基于CATIA的新能源客車線束模塊化設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

胡健濱

(上海申沃客車有限公司,上海 201108)

與傳統(tǒng)燃油客車相比,除動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外,新能源客車個(gè)性化定制需求突出,且智慧化功能日益豐富,這導(dǎo)致傳統(tǒng)的整車線束開(kāi)發(fā)方式已無(wú)法適應(yīng)新能源客車的設(shè)計(jì)需求。目前,乘用車已廣泛采用CATIA作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工程的整車開(kāi)發(fā)工具,包括用于虛擬線束建模、虛擬加工、虛擬生產(chǎn)等,貫穿了整車開(kāi)發(fā)全過(guò)程[1-2]。

因此,針對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式周期長(zhǎng)、效率低、數(shù)據(jù)可靠性差的弊端,本文引入基于CATIA的模塊化設(shè)計(jì)理念,提出一種客車整車線束模塊化分解模型,并以某車型為對(duì)象進(jìn)行線束模塊化設(shè)計(jì)、仿真及實(shí)車效果驗(yàn)證評(píng)價(jià),為后續(xù)新能源客車線束的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及制造提供參考。

1 基于CATIA的線束開(kāi)發(fā)流程簡(jiǎn)介

目前,我國(guó)大部分客車制造企業(yè)的線束開(kāi)發(fā)依然遵循著傳統(tǒng)的線束開(kāi)發(fā)模式[3-5],該模式的流程如圖1所示。

圖1 客車線束傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

在此開(kāi)發(fā)模式下,線束2D數(shù)據(jù)只能在開(kāi)發(fā)后期通過(guò)實(shí)車進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證、修改后鎖定,從而出現(xiàn)周期長(zhǎng)、效率低、重復(fù)性工作量大等痛點(diǎn)問(wèn)題[6]。由此可見(jiàn),傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)新能源客車配置個(gè)性化定制、產(chǎn)品迭代速率快的特點(diǎn),導(dǎo)致車輛在進(jìn)入量產(chǎn)階段仍然存在線束參數(shù)未進(jìn)行驗(yàn)證的問(wèn)題,造成生產(chǎn)線上整車電氣系統(tǒng)可靠性降低。

為解決傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式的痛點(diǎn)問(wèn)題,必須在傳統(tǒng)流程中引入新的驗(yàn)證環(huán)節(jié)。目前,CATIA作為乘用車領(lǐng)域應(yīng)用最廣的線束開(kāi)發(fā)軟件,其在客車行業(yè)的應(yīng)用依然前景廣闊[7-9],引入其作為仿真環(huán)節(jié)是對(duì)傳統(tǒng)線束開(kāi)發(fā)流程的有效補(bǔ)充,基于CATIA的客車線束開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。

圖2 基于CATIA的客車線束開(kāi)發(fā)流程

從圖2可以看出,在傳統(tǒng)線束開(kāi)發(fā)流程中增加了模塊化設(shè)計(jì)和三維仿真環(huán)節(jié)后,可以使得線束開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行自我內(nèi)循環(huán)修正和調(diào)整,在最大程度上確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性。這將極大地減小后續(xù)實(shí)車驗(yàn)證環(huán)節(jié)的工作量,提高了整體的工作效率。

2 線束模塊化設(shè)計(jì)、仿真與驗(yàn)證

2.1 線束模塊化設(shè)計(jì)

引入模塊化設(shè)計(jì)理念是應(yīng)對(duì)客戶個(gè)性化定制需求突出的必然趨勢(shì),這可以有效縮短數(shù)據(jù)二次開(kāi)發(fā)周期,提高數(shù)據(jù)容錯(cuò)度和可靠性,極大程度上避免整車裝配流水線上出現(xiàn)的各類問(wèn)題。

2.1.1 模塊化分解模型

根據(jù)車輛個(gè)性化配置的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),考慮整車電器零部件的迭代頻率、電流參數(shù)、CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、整車結(jié)構(gòu)參數(shù)等建立線束模塊化分解模型。

定義集合A,其元素由各零部件的迭代頻率組成：

A={X│X=n/m}

(1)

式中：X代表集合A的元素;n代表零部件迭代次數(shù);m代表訂單批次數(shù)。

定義集合B,其元素由各零部件電流參數(shù)組成：

(2)

式中：I代表電流。

定義集合C,其元素由節(jié)點(diǎn)的波特率決定：

(3)

因涉及側(cè)圍的線束分支較少,所以將其就近并入頂蓋或底盤,由此定義相關(guān)結(jié)構(gòu)部位集合D：

D={前圍,后圍,頂蓋,底盤}

(4)

根據(jù)式(1)～(4),基于整車結(jié)構(gòu)構(gòu)建映射關(guān)系,得到分解模型如下：

H={Hi=f(A,B,C,D)|i=1,2,3,4}

式中：H代表模塊化線束集合;H1代表前圍線束;H2代表后圍線束;H3代表頂蓋線束;H4代表底盤線束;f(x)代表模型映射規(guī)則。

以新能源城市客車開(kāi)發(fā)平臺(tái)某車型為例,儀表部件安裝于車輛前圍結(jié)構(gòu)上,該車型訂單共10批次,儀表迭代0次,根據(jù)集合A的定義,儀表迭代頻率為0,而ADAS迭代4次,其迭代頻率是0.25,結(jié)合集合B和集合C,得到映射關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 整車線束模塊分解映射

2.1.2 線束模塊化設(shè)計(jì)

基于CATIA的線束裝配設(shè)計(jì)模塊,結(jié)合模塊內(nèi)電氣部件的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及模塊化對(duì)接方式綜合設(shè)計(jì)模塊線束的走向,用以確保線束的安全性和可維護(hù)性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1) 前圍線束模塊設(shè)計(jì)。由表1可知,前圍線束模塊(如圖3所示)中ADAS等配置迭代頻率較高,可做冗余設(shè)計(jì),預(yù)留出固定的接口模塊,該接口模塊中包含了所有變化配置所需要的電信號(hào)參數(shù)、CAN網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和最大的功率線。訂單配置變更時(shí)只需根據(jù)不同配置進(jìn)行過(guò)度線束設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)變更。

圖3 前圍線束模塊

2) 后圍線束模塊設(shè)計(jì)。后艙通常作為動(dòng)力系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)的布置艙,線束設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮后艙的結(jié)構(gòu)和各系統(tǒng)零部件的安裝位置。由表1可知,后圍線束模塊(如圖4所示)中BMS迭代頻率較低,可根據(jù)配置組合將后圍線束系列化,訂單車配置變更時(shí)只需選擇不同系列的線束即可。

圖4 后圍線束模塊

3) 頂蓋線束模塊設(shè)計(jì)。城市客車內(nèi)頂蓋線束主要沿兩側(cè)風(fēng)道敷設(shè),風(fēng)道內(nèi)零部件數(shù)量較少且結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,線束設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮與空調(diào)高壓線束技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求一致的敷設(shè)間隔。從表1中可知,頂蓋線束模塊(如圖5所示)中,360全景環(huán)視等配置迭代頻率較高。根據(jù)360做最高配置的冗余設(shè)計(jì),由此頂蓋線束只需進(jìn)行線束組合和過(guò)度線束設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)變更發(fā)放。

圖5 頂蓋線束模塊

4) 底盤線束模塊設(shè)計(jì)。底架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,且安裝的零部件較多。線束設(shè)計(jì)時(shí)首先確定其主干線的走向及長(zhǎng)度參數(shù),然后根據(jù)各電氣部件安裝位置參數(shù)確定各分支點(diǎn)及分支線束長(zhǎng)度。從表1可知,LCA變道輔助等配置迭代頻率較高,底盤其他部件配置固定,可做成底盤線束模塊(如圖6所示)。LCA變道輔助系統(tǒng)經(jīng)過(guò)梳理,其需要的電信號(hào)、功率參數(shù)和CAN網(wǎng)絡(luò)需求無(wú)明顯區(qū)別,可做最大冗余設(shè)計(jì),參照前模塊線束做各配置的過(guò)度線束設(shè)計(jì),車型配置變更時(shí)只需要選用即可,無(wú)需重復(fù)設(shè)計(jì)。

圖6 底盤線束模塊

2.2 線束DMU空間仿真分析

將線束三維數(shù)據(jù)與各系統(tǒng)整合,基于CATIA的數(shù)字化裝配模塊做線束DMU空間仿真分析,以檢查線束敷設(shè)中是否有干涉、敷設(shè)位置是否有偏差等。仿真分析結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 線束DMU分析結(jié)果1

圖8 線束DMU分析結(jié)果2

CATIA在將線束三維仿真數(shù)據(jù)展平時(shí),需要數(shù)據(jù)是閉環(huán)的,中間的路徑數(shù)據(jù)必須保證與前后路徑保持連接[10],每處分支終端必須有連接器、端子或者配電盒。在CATIA中使用搜索功能實(shí)現(xiàn)對(duì)線束連通性的檢查,檢查結(jié)果如圖9所示。

圖9 線束數(shù)據(jù)連通性檢查結(jié)果

從圖9可知,查出有16個(gè)電氣束段間完全連接的檢查結(jié)果為假,表明這些束段間不連通,需進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)整。

2.3 線束實(shí)車驗(yàn)證

根據(jù)整車線束制造裝配流程,可將線束失效模式按過(guò)程分為制造失效、裝配失效和耐久失效[11-15]。對(duì)新設(shè)計(jì)理念應(yīng)用前后實(shí)車上線束失效模式及發(fā)生頻率、數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 線束失效對(duì)比分析

從表3可知,仿真分析環(huán)節(jié)的引入使線束在整車上的裝配效果得到快速地模擬,有效地降低了線束碰磨干涉、絕緣層磨損、人工拖拽等現(xiàn)象造成的線束失效,極大地提高了線束設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的可靠性、容錯(cuò)度。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前,客車線束的模塊化設(shè)計(jì)及仿真分析還處于起步階段。與傳統(tǒng)的線束開(kāi)發(fā)方式相比,引入CATIA軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)與仿真分析有效提高了開(kāi)發(fā)效率,順應(yīng)了客車客戶對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化定制的需要,提升了整車線束的可靠性和容錯(cuò)度,避免了重復(fù)設(shè)計(jì),降低了開(kāi)發(fā)成本。下一步將在線束模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上考慮新能源整車線束EMC防護(hù),優(yōu)化線束的布置方案。