鄭榮豪， 仇宗來(lái)， 孫 競(jìng)

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司， 上海 201201）

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，汽車日益成為出行最主要的交通工具。根據(jù)中國(guó)制造2025統(tǒng)計(jì)［1］，2017年汽車銷售達(dá)到2438萬(wàn)輛。汽車給人們帶來(lái)便捷的同時(shí)，也帶來(lái)了不容忽視的安全問(wèn)題。據(jù)交通部統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年發(fā)生交通事故50萬(wàn)起，因交通事故死亡人數(shù)超過(guò)10萬(wàn)人，居世界第一。其中由于汽車發(fā)生碰撞后，整車電源短路、斷路造成的火燒車和氣囊無(wú)法點(diǎn)爆也是造成交通事故死亡的一大因素［2］。

目前國(guó)內(nèi)和國(guó)際對(duì)碰撞標(biāo)準(zhǔn)也相繼提出更高的要求，包括C-NCAP，E-NCAP和IIHS都提高了汽車碰撞標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。目前國(guó)內(nèi)使用的C-NCAP （2018版） 定義了汽車在碰撞后，要保證氣囊正常點(diǎn)爆，雙閃點(diǎn)亮，車門解鎖，power mode保持RUN狀態(tài)［3］。這就要求，整車電源在碰撞試驗(yàn)過(guò)程中保持正常工作狀態(tài)，不能出現(xiàn)短路或斷路的情況。

本文對(duì)某廠商的碰撞試驗(yàn)進(jìn)行梳理，共梳理了25個(gè)項(xiàng)目的碰撞結(jié)果，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)10個(gè)項(xiàng)目（40%） 都不同程度地出現(xiàn)了蓄電池線損傷，其中8個(gè)項(xiàng)目由于蓄電池線損傷導(dǎo)致整車電壓降異常。根據(jù)SDM性能要求，在碰撞后的100ms以內(nèi)，當(dāng)電壓降異常時(shí)，整車氣囊就有可能無(wú)法正常點(diǎn)爆。

針對(duì)蓄電池線碰撞后發(fā)生短路和斷路問(wèn)題，本文研究了新的驗(yàn)證方式，對(duì)設(shè)計(jì)保護(hù)后的蓄電池線進(jìn)行碰撞PV試驗(yàn)，確保保護(hù)后的蓄電池線滿足碰撞性能要求。這種新的碰撞驗(yàn)證方式需滿足與整車的碰撞工況一致，以保證試驗(yàn)有效。

圖1 碰撞后蓄電池線狀態(tài)及整車碰撞結(jié)果

2 概念開發(fā)

本文研究的蓄電池線碰撞驗(yàn)證方法，是為了驗(yàn)證第一輪碰撞失效蓄電池線的保護(hù)方案是否有效。避免再次進(jìn)行整車碰撞試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)仍然不合格，再對(duì)蓄電池線進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，導(dǎo)致開發(fā)成本增加和開發(fā)周期延長(zhǎng)。對(duì)于新的碰撞驗(yàn)證方法，主要從兩方面評(píng)價(jià)與整車碰撞試驗(yàn)的一致性，分別是碰撞能量的輸入和碰撞結(jié)果的輸出。

對(duì)于碰撞試驗(yàn)，目前有正碰、側(cè)碰及后碰等工況，每種不同的工況對(duì)于車內(nèi)零件的影響都不同，需要根據(jù)不同的碰撞工況，分析對(duì)蓄電池線的碰撞影響即碰撞能量。碰撞能量主要由沖擊力和沖擊速度兩方面組成，新的碰撞驗(yàn)證方法與整車碰撞的輸入一致即要求沖擊力和沖擊速度保持一致。因而需要對(duì)不同工況下整車碰撞的沖擊力和沖擊速度進(jìn)行分析，將其轉(zhuǎn)換成新的碰撞驗(yàn)證方法的輸入。

整車碰撞試驗(yàn)的輸出就是蓄電池線在整車碰撞結(jié)束后的狀態(tài)，所以新的碰撞驗(yàn)證方法需要能夠得到明確的碰撞試驗(yàn)結(jié)果，反饋蓄電池線在碰撞過(guò)程中及碰撞完成后的狀態(tài)，使碰撞輸出與整車碰撞試驗(yàn)輸出一致。

所以需要從輸入和輸出兩方面考核新的碰撞驗(yàn)證方法是否有效。

2.1 CAE碰撞仿真驗(yàn)證

汽車碰撞是瞬態(tài)的大變形和大位移的過(guò)程，其系統(tǒng)具有材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等特征。一般的線性有限元方法都是基于小位移的系統(tǒng)，對(duì)于復(fù)雜非線性系統(tǒng)的仿真計(jì)算則需要?jiǎng)討B(tài)非線性有限元方法［4］。

目前對(duì)于汽車碰撞的CAE仿真分析主要通過(guò)有限元軟件實(shí)現(xiàn)。利用軟件對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行物理屬性的賦予，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)整車碰撞工況對(duì)碰撞位置進(jìn)行沖擊速度和沖擊力賦予，通過(guò)軟件計(jì)算，能夠較好得到零件碰撞姿態(tài)，如圖2所示。同時(shí)零件也能比較準(zhǔn)確地得到受力位置的速度沖擊曲線和受力曲線。

蓄電池線作為非線性零件，如圖3所示，其主要由中間的芯線（銅絲） 和外部絕緣皮組成。同時(shí)蓄電池線絕緣皮與芯線之間存在間隙，芯線之間也有間隙。通過(guò)CAE分析不能夠很好地得出碰撞后絕緣皮狀態(tài)，即輸出狀態(tài)不能明確，這也是目前碰撞CAE分析的最大難點(diǎn)［5］。

圖2 CAE碰撞分析圖

2.2 落錘臺(tái)架驗(yàn)證

根據(jù)整車碰撞試驗(yàn)的特征，臺(tái)架需要提供相應(yīng)的沖擊力及沖擊速度，對(duì)蓄電池線進(jìn)行沖擊碰撞。對(duì)目前試驗(yàn)室資源進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)某護(hù)套供應(yīng)商有落錘試驗(yàn)臺(tái)，如圖4所示。該試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)落錘質(zhì)量、落錘高度、落錘刀片頭厚度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)與整車碰撞工況的復(fù)現(xiàn)。同時(shí)，該試驗(yàn)臺(tái)還具備沖擊力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、短路監(jiān)測(cè)及高速攝像功能，這些功能可以實(shí)時(shí)記錄碰撞過(guò)程中的蓄電池線狀態(tài)。

圖3 蓄電池線結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 落錘臺(tái)架示意圖

該臺(tái)架的落錘高度及落錘質(zhì)量需要根據(jù)整車碰撞試驗(yàn)對(duì)于蓄電池線的沖擊力及沖擊速度決定。目前整車碰撞試驗(yàn)無(wú)法對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行沖擊力和沖擊速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，故該臺(tái)架的最大缺陷就是輸入不明確導(dǎo)致試驗(yàn)準(zhǔn)確性不高。

2.3 方案確認(rèn)

目前潛在方案分別是CAE仿真分析和落錘臺(tái)架試驗(yàn)。現(xiàn)對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比，從輸入一致性、輸出一致性、試驗(yàn)周期及費(fèi)用，以及試驗(yàn)可重復(fù)性等方面進(jìn)行對(duì)比。利用普氏分析表格對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比表格如表1所示。

表1 CAE仿真與臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比

根據(jù)以上2個(gè)維度的考核項(xiàng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種驗(yàn)證方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中在試驗(yàn)輸入設(shè)置的一致性方面，CAE仿真能夠更加精確。另外一方面，臺(tái)架試驗(yàn)的試驗(yàn)輸出及試驗(yàn)費(fèi)用都優(yōu)于CAE仿真。普氏分析著重于方案的創(chuàng)造而非方案的選擇［6］，從以上兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)可以考慮運(yùn)用hybrid的方式創(chuàng)造新的更好的方案。所以最終選擇試驗(yàn)輸出更加精確的臺(tái)架試驗(yàn)作為基礎(chǔ)方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)根據(jù)CAE仿真分析，確定臺(tái)架試驗(yàn)的參數(shù)。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

汽車蓄電池線在整車碰撞試驗(yàn)的表現(xiàn)主要基于三大因素，分別是：蓄電池線的布置即周邊環(huán)境對(duì)蓄電池線的影響，蓄電池線受力位置的沖擊速度和沖擊受力。由于臺(tái)架試驗(yàn)是基于落錘的自由落體產(chǎn)生沖擊力和沖擊速度，所以整車碰撞試驗(yàn)的參數(shù)轉(zhuǎn)化為臺(tái)架試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置如圖5所示，主要轉(zhuǎn)化為落錘的高度、質(zhì)量和接觸蓄電池線的刀片厚度。落錘試驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖6所示。

DFSS在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段的主要目標(biāo)是通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，使該系統(tǒng)在不同的操作條件及噪聲環(huán)境下有一致的性能。該臺(tái)架需盡可能完全模擬整車碰撞工況，反饋蓄電池線在碰撞過(guò)程中及碰撞完成后的狀態(tài)，確認(rèn)蓄電池線設(shè)計(jì)是否滿足整車碰撞要求。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)、響應(yīng)和噪聲分析，繪制參數(shù)圖如圖7所示。

圖6 落錘試驗(yàn)臺(tái)控制因子及噪聲

3.1 CAE分析

根據(jù)整車碰撞試驗(yàn)的工況，對(duì)CAE碰撞分析進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，同時(shí)對(duì)第1次整車碰撞試驗(yàn)的失效位置進(jìn)行沖擊受力和沖擊速度的曲線監(jiān)控。根據(jù)某蓄電池線碰撞失效項(xiàng)目的整車碰撞工況和整車數(shù)模，得到失效位置的受力曲線和速度曲線，如圖8和圖9所示。

圖7 落錘臺(tái)架參數(shù)圖

圖8 失效位置受力曲線

圖9 失效位置速度曲線

分析失效位置的受力曲線和速度曲線可知，該失效位置在碰撞過(guò)程中所受的最大沖擊力為4.5kN，最大沖擊速度為5.7m/s。根據(jù)受力曲線和速度曲線，同時(shí)考慮受力時(shí)間，通過(guò)曲線積分運(yùn)算，換算成落錘質(zhì)量和高度分別為5.5kg和0.27m。根據(jù)作用于蓄電池線的UCCB的鈑金厚度，換算成落錘刀片厚度為2.0mm。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)CAE仿真換算后的落錘質(zhì)量、高度及刀片厚度，將其轉(zhuǎn)換成三控制因子兩水平的試驗(yàn)，如表2所示。同時(shí)，根據(jù)落錘刀片的安裝工藝，確定2個(gè)噪音水平分別是安裝角度為90°和85°。

確定控制因子和噪音因子的水平后，對(duì)臺(tái)架進(jìn)行全因子試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由于該項(xiàng)目第1次整車碰撞試驗(yàn)造成蓄電池線受力點(diǎn)破損并且芯線斷絲4根，根據(jù)全因子試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，目前的試驗(yàn)沒(méi)有一組符合斷絲4根的要求，需要調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行第2輪試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

表2 三控制因子兩水平試驗(yàn)

表3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)DFSS方法，基于試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算每個(gè)控制因子的信噪比S/N，并繪制S/N點(diǎn)圖如圖10所示。其中A因子代表落錘質(zhì)量，B因子代表落錘高度，D因子代表刀片厚度。根據(jù)S/N點(diǎn)圖可知，B因子即落錘高度對(duì)該系統(tǒng)的影響最大。所以第2輪試驗(yàn)保持落錘質(zhì)量5.55kg，刀片厚度2mm不變，同時(shí)調(diào)整落錘高度。繼續(xù)進(jìn)行4組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)11在不同的噪音因子條件下，分別斷絲4根和5根，因而以試驗(yàn)11的參數(shù)作為最終優(yōu)化后參數(shù)。

圖10 S/N點(diǎn)圖

表4 第2輪試驗(yàn)結(jié)果

4 確認(rèn)

在確認(rèn)階段，主要通過(guò)批量的試驗(yàn)，檢查蓄電池線在臺(tái)架試驗(yàn)后是否與整車碰撞試驗(yàn)有一致的失效表現(xiàn)。經(jīng)過(guò)10輪100批次的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蓄電池線破損和斷絲數(shù)基本與整車碰撞失效一致，確認(rèn)優(yōu)化后的落錘臺(tái)架能模擬整車碰撞試驗(yàn)。

為了避免優(yōu)化后的蓄電池線在下一輪整車碰撞試驗(yàn)后仍然出現(xiàn)破損等失效情況，可以將優(yōu)化后的蓄電池線進(jìn)行落錘臺(tái)架試驗(yàn)，評(píng)估蓄電池線狀態(tài)。根據(jù)10批次的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，保護(hù)后的蓄電池線均未出現(xiàn)破損情況，同時(shí)試驗(yàn)臺(tái)的短路檢測(cè)也未發(fā)現(xiàn)蓄電池線存在破皮短路情況。試驗(yàn)臺(tái)及臺(tái)架試驗(yàn)后的蓄電池線如圖11所示。

圖11 落錘試驗(yàn)臺(tái)及臺(tái)架試驗(yàn)后蓄電池線狀態(tài)

優(yōu)化保護(hù)后的蓄電池線再次進(jìn)行整車碰撞驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)有破損短路等情況，蓄電池線狀態(tài)與臺(tái)架試驗(yàn)后狀態(tài)一致。所以確認(rèn)了優(yōu)化后的落錘臺(tái)架能夠復(fù)現(xiàn)整車碰撞試驗(yàn)工況，其對(duì)碰撞失效蓄電池線的優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證具有重要意義。

5 總結(jié)

本文主要針對(duì)碰撞失效的蓄電池線，提出一種新的驗(yàn)證方法對(duì)優(yōu)化保護(hù)后的蓄電池線進(jìn)行碰撞驗(yàn)證，確認(rèn)優(yōu)化方案是否能夠?qū)π铍姵鼐€提供有效合理的保護(hù)。本文提出的碰撞驗(yàn)證方法基于落錘臺(tái)架，同時(shí)根據(jù)CAE仿真分析得到碰撞輸入?yún)?shù)，同時(shí)運(yùn)用DFSS方法對(duì)碰撞參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使臺(tái)架試驗(yàn)與整車碰撞試驗(yàn)相匹配。這種創(chuàng)新型的碰撞驗(yàn)證方法相對(duì)整車碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證周期短，可重復(fù)性高，成本低。對(duì)第1輪整車碰撞失效蓄電池線保護(hù)方案的驗(yàn)證具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。