基于CATIA的新能源客車線束模塊化設計及仿真驗證

胡健濱

(上海申沃客車有限公司,上海 201108)

與傳統燃油客車相比,除動力及驅動系統外,新能源客車個性化定制需求突出,且智慧化功能日益豐富,這導致傳統的整車線束開發方式已無法適應新能源客車的設計需求。目前,乘用車已廣泛采用CATIA作為實現數字化工程的整車開發工具,包括用于虛擬線束建模、虛擬加工、虛擬生產等,貫穿了整車開發全過程[1-2]。

因此,針對傳統開發方式周期長、效率低、數據可靠性差的弊端,本文引入基于CATIA的模塊化設計理念,提出一種客車整車線束模塊化分解模型,并以某車型為對象進行線束模塊化設計、仿真及實車效果驗證評價,為后續新能源客車線束的標準化設計及制造提供參考。

1 基于CATIA的線束開發流程簡介

目前,我國大部分客車制造企業的線束開發依然遵循著傳統的線束開發模式[3-5],該模式的流程如圖1所示。

圖1 客車線束傳統開發流程

在此開發模式下,線束2D數據只能在開發后期通過實車進行反復驗證、修改后鎖定,從而出現周期長、效率低、重復性工作量大等痛點問題[6]。由此可見,傳統開發方式已經無法適應新能源客車配置個性化定制、產品迭代速率快的特點,導致車輛在進入量產階段仍然存在線束參數未進行驗證的問題,造成生產線上整車電氣系統可靠性降低。

為解決傳統開發模式的痛點問題,必須在傳統流程中引入新的驗證環節。目前,CATIA作為乘用車領域應用最廣的線束開發軟件,其在客車行業的應用依然前景廣闊[7-9],引入其作為仿真環節是對傳統線束開發流程的有效補充,基于CATIA的客車線束開發流程如圖2所示。

圖2 基于CATIA的客車線束開發流程

從圖2可以看出,在傳統線束開發流程中增加了模塊化設計和三維仿真環節后,可以使得線束開發數據在設計階段進行自我內循環修正和調整,在最大程度上確保數據的準確性、可靠性。這將極大地減小后續實車驗證環節的工作量,提高了整體的工作效率。

2 線束模塊化設計、仿真與驗證

2.1 線束模塊化設計

引入模塊化設計理念是應對客戶個性化定制需求突出的必然趨勢,這可以有效縮短數據二次開發周期,提高數據容錯度和可靠性,極大程度上避免整車裝配流水線上出現的各類問題。

2.1.1 模塊化分解模型

根據車輛個性化配置的統計數據,考慮整車電器零部件的迭代頻率、電流參數、CAN網絡架構、整車結構參數等建立線束模塊化分解模型。

定義集合A,其元素由各零部件的迭代頻率組成：

A={X│X=n/m}

(1)

式中：X代表集合A的元素;n代表零部件迭代次數;m代表訂單批次數。

定義集合B,其元素由各零部件電流參數組成：

(2)

式中：I代表電流。

定義集合C,其元素由節點的波特率決定：

(3)

因涉及側圍的線束分支較少,所以將其就近并入頂蓋或底盤,由此定義相關結構部位集合D：

D={前圍,后圍,頂蓋,底盤}

(4)

根據式(1)～(4),基于整車結構構建映射關系,得到分解模型如下：

H={Hi=f(A,B,C,D)|i=1,2,3,4}

式中：H代表模塊化線束集合;H1代表前圍線束;H2代表后圍線束;H3代表頂蓋線束;H4代表底盤線束;f(x)代表模型映射規則。

以新能源城市客車開發平臺某車型為例,儀表部件安裝于車輛前圍結構上,該車型訂單共10批次,儀表迭代0次,根據集合A的定義,儀表迭代頻率為0,而ADAS迭代4次,其迭代頻率是0.25,結合集合B和集合C,得到映射關系見表1。

表1 整車線束模塊分解映射

2.1.2 線束模塊化設計

基于CATIA的線束裝配設計模塊,結合模塊內電氣部件的工藝參數、電氣參數、結構參數及模塊化對接方式綜合設計模塊線束的走向,用以確保線束的安全性和可維護性達到設計要求。

1) 前圍線束模塊設計。由表1可知,前圍線束模塊(如圖3所示)中ADAS等配置迭代頻率較高,可做冗余設計,預留出固定的接口模塊,該接口模塊中包含了所有變化配置所需要的電信號參數、CAN網絡參數和最大的功率線。訂單配置變更時只需根據不同配置進行過度線束設計即可實現設計數據變更。

圖3 前圍線束模塊

2) 后圍線束模塊設計。后艙通常作為動力系統及冷卻系統的布置艙,線束設計時需要綜合考慮后艙的結構和各系統零部件的安裝位置。由表1可知,后圍線束模塊(如圖4所示)中BMS迭代頻率較低,可根據配置組合將后圍線束系列化,訂單車配置變更時只需選擇不同系列的線束即可。

圖4 后圍線束模塊

3) 頂蓋線束模塊設計。城市客車內頂蓋線束主要沿兩側風道敷設,風道內零部件數量較少且結構較為簡單,線束設計時主要考慮與空調高壓線束技術標準要求一致的敷設間隔。從表1中可知,頂蓋線束模塊(如圖5所示)中,360全景環視等配置迭代頻率較高。根據360做最高配置的冗余設計,由此頂蓋線束只需進行線束組合和過度線束設計即可實現設計數據變更發放。

圖5 頂蓋線束模塊

4) 底盤線束模塊設計。底架結構較為復雜,且安裝的零部件較多。線束設計時首先確定其主干線的走向及長度參數,然后根據各電氣部件安裝位置參數確定各分支點及分支線束長度。從表1可知,LCA變道輔助等配置迭代頻率較高,底盤其他部件配置固定,可做成底盤線束模塊(如圖6所示)。LCA變道輔助系統經過梳理,其需要的電信號、功率參數和CAN網絡需求無明顯區別,可做最大冗余設計,參照前模塊線束做各配置的過度線束設計,車型配置變更時只需要選用即可,無需重復設計。

圖6 底盤線束模塊

2.2 線束DMU空間仿真分析

將線束三維數據與各系統整合,基于CATIA的數字化裝配模塊做線束DMU空間仿真分析,以檢查線束敷設中是否有干涉、敷設位置是否有偏差等。仿真分析結果如圖7和圖8所示。

圖7 線束DMU分析結果1

圖8 線束DMU分析結果2

CATIA在將線束三維仿真數據展平時,需要數據是閉環的,中間的路徑數據必須保證與前后路徑保持連接[10],每處分支終端必須有連接器、端子或者配電盒。在CATIA中使用搜索功能實現對線束連通性的檢查,檢查結果如圖9所示。

圖9 線束數據連通性檢查結果

從圖9可知,查出有16個電氣束段間完全連接的檢查結果為假,表明這些束段間不連通,需進行相關數據調整。

2.3 線束實車驗證

根據整車線束制造裝配流程,可將線束失效模式按過程分為制造失效、裝配失效和耐久失效[11-15]。對新設計理念應用前后實車上線束失效模式及發生頻率、數量進行統計分析,相應的統計數據見表2。

表2 線束失效對比分析

從表3可知,仿真分析環節的引入使線束在整車上的裝配效果得到快速地模擬,有效地降低了線束碰磨干涉、絕緣層磨損、人工拖拽等現象造成的線束失效,極大地提高了線束設計數據的可靠性、容錯度。

3 結束語

目前,客車線束的模塊化設計及仿真分析還處于起步階段。與傳統的線束開發方式相比,引入CATIA軟件進行模塊化設計與仿真分析有效提高了開發效率,順應了客車客戶對產品個性化定制的需要,提升了整車線束的可靠性和容錯度,避免了重復設計,降低了開發成本。下一步將在線束模塊化設計的基礎上考慮新能源整車線束EMC防護,優化線束的布置方案。