基于IPS的汽車柔性線束仿真分析

收稿日期：2024-05-08

作者簡介

高源（1992—），男，工程師，從事整車電器線束設(shè)計(jì)工作；任思維（1995—），男，助理工程師，碩士，從事汽車電器線束設(shè)計(jì)工作；謝成武（1994—），男，助理工程師，從事線束布置產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作；楊朋飛（2000—），男，助理工程師，從事汽車線束方案設(shè)計(jì)與研究工作；馬嘉樂（2001—），男，助理工程師，從事商用車線束方案設(shè)計(jì)與研究工作。

【摘 要】汽車柔性線束在設(shè)計(jì)過程中缺乏仿真工具，無法進(jìn)行動靜態(tài)受力分析，導(dǎo)致出現(xiàn)線束干涉磨損、設(shè)計(jì)走向與實(shí)物有偏差等問題。文章基于IPS仿真軟件，以某車型線束系統(tǒng)為例，建立部分動、靜態(tài)仿真模型，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，探究仿真技術(shù)的優(yōu)勢，為汽車柔性線束設(shè)計(jì)提供支持。

【關(guān)鍵詞】IPS；線束；柔性管線；動態(tài)仿真

中圖分類號：U463.62 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）07-0079-02

Simulation and Analysis of Automotive Flexible Harness Based on IPS

GAO Yuan，REN Siwei，XIE Chengwu，YANG Pengfei，MA Jiale

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.，Ltd.，Xi'an 710200，China）

【Abstract】In the design process of automotive flexible wire harness，there is a lack of simulation tools，and dynamic and static force analysis cannot be carried out，resulting in problems such as interference and wear of wire harness，deviation between the design trend and the actual object，etc. Based on IPS simulation software，this papertaking a vehicle harneQjSJBKx7cFWdANzbnYMpyA4EAwiUrGfDMb190M+JgZI=ss system as an example，a partial dynamic and static simulation model is established and verified by experiments to explore the advantages of simulation technology and provide support for the design of vehicle flexible harness.

【Key words】IPS；harness；flexible pipeline；dynamic simulation

1 引言

汽車線束是汽車電器系統(tǒng)的重要組成部分，連通汽車上各個(gè)位置的電器件，是車輛正常行駛、電器件正常運(yùn)行的關(guān)鍵部件。隨著車輛配置需求的不斷提升，電器設(shè)備不斷增加，線束數(shù)量也隨之增加，給線束布置帶來了不小的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的線束布置設(shè)計(jì)主要使用CATIA進(jìn)行，根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)布置方案，無法對線束動態(tài)失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，造成實(shí)車試驗(yàn)時(shí)管線與設(shè)計(jì)狀態(tài)不符，導(dǎo)致干涉磨損的情況發(fā)生[1]。

線束仿真軟件IPS基于柔性管線分析理論，在軟管、電纜和復(fù)雜線束的設(shè)計(jì)優(yōu)化及品質(zhì)控制中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在汽車、軍工和航空等領(lǐng)域中已得到了成功的應(yīng)用和驗(yàn)證[2]。本文基于IPS仿真軟件，以某車型右前圍線束為例，進(jìn)行建模與運(yùn)動仿真分析研究，并通過與實(shí)車狀態(tài)對比，證明該方法的可靠性，為汽車柔性線束設(shè)計(jì)提供支持。

2 線束設(shè)計(jì)流程

2.1 傳統(tǒng)線束設(shè)計(jì)流程

傳統(tǒng)線束布置主要考慮線束的三維特征，即線束直徑、長度、折彎半徑等，主要應(yīng)用的設(shè)計(jì)軟件為CATIA。CATIA軟件只能進(jìn)行普通的DMU運(yùn)動分析，無法描述出線束自身材料剛度、扭轉(zhuǎn)情況，以及在有重力情況下自身運(yùn)動及受力狀況，導(dǎo)致線束設(shè)計(jì)初期無法通過軟件手段進(jìn)行全面的模擬仿真分析，相關(guān)驗(yàn)證主要靠長時(shí)間的動態(tài)路試和售后反饋。

使用傳統(tǒng)方式進(jìn)行線束布置設(shè)計(jì)，主要存在以下問題。

1）缺乏柔性線束運(yùn)動仿真分析。傳統(tǒng)方式無法分析柔性線束運(yùn)動特性，針對動態(tài)干涉、運(yùn)動甩動等問題無法在設(shè)計(jì)階段分析。

2）缺乏動、靜態(tài)受力分析方法。線束端子受力、折彎受力和支架固定受力等難以分析，導(dǎo)致實(shí)車線束受力過大產(chǎn)生故障。

3）線束3D設(shè)計(jì)走向與實(shí)車存在偏差。未考慮線束剛度特性及重力等因素，導(dǎo)致設(shè)計(jì)與實(shí)車狀態(tài)不符。

2.2 IPS柔性線束設(shè)計(jì)流程

柔性管線分析理論，即Cosserat Rod模型，指對于細(xì)長的柔性體，假設(shè)橫截面始終是剛性平面，則在其運(yùn)動過程中，運(yùn)動形態(tài)可看作沿中心線的移動與轉(zhuǎn)動組成，且長度方向的受力大于橫截面另外兩個(gè)方向。Cosserat Rod理論適用于計(jì)算細(xì)長形狀管線剪切、拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)變形。傳統(tǒng)Cosserat Rod理論只能進(jìn)行柔性管線的布置，無法進(jìn)行CAE仿真分析，因此，對各種運(yùn)動狀態(tài)下的線束行為以及風(fēng)險(xiǎn)失效情況缺少判斷[3-4]。

IPS基于Cosserat Rod理論，融合剪切剛度、拉伸剛度、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度等屬性，兼顧重力因素，建立柔性管線的數(shù)學(xué)模型，通過設(shè)定材料屬性和受力情況，模擬在運(yùn)動過程中柔性管線的運(yùn)動走向、運(yùn)動范圍和各項(xiàng)失效準(zhǔn)則下的實(shí)時(shí)測量值等，可以直觀地觀察在各類運(yùn)動工況下的線束行為和失效形式。IPS Cable數(shù)據(jù)分析流程如圖1所示，通過IPS軟件靜態(tài)驗(yàn)證、動態(tài)驗(yàn)證、裝配驗(yàn)證和線束受力分析等功能模塊，可實(shí)時(shí)、動態(tài)地進(jìn)行線束仿真分析驗(yàn)證及優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。

3 汽車電器線束仿真模型分析

商用車駕駛室防火墻下部的右前圍部分，線束多、線徑粗，是整車線束布置的一個(gè)重點(diǎn)、難點(diǎn)區(qū)域。且駕駛室翻轉(zhuǎn)過程中，右前圍部分線束受力發(fā)生變化，使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式難以分析?，F(xiàn)針對某車型右前圍線束，基于IPS建立線束模型進(jìn)行動、靜態(tài)仿真分析及優(yōu)化研究。

3.1 CAD數(shù)據(jù)建立及線束物理參數(shù)獲得

CAD數(shù)據(jù)包含線束數(shù)據(jù)和周邊環(huán)境數(shù)據(jù)。IPS可導(dǎo)入CATIA、NX、PTX等三維設(shè)計(jì)軟件模型及運(yùn)動文件。線束數(shù)據(jù)本文采用CATIA設(shè)計(jì)文件導(dǎo)入IPS，自動搜尋路徑賦予線束參數(shù)直接生成模型。周邊環(huán)境數(shù)據(jù)通過CATIA另存為wrl格式文件導(dǎo)入IPS中。

新創(chuàng)建的線纜均需要設(shè)置長度、外徑、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、拉伸剛度等參數(shù)，方可進(jìn)行虛擬仿真分析。具體參數(shù)獲取的方法有兩種，可以通過試驗(yàn)測試獲取，也可用軟件內(nèi)部的工具Wiring Harness計(jì)算獲取。本文通過實(shí)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入，某線束物理參數(shù)見表1。

3.2 柔性線束及其運(yùn)動建模

IPS具備多個(gè)路徑點(diǎn)坐標(biāo)信息自動布置線束的能力，支持非圓截面以及可變截面成型線束的能力，可定義多種材料參數(shù)創(chuàng)建柔性線束，滿足對不同設(shè)計(jì)要求下材料參數(shù)選取的要求。

本文使用IPS中的Cable Finder命令創(chuàng)建柔性線纜，IPS軟件中Cable Finder命令可快速捕捉wrl數(shù)模管線走向，生成與實(shí)際情況相符的柔性線束數(shù)模，如圖2所示。

IPS中數(shù)模等創(chuàng)建完善后，需要增加運(yùn)動約束再現(xiàn)動態(tài)場景。運(yùn)動約束創(chuàng)建方式有兩種形式：通過IPS軟件進(jìn)行創(chuàng)建移動、轉(zhuǎn)動等約束副；通過CATIA等三維軟件創(chuàng)立約束，然后導(dǎo)入IPS中。本文直接在IPS中創(chuàng)建運(yùn)動副，根據(jù)駕駛室翻轉(zhuǎn)的運(yùn)動形式，在數(shù)模中找到翻轉(zhuǎn)軸建立坐標(biāo)，輸入實(shí)際翻轉(zhuǎn)過程中各系統(tǒng)運(yùn)動參數(shù)及運(yùn)動位移，生成運(yùn)動。

3.3 仿真分析

對某車型右前圍線束的柔性線束進(jìn)行動態(tài)仿真分析，可快速、實(shí)時(shí)測量線束變形長度、應(yīng)力分布、彎曲半徑、扭轉(zhuǎn)角度等特性，方便對特性變化進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并通過分析仿真結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)測量如圖3所示。

選擇線束長度、線束受力、彎曲半徑、線束距離保險(xiǎn)杠最小間隙值進(jìn)行分析，可輸出相關(guān)曲線圖及運(yùn)動包絡(luò)等文件。根據(jù)仿真結(jié)果，對線束設(shè)計(jì)狀態(tài)，包括長度、固定方式等進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，直至達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)值。優(yōu)化后仿真分析曲線圖如圖4所示。

根據(jù)仿真曲線，可得整個(gè)仿真過程中優(yōu)化后的線束長度最大值相對線束設(shè)計(jì)長度，變化小于2%，線束長度設(shè)置合理。最大受力為29.5N，最大轉(zhuǎn)彎半徑為48.4mm，最小間隙值大于10mm，均滿足設(shè)計(jì)要求。通過對案例分析優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際裝車狀態(tài)進(jìn)行對比，線束虛擬驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)際車輛狀態(tài)吻合，仿真結(jié)果及精度滿足使用要求。

4 總結(jié)

本文基于IPS仿真軟件，對某車型右前部線束進(jìn)行分析驗(yàn)證。通過輸入測量的線束實(shí)際物理屬性，根據(jù)實(shí)際駕駛室翻轉(zhuǎn)運(yùn)動形式，建立模型進(jìn)行動態(tài)仿真研究，并對線束受力、轉(zhuǎn)彎半徑、運(yùn)動間隙等參數(shù)進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明，線束仿真參數(shù)值滿足設(shè)計(jì)要求，IPS在設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化線束基本參數(shù)作用明顯，使用IPS進(jìn)行設(shè)計(jì)可縮短開發(fā)周期，提升汽車線束設(shè)計(jì)的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯 楊凱麟）