电动汽车高压线束失效模式的试验与仿真分析

近年来，电动的试电动汽车保有量逐年增加，汽车发生严重交通事故的高压概率呈上升趋势，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、线束析起火、失效爆炸等，模式严重影响乘员安全，验仿并且相关法规也对电安全进行评价。真分高压线束为连接控制器、电动的试驱动电机、汽车配电箱与动力电池的高压关键部件，且在碰撞过程中主要有三种失效形式：

1）外部绝缘层破损，线束析导体裸露；

2）外部绝缘层破损，失效导体部分断裂；

3）高压线束整体断裂。模式高压线束的验仿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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