鄧騰飛，葉永盛，李鍛能，馬平，廖錦仁,王志輝

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，廣東廣州 510006；2.廣東南洋電纜有限公司，廣東廣州 510700)

0 引言

新能源汽車車載高壓電纜承擔(dān)著電動(dòng)汽車中所有能量的傳輸任務(wù)。但是在車內(nèi)狹小的平臺(tái)空間內(nèi)，電纜使用時(shí)不可避免地受到拉伸、彎曲作用，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致機(jī)械故障，從而影響電纜的正常使用[1-2]，所以必須對電纜的機(jī)械性能進(jìn)行研究分析。目前業(yè)內(nèi)對于電動(dòng)汽車用電纜主要為線纜結(jié)構(gòu)和材料的研究。對于充電電纜成品機(jī)械性能的研究較少[3]。

本文作者探索利用有限元分析的方法對廣東南洋電纜有限公司的產(chǎn)品新能源汽車車載高壓電纜EV-70 mm2進(jìn)行拉伸和彎曲狀態(tài)分析，采用SolidWorks建立三維模型，利用Abaqus進(jìn)行有限元分析，在Abaqus環(huán)境中確定各個(gè)部分的材料參數(shù)、接觸類型、網(wǎng)格劃分方式等，得出電纜各部分在拉伸和彎曲狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況和變形情況，并對電纜被拉伸和彎曲的效果進(jìn)行分析，為新能源汽車車用電纜的整體性能研究提供一定程度的參考。

1 電纜有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立

文中研究的新能源汽車車載高壓電纜結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)剖面圖

如圖1所示的新能源汽車車載高壓電纜結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，導(dǎo)體由多根裸銅絲絞合而成，以導(dǎo)體1為中心，在其上依次繞包設(shè)置內(nèi)包帶2、絕緣層3、半導(dǎo)電屏蔽層4后形成絕緣線芯；在絕緣線芯外依次包覆編織屏蔽層5、外包帶層6；在外包帶6外擠包設(shè)置護(hù)套7，形成預(yù)成品電纜。電纜具體幾何尺寸見表1。

表1 新能源汽車車用電纜尺寸參數(shù)

從圖1以及表1中可以發(fā)現(xiàn)，電纜的結(jié)構(gòu)和尺寸都比較復(fù)雜，復(fù)雜的電纜結(jié)構(gòu)在有限元分析中會(huì)產(chǎn)生大量的網(wǎng)格，增加計(jì)算時(shí)間，減小計(jì)算效率，在保證精度的前提下對電纜模型做出一定的簡化[4]。電纜的導(dǎo)體由規(guī)格相同的銅絲組成，結(jié)構(gòu)絞合，以1+6的絞合方式來替代。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，編織屏蔽層跟其他層相比較薄，厚度只有0.15 mm，所以忽略編織結(jié)構(gòu)，簡化為薄壁。根據(jù)結(jié)構(gòu)采用SolidWorks建立三維模型，如圖2所示。

圖2 電纜三維模型圖

1.2 有限元模型的建立

將模型導(dǎo)入Abaqus軟件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。電纜的結(jié)構(gòu)比較規(guī)則且較為復(fù)雜，利用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，采用四面體單元，選擇C3D10M單元模式，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，總體來看，網(wǎng)格沒有發(fā)生畸變，可以進(jìn)行計(jì)算。

圖3 電纜網(wǎng)格劃分結(jié)果

在有限元的分析中，材料參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置有助于模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，根據(jù)設(shè)計(jì)電纜的各部分材料類型，在有限元分析軟件材料庫中選擇相應(yīng)的材料。導(dǎo)體和編織屏蔽層的材料是銅；內(nèi)包帶層使用的是尼龍，絕緣層、護(hù)套使用的材料是環(huán)保阻燃交聯(lián)聚乙烯XLPE，半導(dǎo)電屏蔽層的材料是半導(dǎo)電交聯(lián)聚乙烯，這4個(gè)部分使用的材料都屬于交聯(lián)聚乙烯類型，屬性相似，所以將它們的材料全部用交聯(lián)聚乙烯材料代替；外包帶層使用的是阻燃PET。電纜具體材料參數(shù)見表2。

表2 電纜材料參數(shù)

從表中可以看出交聯(lián)聚乙烯的張力強(qiáng)度最小，也就是說使用交聯(lián)聚乙烯的部分最容易發(fā)生機(jī)械損傷。

因?yàn)樾履茉雌囓囕d高壓電纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于多組件，電纜模型屬于具有復(fù)雜拓?fù)潢P(guān)系的模型，采用通用接觸對模型設(shè)置接觸條件；電纜在制造過程中，導(dǎo)體之外的部分采用了擠包的工藝，接觸面之間并非均勻接觸，接觸面也并非光滑，摩擦類型采用庫侖摩擦模型，滑動(dòng)摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3，動(dòng)摩擦因數(shù)設(shè)置為0.4。

新能源汽車車載高壓電纜在狹小的空間中的主要力學(xué)狀態(tài)是拉伸和彎曲，所以文中對電纜主要進(jìn)行拉伸和彎曲分析，觀察拉伸和彎曲對電纜產(chǎn)生的效果，以該效果為參考，分析拉伸和彎曲對電纜可能造成的影響。主要的分析方法是一端固定，一端施加位移約束。分析電纜拉伸狀態(tài)時(shí)，電纜模型的軸向長度為50 mm，考慮到在實(shí)際的工作環(huán)境中，電纜的拉伸程度比較輕微，所以文本施加3 mm的軸向位移，用來觀察拉伸作用對電纜造成的效果。分析電纜彎曲狀態(tài)時(shí)，彎曲狀態(tài)是電纜在車內(nèi)空間的常態(tài)，文中電纜模型的長度為50 mm，為模擬彎曲狀態(tài)，可在電纜移動(dòng)端施加切向(平行于紙面方向)位移，以移動(dòng)15 mm對電纜造成的彎曲效果進(jìn)行分析[5]。

2 仿真效果及分析

2.1 電纜纜芯的有限元分析

新能源汽車車載高壓電纜的纜芯是電纜中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分，它由多根銅導(dǎo)線相互絞合而成，絞合方式為1+6，每股銅導(dǎo)體的直徑大約為4 mm，整體的絞合外徑為12.4 mm，絞合結(jié)構(gòu)使得整個(gè)電纜擁有很好的靈活性和整形的運(yùn)用，使電纜更加適用于較短的距離。所以為了得到拉伸、彎曲作用對電纜產(chǎn)生的效果，就必須單獨(dú)對車載高壓電纜的纜芯進(jìn)行有限元分析，觀察纜芯在拉伸和彎曲狀態(tài)下的變形情況，分析方法與電纜整體的分析方法基本相同，不過由于絞合結(jié)構(gòu)會(huì)提高纜芯的力學(xué)性能，所以彎曲狀態(tài)下，施加15 mm的切向位移。圖4為對電纜線芯三維模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖4 纜芯網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

使用有限元得到在拉伸和彎曲狀態(tài)下的纜芯模型的整體形變云圖如圖5和圖6所示。

圖5 纜芯拉伸形變云圖

圖6 纜芯彎曲形變云圖

從電纜纜芯整體和自由端面部分的觀察和分析，纜芯部分的應(yīng)力分布是不均勻的，圖5中纜芯處于拉伸狀態(tài)下，從整體上觀察，應(yīng)力較大部分幾乎分布在受到拉力的右端，最大應(yīng)力大約為6.5×106Pa，小于抗拉強(qiáng)度3.9×108Pa，導(dǎo)體拉長5 mm，沒有發(fā)生機(jī)械損傷，從端面處觀察纜芯結(jié)構(gòu)雖然是對稱且均勻的，但是應(yīng)力分布不是沿著圓周對稱均勻分布，每股導(dǎo)線上的應(yīng)力也是不均勻分布，纜芯中心的部位應(yīng)力較大，大約為3.6×106Pa，這是因?yàn)槭┘拥氖嵌嗣孑d荷，導(dǎo)體沒有像實(shí)際環(huán)境中那樣受到擠壓作用。圖6中纜芯處于彎曲狀態(tài)下，應(yīng)力較大的位置幾乎分布在纜芯兩端，相比較于其他部位纜芯兩端的變形最大，這會(huì)產(chǎn)生一定程度的軸向運(yùn)動(dòng)。

該纜芯模型是簡化后的模型，實(shí)際上每根導(dǎo)體都是由多根銅導(dǎo)線組成的，銅導(dǎo)體采用電纜國家標(biāo)準(zhǔn)的6類導(dǎo)體，單絲直徑較小，根數(shù)較多。導(dǎo)線上應(yīng)力的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致纜芯有相互分離和軸向滑動(dòng)的趨勢。新能源汽車車中的空間比較狹小，使用的電纜的長度不會(huì)太長，因此電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的這種相互分離和滑移的趨勢不能忽略，這可能影響到電纜和纜頭的連接，造成電纜故障，無法正常使用[3]。

2.2 整體電纜的分析

對模型整體進(jìn)行求解，得到的拉伸和彎曲效果如圖7和圖8所示。

圖7 電纜拉伸形變云圖

圖8 電纜彎曲形變云圖

從圖7中可以看到新能源汽車車載高壓電纜在拉伸狀態(tài)下的變形情況，應(yīng)力集中、形變最大的位置大概位于電纜中間部位，圖7中下凹偏左位置，最大應(yīng)力為7.1×105Pa，沒有達(dá)到張力強(qiáng)度1.8×107Pa，說明此時(shí)護(hù)套部分以及電纜整體都沒有發(fā)生損傷，應(yīng)力從中心向兩邊逐漸減小，兩端的應(yīng)力小。這表明在拉伸的效果下，電纜的中心部位是容易變形也是變形最大，容易出現(xiàn)裂紋等機(jī)械損傷的部位。從圖8中可以看出，新能源汽車車用電纜在彎曲狀態(tài)下應(yīng)力分布情況，應(yīng)力比較大的地方在發(fā)生彎曲的上端和下端，應(yīng)力值大約是1.1×105Pa，側(cè)面應(yīng)力相對較小，大約是1.3×104Pa，沒有達(dá)到張力強(qiáng)度1.8×107Pa，這是因?yàn)樵趶澢鸂顟B(tài)下，彎曲部分分別受到拉伸和擠壓的作用。

將圖6和圖8進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)纜芯和整體電纜的應(yīng)力和形變分布規(guī)律不一樣，這是因?yàn)殡娎|纜芯采用的是絞合結(jié)構(gòu)，相比于電纜整體直放，絞合結(jié)構(gòu)有更好的抗拉強(qiáng)度和彎曲性能。

根據(jù)圖7和圖8以及上述分析，可以得出如下結(jié)論：隨著電纜拉伸或彎曲程度的增大，相較于其他部位，電纜的中間位置容易產(chǎn)生裂紋或者其他類型的機(jī)械損傷，而且機(jī)械損傷會(huì)逐漸加劇，這種損傷會(huì)加快水分浸入電纜、吸附、擴(kuò)散和遷移過程。電纜介質(zhì)在電場、水分和雜質(zhì)等絕緣缺陷的協(xié)同作用下，本就會(huì)逐步產(chǎn)生樹枝狀早期劣化，機(jī)械損傷會(huì)大大加快這個(gè)過程，當(dāng)樹枝狀劣化貫穿介質(zhì)或轉(zhuǎn)變成電樹枝，將導(dǎo)致電力電纜線路的電纜本體或附件發(fā)生試驗(yàn)或運(yùn)行擊穿故障[6-7]。

3 結(jié)論

文中探索利用有限元分析方法，建立新能源汽車車用電纜的有限元模型，通過相關(guān)的計(jì)算得到電纜在拉伸和彎曲狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)電纜在拉伸和彎曲狀態(tài)下時(shí)，較大的應(yīng)力和應(yīng)變往往會(huì)在某一部位持續(xù)發(fā)生，向周圍逐漸擴(kuò)展并減小，電纜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生分離和軸向移動(dòng)，根據(jù)這些結(jié)論分析了電纜可能產(chǎn)生的損傷以及損傷帶來的后果。根據(jù)拉伸和彎曲作用對纜芯產(chǎn)生的效果，可以得出電纜纜芯采用絞合結(jié)構(gòu)可以提高電纜纜芯力學(xué)性能的結(jié)論。文中的結(jié)論可以為新能源汽車相關(guān)的研究提供一定的方法和思路。