鄧騰飛，葉永盛，李鍛能，馬平，廖錦仁,王志輝

(1.廣東工業(yè)大學機電學院，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著電動汽車中所有能量的傳輸任務。但是在車內狹小的平臺空間內，電纜使用時不可避免地受到拉伸、彎曲作用，嚴重的可能導致機械故障，從而影響電纜的正常使用[1-2]，所以必須對電纜的機械性能進行研究分析。目前業(yè)內對于電動汽車用電纜主要為線纜結構和材料的研究。對于充電電纜成品機械性能的研究較少[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品新能源汽車車載高壓電纜EV-70 mm2進行拉伸和彎曲狀態(tài)分析，采用SolidWorks建立三維模型，利用Abaqus進行有限元分析，在Abaqus環(huán)境中確定各個部分的材料參數(shù)、接觸類型、網格劃分方式等，得出電纜各部分在拉伸和彎曲狀態(tài)下的應力分布情況和變形情況，并對電纜被拉伸和彎曲的效果進行分析，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構剖面圖如圖1所示。

圖1 電纜結構剖面圖

如圖1所示的新能源汽車車載高壓電纜結構較為復雜，導體由多根裸銅絲絞合而成，以導體1為中心，在其上依次繞包設置內包帶2、絕緣層3、半導電屏蔽層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外擠包設置護套7，形成預成品電纜。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)，電纜的結構和尺寸都比較復雜，復雜的電纜結構在有限元分析中會產生大量的網格，增加計算時間，減小計算效率，在保證精度的前提下對電纜模型做出一定的簡化[4]。電纜的導體由規(guī)格相同的銅絲組成，結構絞合，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，所以忽略編織結構，簡化為薄壁。根據(jù)結構采用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

將模型導入Abaqus軟件，進行網格劃分。電纜的結構比較規(guī)則且較為復雜，利用自由網格劃分技術，采用四面體單元，選擇C3D10M單元模式，網格劃分結果如圖3所示，總體來看，網格沒有發(fā)生畸變，可以進行計算。

圖3 電纜網格劃分結果

在有限元的分析中，材料參數(shù)的準確設置有助于模擬計算的準確性，根據(jù)設計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的材料。導體和編織屏蔽層的材料是銅；內包帶層使用的是尼龍，絕緣層、護套使用的材料是環(huán)保阻燃交聯(lián)聚乙烯XLPE，半導電屏蔽層的材料是半導電交聯(lián)聚乙烯，這4個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)生機械損傷。

因為新能源汽車車載高壓電纜結構復雜，屬于多組件，電纜模型屬于具有復雜拓撲關系的模型，采用通用接觸對模型設置接觸條件；電纜在制造過程中，導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，滑動摩擦因數(shù)設置為0.3，動摩擦因數(shù)設置為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狀態(tài)是拉伸和彎曲，所以文中對電纜主要進行拉伸和彎曲分析，觀察拉伸和彎曲對電纜產生的效果，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，電纜模型的軸向長度為50 mm，考慮到在實際的工作環(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，彎曲狀態(tài)是電纜在車內空間的常態(tài)，文中電纜模型的長度為50 mm，為模擬彎曲狀態(tài)，可在電纜移動端施加切向(平行于紙面方向)位移，以移動15 mm對電纜造成的彎曲效果進行分析[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構最為復雜的部分，它由多根銅導線相互絞合而成，絞合方式為1+6，每股銅導體的直徑大約為4 mm，整體的絞合外徑為12.4 mm，絞合結構使得整個電纜擁有很好的靈活性和整形的運用，使電纜更加適用于較短的距離。所以為了得到拉伸、彎曲作用對電纜產生的效果，就必須單獨對車載高壓電纜的纜芯進行有限元分析，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，不過由于絞合結構會提高纜芯的力學性能，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格劃分結果。

圖4 纜芯網格劃分結果圖

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，應力較大部分幾乎分布在受到拉力的右端，最大應力大約為6.5×106Pa，小于抗拉強度3.9×108Pa，導體拉長5 mm，沒有發(fā)生機械損傷，從端面處觀察纜芯結構雖然是對稱且均勻的，但是應力分布不是沿著圓周對稱均勻分布，每股導線上的應力也是不均勻分布，纜芯中心的部位應力較大，大約為3.6×106Pa，這是因為施加的是端面載荷，導體沒有像實際環(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，這會產生一定程度的軸向運動。

該纜芯模型是簡化后的模型，實際上每根導體都是由多根銅導線組成的，銅導體采用電纜國家標準的6類導體，單絲直徑較小，根數(shù)較多。導線上應力的不均勻分布會導致纜芯有相互分離和軸向滑動的趨勢。新能源汽車車中的空間比較狹小，使用的電纜的長度不會太長，因此電纜內部結構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，最大應力為7.1×105Pa，沒有達到張力強度1.8×107Pa，說明此時護套部分以及電纜整體都沒有發(fā)生損傷，應力從中心向兩邊逐漸減小，兩端的應力小。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)下應力分布情況，應力比較大的地方在發(fā)生彎曲的上端和下端，應力值大約是1.1×105Pa，側面應力相對較小，大約是1.3×104Pa，沒有達到張力強度1.8×107Pa，這是因為在彎曲狀態(tài)下，彎曲部分分別受到拉伸和擠壓的作用。

將圖6和圖8進行對比，發(fā)現(xiàn)纜芯和整體電纜的應力和形變分布規(guī)律不一樣，這是因為電纜纜芯采用的是絞合結構，相比于電纜整體直放，絞合結構有更好的抗拉強度和彎曲性能。

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生裂紋或者其他類型的機械損傷，而且機械損傷會逐漸加劇，這種損傷會加快水分浸入電纜、吸附、擴散和遷移過程。電纜介質在電場、水分和雜質等絕緣缺陷的協(xié)同作用下，本就會逐步產生樹枝狀早期劣化，機械損傷會大大加快這個過程，當樹枝狀劣化貫穿介質或轉變成電樹枝，將導致電力電纜線路的電纜本體或附件發(fā)生試驗或運行擊穿故障[6-7]。

3 結論

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，通過相關的計算得到電纜在拉伸和彎曲狀態(tài)下的應力分布情況，發(fā)現(xiàn)電纜在拉伸和彎曲狀態(tài)下時，較大的應力和應變往往會在某一部位持續(xù)發(fā)生，向周圍逐漸擴展并減小，電纜的內部結構會產生分離和軸向移動，根據(jù)這些結論分析了電纜可能產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生的效果，可以得出電纜纜芯采用絞合結構可以提高電纜纜芯力學性能的結論。文中的結論可以為新能源汽車相關的研究提供一定的方法和思路。