基于DFSS 方法的汽車蓄電池線碰撞驗證方法研究

鄭榮豪， 仇宗來， 孫 競

（泛亞汽車技術中心有限公司， 上海 201201）

1 前言

隨著經(jīng)濟的快速增長，汽車日益成為出行最主要的交通工具。根據(jù)中國制造2025統(tǒng)計［1］，2017年汽車銷售達到2438萬輛。汽車給人們帶來便捷的同時，也帶來了不容忽視的安全問題。據(jù)交通部統(tǒng)計，中國每年發(fā)生交通事故50萬起，因交通事故死亡人數(shù)超過10萬人，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法點爆也是造成交通事故死亡的一大因素［2］。

目前國內和國際對碰撞標準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準及規(guī)范。目前國內使用的C-NCAP （2018版） 定義了汽車在碰撞后，要保證氣囊正常點爆，雙閃點亮，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過程中保持正常工作狀態(tài)，不能出現(xiàn)短路或斷路的情況。

本文對某廠商的碰撞試驗進行梳理，共梳理了25個項目的碰撞結果，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)10個項目（40%） 都不同程度地出現(xiàn)了蓄電池線損傷，其中8個項目由于蓄電池線損傷導致整車電壓降異常。根據(jù)SDM性能要求，在碰撞后的100ms以內，當電壓降異常時，整車氣囊就有可能無法正常點爆。

針對蓄電池線碰撞后發(fā)生短路和斷路問題，本文研究了新的驗證方式，對設計保護后的蓄電池線進行碰撞PV試驗，確保保護后的蓄電池線滿足碰撞性能要求。這種新的碰撞驗證方式需滿足與整車的碰撞工況一致，以保證試驗有效。

圖1 碰撞后蓄電池線狀態(tài)及整車碰撞結果

2 概念開發(fā)

本文研究的蓄電池線碰撞驗證方法，是為了驗證第一輪碰撞失效蓄電池線的保護方案是否有效。避免再次進行整車碰撞試驗后發(fā)現(xiàn)仍然不合格，再對蓄電池線進行設計優(yōu)化，導致開發(fā)成本增加和開發(fā)周期延長。對于新的碰撞驗證方法，主要從兩方面評價與整車碰撞試驗的一致性，分別是碰撞能量的輸入和碰撞結果的輸出。

對于碰撞試驗，目前有正碰、側碰及后碰等工況，每種不同的工況對于車內零件的影響都不同，需要根據(jù)不同的碰撞工況，分析對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。因而需要對不同工況下整車碰撞的沖擊力和沖擊速度進行分析，將其轉換成新的碰撞驗證方法的輸入。

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

所以需要從輸入和輸出兩方面考核新的碰撞驗證方法是否有效。

2.1 CAE碰撞仿真驗證

汽車碰撞是瞬態(tài)的大變形和大位移的過程，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)，對于復雜非線性系統(tǒng)的仿真計算則需要動態(tài)非線性有限元方法［4］。

目前對于汽車碰撞的CAE仿真分析主要通過有限元軟件實現(xiàn)。利用軟件對分析對象進行物理屬性的賦予，同時對其進行網(wǎng)格劃分。根據(jù)整車碰撞工況對碰撞位置進行沖擊速度和沖擊力賦予，通過軟件計算，能夠較好得到零件碰撞姿態(tài)，如圖2所示。同時零件也能比較準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［5］。

圖2 CAE碰撞分析圖

2.2 落錘臺架驗證

根據(jù)整車碰撞試驗的特征，臺架需要提供相應的沖擊力及沖擊速度，對蓄電池線進行沖擊碰撞。對目前試驗室資源進行調研，發(fā)現(xiàn)某護套供應商有落錘試驗臺，如圖4所示。該試驗臺通過落錘質量、落錘高度、落錘刀片頭厚度的調整，實現(xiàn)與整車碰撞工況的復現(xiàn)。同時，該試驗臺還具備沖擊力實時監(jiān)測、短路監(jiān)測及高速攝像功能，這些功能可以實時記錄碰撞過程中的蓄電池線狀態(tài)。

圖3 蓄電池線結構示意圖

圖4 落錘臺架示意圖

該臺架的落錘高度及落錘質量需要根據(jù)整車碰撞試驗對于蓄電池線的沖擊力及沖擊速度決定。目前整車碰撞試驗無法對單點進行沖擊力和沖擊速度的實時監(jiān)測，故該臺架的最大缺陷就是輸入不明確導致試驗準確性不高。

2.3 方案確認

目前潛在方案分別是CAE仿真分析和落錘臺架試驗?，F(xiàn)對兩種方案進行對比，從輸入一致性、輸出一致性、試驗周期及費用，以及試驗可重復性等方面進行對比。利用普氏分析表格對其進行對比分析，對比表格如表1所示。

表1 CAE仿真與臺架試驗對比

根據(jù)以上2個維度的考核項對比發(fā)現(xiàn)，兩種驗證方式各有優(yōu)缺點。其中在試驗輸入設置的一致性方面，CAE仿真能夠更加精確。另外一方面，臺架試驗的試驗輸出及試驗費用都優(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］，從以上兩個方案的優(yōu)缺點可以考慮運用hybrid的方式創(chuàng)造新的更好的方案。所以最終選擇試驗輸出更加精確的臺架試驗作為基礎方案進行進一步優(yōu)化，同時根據(jù)CAE仿真分析，確定臺架試驗的參數(shù)。

3 設計優(yōu)化

汽車蓄電池線在整車碰撞試驗的表現(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。由于臺架試驗是基于落錘的自由落體產生沖擊力和沖擊速度，所以整車碰撞試驗的參數(shù)轉化為臺架試驗的參數(shù)設置如圖5所示，主要轉化為落錘的高度、質量和接觸蓄電池線的刀片厚度。落錘試驗臺示意圖如圖6所示。

DFSS在優(yōu)化設計階段的主要目標是通過對設計參數(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程中及碰撞完成后的狀態(tài)，確認蓄電池線設計是否滿足整車碰撞要求。根據(jù)設計參數(shù)、響應和噪聲分析，繪制參數(shù)圖如圖7所示。

圖6 落錘試驗臺控制因子及噪聲

3.1 CAE分析

根據(jù)整車碰撞試驗的工況，對CAE碰撞分析進行參數(shù)設置，同時對第1次整車碰撞試驗的失效位置進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，同時考慮受力時間，通過曲線積分運算，換算成落錘質量和高度分別為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 試驗設計

根據(jù)CAE仿真換算后的落錘質量、高度及刀片厚度，將其轉換成三控制因子兩水平的試驗，如表2所示。同時，根據(jù)落錘刀片的安裝工藝，確定2個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，對臺架進行全因子試驗，試驗結果如表3所示。由于該項目第1次整車碰撞試驗造成蓄電池線受力點破損并且芯線斷絲4根，根據(jù)全因子試驗結果發(fā)現(xiàn)，目前的試驗沒有一組符合斷絲4根的要求，需要調整試驗參數(shù)進行第2輪試驗設計。

表2 三控制因子兩水平試驗

表3 試驗結果

根據(jù)DFSS方法，基于試驗結果計算每個控制因子的信噪比S/N，并繪制S/N點圖如圖10所示。其中A因子代表落錘質量，B因子代表落錘高度，D因子代表刀片厚度。根據(jù)S/N點圖可知，B因子即落錘高度對該系統(tǒng)的影響最大。所以第2輪試驗保持落錘質量5.55kg，刀片厚度2mm不變，同時調整落錘高度。繼續(xù)進行4組試驗，試驗結果如表4所示。發(fā)現(xiàn)試驗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11的參數(shù)作為最終優(yōu)化后參數(shù)。

圖10 S/N點圖

表4 第2輪試驗結果

4 確認

在確認階段，主要通過批量的試驗，檢查蓄電池線在臺架試驗后是否與整車碰撞試驗有一致的失效表現(xiàn)。經(jīng)過10輪100批次的試驗，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，確認優(yōu)化后的落錘臺架能模擬整車碰撞試驗。

為了避免優(yōu)化后的蓄電池線在下一輪整車碰撞試驗后仍然出現(xiàn)破損等失效情況，可以將優(yōu)化后的蓄電池線進行落錘臺架試驗，評估蓄電池線狀態(tài)。根據(jù)10批次的試驗發(fā)現(xiàn)，保護后的蓄電池線均未出現(xiàn)破損情況，同時試驗臺的短路檢測也未發(fā)現(xiàn)蓄電池線存在破皮短路情況。試驗臺及臺架試驗后的蓄電池線如圖11所示。

圖11 落錘試驗臺及臺架試驗后蓄電池線狀態(tài)

優(yōu)化保護后的蓄電池線再次進行整車碰撞驗證，未發(fā)現(xiàn)有破損短路等情況，蓄電池線狀態(tài)與臺架試驗后狀態(tài)一致。所以確認了優(yōu)化后的落錘臺架能夠復現(xiàn)整車碰撞試驗工況，其對碰撞失效蓄電池線的優(yōu)化設計驗證具有重要意義。

5 總結

本文主要針對碰撞失效的蓄電池線，提出一種新的驗證方法對優(yōu)化保護后的蓄電池線進行碰撞驗證，確認優(yōu)化方案是否能夠對蓄電池線提供有效合理的保護。本文提出的碰撞驗證方法基于落錘臺架，同時根據(jù)CAE仿真分析得到碰撞輸入?yún)?shù)，同時運用DFSS方法對碰撞參數(shù)進行優(yōu)化，使臺架試驗與整車碰撞試驗相匹配。這種創(chuàng)新型的碰撞驗證方法相對整車碰撞試驗，驗證周期短，可重復性高，成本低。對第1輪整車碰撞失效蓄電池線保護方案的驗證具有非常重要的現(xiàn)實意義。