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电动汽车高压线束失效模式的试验与仿真分析
2020-09-21 15:49:54· 来源：电动学堂
0 引言近年来，电动汽车保有量逐年增加，发生严重交通事故的概率呈上升趋势，在碰撞事故中高压线束破损或断裂将会引起高压系统短路、起火、爆炸等，严重影响乘员
0 引言
近年来，电动汽车保有量逐年增加，发生严重交通事故的概率呈上升趋势，在碰撞事故中高压线束破损或断裂将会引起高压系统短路、起火、爆炸等，严重影响乘员安全，并且相关法规也对电安全进行评价。高压线束为连接控制器、驱动电机、配电箱与动力电池的关键部件，且在碰撞过程中主要有三种失效形式：
1）外部绝缘层破损，导体裸露；
2）外部绝缘层破损，导体部分断裂；
3）高压线束整体断裂。高压线束的仿真精度影响其在整车碰撞分析中电安全风险的评估，所以需要研究高压线束的力学特性及建模方法。
本文基于高压线束存在的失效模式，设计了3种力学性能测试方案，进行测试分析，验证了方案的有效性。通过仿真与试验对标分析，所建立的等效实体建模方法及材料拟合曲线，能够表征高压线束的力学特性，可应用于电动车碰撞分析中电安全的风险评估。
1 试验方案设计
1.1试验设备组成
依据实验室试验能力，试验采用动态伺服试验系统如图1所示，该系统由加载和输出两部分组成，加载采用线性作动系统，同时为了实现高压线束交叉挤压、棱边挤压及剪切3种力学性能测试工况，压头可更换，进行相关试验设计。
1.2试验方法设计
总体要求：试验前后拍照，记录高压线束变形及破损情况；试验过程中录像；试验结束后绘制载荷-位移曲线。
1.3试验流程
指导高压线束试验测试的流程如图2所示。
2 试验测试及数据处理
本文选取某车型25mm2截面积的高压线束进行试验研究，试件长度20cm，每种测试方法进行2次试验，以验证测试的有效性。
2.1交叉挤压
2次试验中，压头挤压16mm，峰值力Ftest_A=8.1KN，Ftest_B=7.9KN。由图3可知：试验后,两根高压线束均发生严重变形。压头从0mm挤压至8mm的过程中，由于铜丝线束散开及压扁，承受的力偏低；当压至14.5～15.5mm时，局部的护套、屏蔽层和绝缘层出现破损，挤压力出现波动，但铜芯导体未出现破损。两次试验的力与位移响应曲线的变化趋势基本吻合，一致性较好。
2.2棱边挤压
2次试验中，压头挤压8mm，峰值力Ftest_A=2.04KN，Ftest_B=2.24KN。由图4可知：试验中,压头从0mm挤压至2mm的过程中，由于铜丝线束散开及压扁，承受的力偏低；当压至6～7mm时，高压线束在棱边侧的护套、屏蔽层和绝缘层被切开破损，少许铜丝断裂，挤压力出现波动。两次试验的力与位移响应曲线的变化趋势基本吻合，一致性较好。
2.3剪切
2次试验中，压头挤压12mm，峰值力Ftest_A=1.24KN，Ftest_B=1.34KN。由图5可知：试验中,压头从0mm挤压至2mm的过程中，由于铜丝线束散开及压扁，承受的力偏低；当压至7.5～9mm时，高压线束的护套、屏蔽层和绝缘层被切开破损，然后铜丝2/3被剪断，挤压力波动明显。两次试验的力与位移响应曲线的变化趋势基本吻合，一致性较好。
综上，对各工况测试结果分析表明：所述的3种高压线束力学测试方法，能正常记录所需数据，多角度反映高压线束的力学性能，试验方案设计合理。试验提取的力与位移响应曲线能应用于对标分析。
3仿真与试验对标分析
3.1高压线束结构组成
高压线束的组成从外到内依次为防护套、屏蔽层、绝缘层、铜导体。其中屏蔽层是直径为0.21mm的多根镀锡铜丝编织组成，铜导体是直径为0.21mm的铜线绞合而成。
3.2高压线束仿真难点
1)绝缘层和防护套为橡胶材料，用壳单元模拟不能准确响应模型的变形特性。
2)屏蔽层为编织结构，所以也不能直接用铜丝材料来模拟。
3)铜导体在挤压变形过程中，表现为铜丝先松散、压扁、压实、破损断裂的形式，所以直接采用铜材料来模拟，模型前期响应强度偏大，不能有效的表征铜芯的实际力学行为。
3.3建立高压线束测试有限元模型
高压线束的有限元模型如图7包括：等效绝缘层和等效导体两部分，采用实体建模的方法。
1)等效绝缘层实体建模模拟防护套、屏蔽层、绝缘层，材料类型选择*MAT24号材料，并采用拟合后的材料曲线进行模拟。
2)等效导体为实体建模模拟铜丝束，材料类型选择*MAT24号材料，并采用拟合后的材料曲线进行模拟。
3)高压线束采用*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE接触，设置相关参数，实现部分实体单元失效后，内部的实体单元仍参与接触，进行力学响应，确保模型的准确性。
3.4仿真与试验对标
鉴于每种工况2次试验中高压线束的变形与破损情况相当，力与位移响应曲线基本吻合，所以均选取Test-A开展对标。
3.4.1交叉挤压
通过交叉挤压工况仿真对标分析，结论如下：
1）仿真的高压线束变形与试验基本一致，如图7(a)所示。
2）力与位移曲线的峰值及变化趋势基本一致，如图7(b)所示。其中压头从0mm挤压至8mm的过程中，高压线束特性表现一致，均为由于铜丝线束散开及压扁，引起承受力偏低；压头挤压至14.5mm后，局部的等效绝缘层出现破损，因仿真中破损表现为单元失效，挤压力曲线出现明显波动，但铜芯未出现破损，与试验响应一致。
3.4.2棱边挤压
通过棱边挤压工况仿真对标分析，结论如下：
1）仿真的高压线束变形与试验基本一致，如图8(a)所示。
2）力与位移曲线的峰值及变化趋势基本一致，如图8(b)所示。其中压头从0mm挤压至2mm的过程中，高压线束特性表现一致，均为由于铜丝线束散开及压扁，引起承受力偏低；压头挤压至6mm后，高压线束与棱边接触的等效绝缘层开始被切开，少许等效铜导体断裂，因仿真中破损表现为单元失效，挤压力曲线波动明显，综合评估仿真与试验的响应基本一致。
3.4.3剪切
通过棱边挤压工况仿真对标分析，结论如下：
1）仿真的高压线束变形与试验基本一致，如图9(a)所示。
2）力与位移曲线的峰值及变化趋势9.5mm以前基本一致，如图9(b)所示。其中压头从0mm挤压至2mm的过程中，高压线束特性表现一致，均为由于铜丝线束散开及压扁，引起承受力偏低；压头挤压至7.5mm后，高压线束的等效绝缘层被切开破损，然后2/3的等效铜导体被剪断，与试验基本一致。
3）挤压9.5mm后的偏差主要来自于有限元模型材料失效后单元消失，且10mm后不起决定作用，综合考虑10mm之前的响应，所以仿真与试验的峰值及变化趋势基本一致。
通过对3种工况开展仿真与试验对标分析，仿真中高压线束变形与试验同步，变形及破损情况基本一致，且仿真力与位移响应曲线的峰值及趋势与试验基本一致。证明了高压线束仿真建模方法的正确性，且精度高，能应用于整车碰撞分析中。
4结束语
本文设计了高压线束的力学性能测试方法、系统及流程，并进行试验测试。建立了3种工况的有限元模型，采用新的高压线束建模方法，通过高压线束力学试验与仿真对标研究，结论如下：
1）该测试系统能正常记录所需数据，能重复应
用于其他类型高压线束测试，试验方案设计合理。
2）仿真中高压线束变形及破损情况、挤压力的峰值及随挤压位移的变化趋势与试验基本一致。证明拟合的等效绝缘层和导体的材料能有效表征其相关特性，高压线束仿真建模方法正确，仿真精度高，能应用于整车碰撞分析中的电安全风险评估。
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