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

【摘 要】汽車柔性線束在設計過程中缺乏仿真工具，無法進行動靜態受力分析，導致出現線束干涉磨損、設計走向與實物有偏差等問題。文章基于IPS仿真軟件，以某車型線束系統為例，建立部分動、靜態仿真模型，并進行試驗驗證，探究仿真技術的優勢，為汽車柔性線束設計提供支持。

【關鍵詞】IPS；線束；柔性管線；動態仿真

中圖分類號：U463.62 文獻標識碼：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的重要組成部分，連通汽車上各個位置的電器件，是車輛正常行駛、電器件正常運行的關鍵部件。隨著車輛配置需求的不斷提升，電器設備不斷增加，線束數量也隨之增加，給線束布置帶來了不小的挑戰。傳統的線束布置設計主要使用CATIA進行，根據工程師的經驗設計布置方案，無法對線束動態失效風險進行評估，造成實車試驗時管線與設計狀態不符，導致干涉磨損的情況發生[1]。

線束仿真軟件IPS基于柔性管線分析理論，在軟管、電纜和復雜線束的設計優化及品質控制中得到了廣泛應用，尤其是在汽車、軍工和航空等領域中已得到了成功的應用和驗證[2]。本文基于IPS仿真軟件，以某車型右前圍線束為例，進行建模與運動仿真分析研究，并通過與實車狀態對比，證明該方法的可靠性，為汽車柔性線束設計提供支持。

2 線束設計流程

2.1 傳統線束設計流程

傳統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，主要應用的設計軟件為CATIA。CATIA軟件只能進行普通的DMU運動分析，無法描述出線束自身材料剛度、扭轉情況，以及在有重力情況下自身運動及受力狀況，導致線束設計初期無法通過軟件手段進行全面的模擬仿真分析，相關驗證主要靠長時間的動態路試和售后反饋。

使用傳統方式進行線束布置設計，主要存在以下問題。

1）缺乏柔性線束運動仿真分析。傳統方式無法分析柔性線束運動特性，針對動態干涉、運動甩動等問題無法在設計階段分析。

2）缺乏動、靜態受力分析方法。線束端子受力、折彎受力和支架固定受力等難以分析，導致實車線束受力過大產生故障。

3）線束3D設計走向與實車存在偏差。未考慮線束剛度特性及重力等因素，導致設計與實車狀態不符。

2.2 IPS柔性線束設計流程

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

IPS基于Cosserat Rod理論，融合剪切剛度、拉伸剛度、彎曲剛度和扭轉剛度等屬性，兼顧重力因素，建立柔性管線的數學模型，通過設定材料屬性和受力情況，模擬在運動過程中柔性管線的運動走向、運動范圍和各項失效準則下的實時測量值等，可以直觀地觀察在各類運動工況下的線束行為和失效形式。IPS Cable數據分析流程如圖1所示，通過IPS軟件靜態驗證、動態驗證、裝配驗證和線束受力分析等功能模塊，可實時、動態地進行線束仿真分析驗證及優化設計[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重點、難點區域。且駕駛室翻轉過程中，右前圍部分線束受力發生變化，使用傳統設計方式難以分析。現針對某車型右前圍線束，基于IPS建立線束模型進行動、靜態仿真分析及優化研究。

3.1 CAD數據建立及線束物理參數獲得

CAD數據包含線束數據和周邊環境數據。IPS可導入CATIA、NX、PTX等三維設計軟件模型及運動文件。線束數據本文采用CATIA設計文件導入IPS，自動搜尋路徑賦予線束參數直接生成模型。周邊環境數據通過CATIA另存為wrl格式文件導入IPS中。

新創建的線纜均需要設置長度、外徑、彎曲剛度、扭轉剛度、拉伸剛度等參數，方可進行虛擬仿真分析。具體參數獲取的方法有兩種，可以通過試驗測試獲取，也可用軟件內部的工具Wiring Harness計算獲取。本文通過實測數據導入，某線束物理參數見表1。

3.2 柔性線束及其運動建模

IPS具備多個路徑點坐標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創建柔性線束，滿足對不同設計要求下材料參數選取的要求。

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

IPS中數模等創建完善后，需要增加運動約束再現動態場景。運動約束創建方式有兩種形式：通過IPS軟件進行創建移動、轉動等約束副；通過CATIA等三維軟件創立約束，然后導入IPS中。本文直接在IPS中創建運動副，根據駕駛室翻轉的運動形式，在數模中找到翻轉軸建立坐標，輸入實際翻轉過程中各系統運動參數及運動位移，生成運動。

3.3 仿真分析

對某車型右前圍線束的柔性線束進行動態仿真分析，可快速、實時測量線束變形長度、應力分布、彎曲半徑、扭轉角度等特性，方便對特性變化進行實時分析，并通過分析仿真結果進行設計優化。仿真分析結果數據測量如圖3所示。

選擇線束長度、線束受力、彎曲半徑、線束距離保險杠最小間隙值進行分析，可輸出相關曲線圖及運動包絡等文件。根據仿真結果，對線束設計狀態，包括長度、固定方式等進行調整優化，直至達到設計指標值。優化后仿真分析曲線圖如圖4所示。

根據仿真曲線，可得整個仿真過程中優化后的線束長度最大值相對線束設計長度，變化小于2%，線束長度設置合理。最大受力為29.5N，最大轉彎半徑為48.4mm，最小間隙值大于10mm，均滿足設計要求。通過對案例分析優化結果與實際裝車狀態進行對比，線束虛擬驗證結果與實際車輛狀態吻合，仿真結果及精度滿足使用要求。

4 總結

本文基于IPS仿真軟件，對某車型右前部線束進行分析驗證。通過輸入測量的線束實際物理屬性，根據實際駕駛室翻轉運動形式，建立模型進行動態仿真研究，并對線束受力、轉彎半徑、運動間隙等參數進行分析。仿真結果表明，線束仿真參數值滿足設計要求，IPS在設計過程中優化線束基本參數作用明顯，使用IPS進行設計可縮短開發周期，提升汽車線束設計的可靠性。

參考文獻：

[1] 徐承遠，趙寧，陳瑋. 基于虛擬現實的柔性管線布局設計技術研究[J]. 新技術新工藝，2020（11）：47-53.

[2] 衛聰敏，張三磊，王光耀，等. 汽車柔性管線運動仿真分析技術及其應用[J]. 計算機輔助工程，2019，28（3）：14-17.

[3] 朱東偉，王勻，郭玉亮，等. 基于柔性管線分析理論的軌道車輛跨接線束IPS設計及可靠性研究[J]. 中國工程機械學報，2020，18（2）：142-147.

[4] 何林英，傅嘯龍，張春朋. 汽車懸架柔性管線防扭轉設計方法[J]. 汽車實用技術，2021，46（24）：52-56.

[5] 韋思亮. 汽車線束設計基于IPS模擬仿真的應用[J]. 汽車電器，2018（7）：50-52.

（編輯 楊凱麟）