建模簡化，如圖6 所示：方法1，采用單層六面體單元，線束內芯增加Beam 單元；方法2，采用單層六面體單元，并附增強型橡膠材料屬性；方法3，采用雙層六面體單元，內層六面體單元附適當強度材料，模擬內芯金屬導線，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

隨機選擇表1 中的組合10、組合14、組合18，即25 mm2線束的試驗數據，對上述建模方法分別進行研究，并將研究結果與所有18 組試驗結果進行對比，以最終選擇具有一定普適性的線束CAE 建模方法。

相關CAE分析結果如圖7所示，對25 mm2線束分別進行了M10螺栓、5 mm鋼片、20 mm鋼片擠壓頭下的不同建模方法CAE 分析對比，結果表明，采用方法1 時線束的剛度明顯較高，而采用方法2 時線束剛度偏低，采用方法3時CAE分析結果與對應試驗曲線最為接近，故將方法3的建模方式應用到試驗結果對比研究中。

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 下的結果對比。CAE 仿真結果顯示，各種壓頭試驗中，4 mm 網格尺寸的結果都與試驗結果偏離較遠，2 mm 單元的CAE 仿真結果與試驗結果擬合度最好，3 mm 單元的CAE 仿真結果也與試驗值接近。考慮實際整車碰撞模型的單元數量規模及計算效率，選擇3 mm 網格尺寸進行整車線束CAE建模。

4.3 試驗數據CAE對比結果

根據上述分析，采用雙層六面體3 mm 尺寸的單元進行CAE 仿真與試驗結果對比分析，圖9 中列出了部分對比結果。其中，每組試驗結果均選取了5次試驗中同位移條件下擠壓力最大、最小值曲線，及5 次試驗值的平均曲線，除組合1、組合16和組合22數據偏差較大外，其余仿真曲線與試驗結果平均值曲線均較為接近。組合1 的CAE 仿真結果偏高，說明同位移條件下，組合1的線束所能承受擠壓力比試驗值高，即此模擬中的線束剛度偏高，如用前述試驗得到的≤70%的目標值進行前期設計，可能出現CAE分析還未達到目標值，但后期試驗驗證時已超出目標值的情況，這要求在前期設計時，不只用目標值評價模擬結果，還需結合相應的工程經驗，仔細分析仿真結果中線束受擠壓情況，給出綜合判斷；對于組合16，CAE 仿真結果偏低，可認為前期設計進行CAE 分析時如不會出現超標情況，則后期試驗驗證時，一般也不會出現超出目標值的情況；組合22 中的CAE 仿真結果與試驗結果相比，線束剛度前高后低，總體可認為其剛度與試驗偏差不大，又因前期CAE 設計分析中主要關心線束何時被擠壓失效，而組合22 CAE仿真結果后段剛度偏低，故用≤70%的目標值進行CAE 設計評價時，結果風險可控，當然，為防止有極個別遺漏，仍需結合工程經驗仔細分析CAE 結果。綜合分析所有對標結果[8]，基本可判斷此CAE模擬方法及試驗獲得的線束評價目標值都可用于線束碰撞保護設計。

圖8 25 mm2線束不同擠壓頭、不同單元尺寸CAE仿真結果

圖9 部分組合CAE仿真與試驗對比結果

5 結束語

本文從整車碰撞中電路安全性能集成開發的角度出發，對12 V 低壓線束在碰撞中的失效評價準則進行研究，得到以下結論：

a.同一線束的破損變形量和周邊零件的擠壓力不會因為碰撞速度的不同而有所不同；

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，線束在布置時如能與周邊零件為平面對平面的友好接觸，將會大幅降低線束被擠壓損傷的風險；

c.線束被擠壓破損時的變形壓縮比可作為線束碰撞保護的失效評價指標，其目標值可定義為≤70%；

d.推薦選用3 mm尺寸雙層六面體單元結構進行CAE建模。

本文研究方法對新能源汽車中的高壓線束、冷卻管路等各種線路系統的相關保護研究也具有參考意義。