汽車分叉線束結構溫振耦合應力有限元分析*

柳皓凱

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545616）

我國汽車制造技術的不斷發展，尤其是工業機器人技術在汽車制造領域中的應用，助推了汽車元器件行業的快速發展。線束是汽車制造的重要組成部分，是汽車電路的網絡主體，是主要由銅材沖制而成的接觸件端子與電線電纜壓接以線束綁扎形成的電路組件。線束起著連接汽車各個元器件的作用，是各個元件器正常運行的關鍵。據調查，汽車各元器件在運行過程中會產生熱量，在汽車線束布局中需要考慮到布線的實際要求。例如汽車元器件之間會存在障礙物，需要在線束布局時考慮到汽車構造的復雜性問題[1-3]。已有研究表明，溫度場和振動場是影響線束結構可靠性的重大因素[4]，在汽車行駛、海洋勘探以及航空航天器運行等都會經歷溫度場及振動場共同作用的復雜工作環境中[5]，將導致線束網絡其約束端產生松動或者脫落，導致電信號干擾甚至線纜扯斷，將帶來不可估量的損失和災難[6]。因此，為了推動汽車制造技術高質量發展、提升汽車智能制造水平，筆者結合多年的實踐調查，構建了有限元模型分析，分析在溫度和隨機振動共同加載情況下線束網絡敷設的結構變化，研究分叉線束結構參數（分支長度、分叉位置）的變化對分叉線束最大應力的影響規律，這對提高機電產品的質量有著極其重要的意義。

1 溫變-振動條件下分叉線束結構應力有限元分析

1.1 分叉線束物理特性分析

考慮到研究的便利性，對關鍵性概念進行定義，如圖1所示。導線分叉點（圖中黑色圓點）與主干線束終端端子的距離即主干線束長度定義為Li，其中i為主干線束的分叉點，i＝1,2,3…，分別表示第一個、第二個、第三個……分叉點。

圖1 分叉線束的相關定義

1.2 分叉線束結構加載有限元模型

本文建立分叉線束有限元模型，模型由三個固定終端、四根截面積為0.2 mm2的線纜和支撐板三部分組成。進行溫變-振動條件下的分叉線束結構應力分析時，溫度場加載按照國家機械行業標準JB/T 8139—1999所使用的線纜工作溫度為-40 ℃～110 ℃，對模型施加自110 ℃歷時300 s線性降溫到-40 ℃的溫度載荷，作為模型的熱源載荷[7]，功率譜密度選擇美國軍事運輸標準MIL-STD NAVMAT P-9492的加速度功率譜密度曲線。

2 分叉線束結構熱-結構-振動耦合分析結果

2.1 分叉線束熱-結構耦合分析結果

應用設置的軟件對其進行分析，為了提升分析結果的準確性與統一性，對于分叉線束結構的應力分布狀態以范·米塞斯等效應力描述出來，這樣可以得到其變量及應力有限元分析結果，具體如圖2所示。

圖2 分叉線束的形變和應力云圖

通過深入分析，不難看出在溫變加載條件分叉線束結構的形變較為突出。通過應力云圖可以看到其形變主要集中在分支1、主干線束交叉位置等區域，而且最大應力主要是在線束的兩端，此種現象較為明顯。從圖2中可以清楚地看出，分支1導體終端的等效應力最大。

2.2 分叉線束溫振耦合分析結果

完成上述操作檢驗后，保留網格和分析結果，在選擇初始隨機振動分析初始荷載時選擇上述分析的結果作為預應力加入到模型上，從而進行熱-結構-隨機振動多物理場耦合分析。通過綜合分析得出分叉線束溫振耦合形變的應力有限元分析圖，如圖3所示。

經過圖3的數據統計計算，溫振耦合加載條件下，分叉線束結構形變量主要集中于分支1和分支2上且分支1處的形變量最大，最大形變量為0.000 106 84 mm。應力主要集中在線束導體的兩端，最大應力值相比于熱-結構耦合分析有所降低，最大應力值均出現于分支1與固定終端2的接觸端面上[8]，最大應力值為0.163 83 MPa。所以根據計算結果在線束分叉布線設計時需要考慮外部溫度以及振動對線束的共同作用影響，同時還要注意多場耦合效應的影響因素，以此提升線束布線的整體質量。

圖3 分叉線束溫振耦合分析形變和應力云圖

3 分叉線束結構參數變化對應力影響分析

3.1 分支長度變化對分叉線束結構應力的影響分析

線束在實際應用中需要考慮到整車設備之間的布局特點，例如線束在連接不同設備時，會受實際敷設環境的影響，導致線束布設需要結合具體情況而設置。為了保證研究的準確性，本研究在保證其他參數不變的基礎上，對分支2的長度進行調整，這樣對分支長度變化對其結構應力的影響進行研究[9-10]。分叉線束結構的最大形變量及最大應力值如表1所示，可知，當分支長度從100 mm增加到145 mm時，分叉線束最大應力及最大形變量呈現逐漸增大的趨勢，相對應的分叉線束結構的最大應力從0.125 14 MPa增大到0.907 04 MPa，最大形變量從7.866 4e-005 mm增大到1.185e-003 mm。

表1 不同分支長度下分叉線束結構形變量與應力

3.2 分叉位置變化對分叉線束結構應力的影響分析

根據實踐分析，在線束布局使用過程中需要考慮箱體障礙物、終端設備等諸多因素的影響，對線束進行綁扎，這樣會形成不同位置的交叉線束。由于線束分叉位置一定程度上會影響線束的結構應力，所以有必要分析交叉位置變化對線束應力的影響規律。分叉線束的最大形變量及最大應力如表2所示，可知，當主干線束長度L從110 mm增加到260 mm時，分叉線束最大應力及最大形變量呈現逐漸減小的趨勢，相對應的分叉線束結構的最大應力從0.259 79 MPa減小到0.163 83 MPa，最大形變量從1.968 4e-004 mm減小到1.256 1e-004 mm[11]。

表2 溫變-振動條件下分叉線束結構形變量與應力數據

4 結論

通過上述系統分析研究，可以得出以下結論：

1）交叉線束結構的形變應力變化較為集中，其主要集中在分支1、端子與地的固定面上，其中線束導體兩端的應力最為集中。

2）在溫振耦合加載條件下所獲得結果與熱-結構耦合條件交叉線束分析下的結果相比有所降低。在研究確定的參數變化范圍內，最大形變量及最大應力均隨著分支長度的增大而增大，且隨著主干線束長度的增大，分叉線束最大形變量及最大應力逐漸減小。