小伙伴們Hummer EV高壓線束淺析已經(jīng)在路上啦，過段時間發(fā)布。

編輯淺析文章時此車型出現(xiàn)一個不大不小(并不)的失效——高壓連接器可能會腐蝕并允許水泄漏到高壓電池中。電池包密封失效從早期Leaf到目前的Hummer EV均存在，雖然問題根本原因不盡相同，但基本和密封件設(shè)計與適配脫離不了干系。

本文針對密封失效模式的規(guī)避進行擴展，只不過這次不按照以前的方向去重點分析后市場解決策略。我們換一個方向看看如何通過前期設(shè)計仿真最大程度降低密封失效帶來的風(fēng)險，以做拋磚引玉。

下文分析及圖片含文本不代表下述提及車型的最終量產(chǎn)狀態(tài)，也不代表下述提及技術(shù)的普遍或偶然的任何情況，僅做簡單的分析和討論。

防水失效及處置

424輛2022年款GMC Hummer EV和BrightDrop EV600高壓接插件可能會腐蝕并允許水泄漏到高壓電池中，GMC公布的處置手段：

●涉及的車輛需要更換零件(不推薦)；

●使用密封膠來密封高壓連接器。

為描述便利，以Hummer EV為例進行分析。

失效位置處于電池包與高壓接插件接觸位置，共計五處，前一后四。使用同一廠商接插件，塑料外殼，整車位置及布置方式見下圖。

Hummer EV概覽

處置此失效模式目前多選擇密封膠密封高壓連接器策略，具體操作為： ●關(guān)閉高壓系統(tǒng)，做好絕緣防護，舉升車輛，拆除底部護板，清空高壓頭座附近雜物并斷開連接； ●使用車身溶劑清理高壓插座四周，然后干燥； ●使用發(fā)動機密封膠小心密封高壓集管和四個安裝螺栓的周邊區(qū)域，確保密封區(qū)域至少為 6.5 毫米(1/4 英寸)； ●五個位置按需重復(fù)操作； ●頭座插合，安裝底部護板，開啟高壓系統(tǒng)。

零部件與整車試驗通過的情況下不滿一年電池包高壓關(guān)鍵特性失效即失效，問題原因值得深究，以后文章會加以分析，此文不再展開。

密封仿真參數(shù)

對照實戰(zhàn)案例前，我們簡單討論下密封仿真的相關(guān)設(shè)置參數(shù)。

目前使用密封材料多為硅橡膠材料，具有不同于一般金屬材料的性能。硅橡膠材料在大變形范圍內(nèi)表現(xiàn)出彈性行為，載荷與變形呈非線性關(guān)系。此外，它們在大尺度下具有非線性、不可壓縮的特性，仿真難度相較金屬及塑料制品高一些。

目前仿真參數(shù)解決方向有(以Ansys WB為例，個人經(jīng)驗不做基準(zhǔn))：

●材料參數(shù)使用試驗設(shè)備標(biāo)定或廠商規(guī)格書匹配；

●打開大變形開關(guān)；

●檢查收斂情況，過度震蕩結(jié)果不可靠；

●盡量選用低階單元，但需要保證無中節(jié)點后網(wǎng)格的數(shù)量；

●按需選擇線性單元+非線性網(wǎng)格，推薦搭配四面體與自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)（Nonlinear Adaptive Region）；

●合理設(shè)置子步和時間；

●按需使用U-P（雜交單元）；

●合理設(shè)置重啟動；

案例因為一些原因不做展示，有問題可以私信俺哈。

另外上述參數(shù)選用及詳細理論推薦小伙伴們查閱書籍，包括但不限于： ●有限元仿真及在電連接技術(shù)中的應(yīng)用； ●ANSYS Workbench有限元分析實例詳解 靜力學(xué)+動力學(xué)。

文獻案例分析

理論簡述完成，結(jié)合文獻我們直接看看實例。

根據(jù)Seoul National University of Science and Technology的KyuTae Kang等發(fā)表的文章，闡述了針對對汽車接插件密封圈的密封性能仿真及設(shè)計后續(xù)優(yōu)化方案案例，以推導(dǎo)仿真的匹配性。

根據(jù)理論(具體可參考前文章：好書推薦—接插件設(shè)計制造指南)，隨著密封件的接觸壓力和接觸面積的增加，密封件的防水性能也會提高。但是，如果接觸壓力過大，在長期使用過程中，由于應(yīng)力松弛，接觸壓力會迅速下降，從而導(dǎo)致防水性能迅速下降，同時也存在接插件的插拔力增大及其他問題。反之，如果接觸壓力設(shè)計過低，則難以滿足初始防水等級。

設(shè)計端輸入需要仿真的項目為插頭座密封圈在插頭組裝時及頭座插入時的狀態(tài)與接觸壓力，與標(biāo)準(zhǔn)試樣搭配一定拉伸量進行測試后的力學(xué)性能作比較(密封圈設(shè)計為過盈裝配)，以確定設(shè)計合理性。

仿真目標(biāo)

接插件設(shè)計目標(biāo)為IP69，引用標(biāo)準(zhǔn)為Road Vehicles - Degrees of Protection (IP code) -Protection of Electrical Equipment against Foreign Objects, Water and Access, ISO 20653, 2013，需求接觸壓力＞0.1 MPa，詳細參數(shù)于下圖。這里根據(jù)俺的查詢，文章引用標(biāo)準(zhǔn)中的參數(shù)是有問題的，但是為了文章流暢性暫且放一邊，以仿真擬合度為基準(zhǔn)跟著文章思路繼續(xù)推導(dǎo)。

文章截取

仿真之前先對試樣進行仿真所需參數(shù)進行標(biāo)定，試驗選擇了KS M 6782：“硫化橡膠拉伸試驗方法”中提出的3號啞鈴試件進行制樣，使用 CCD 相機以非接觸方式測量尺寸變化。

測試結(jié)果表明：密封試驗片的應(yīng)力在30%的應(yīng)變下比標(biāo)準(zhǔn)試驗片的應(yīng)力值低30％，會極大影響密封材料的性能，應(yīng)變30%這個參數(shù)基本也是部分材料經(jīng)驗設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)了，大家后續(xù)設(shè)計可以參考，互證文章詳見前文：酸不僅咂嘴，還要漏水！

測試完成后的參數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入仿真軟件，具體參數(shù)：經(jīng)過實際測試曲線與軟件中Mooney Rivlin和 Ogden擬合曲線的對比，選擇Mooney Rivlin模型，Mooney-Rivlin材料常數(shù)D1 =0、C01 =0.241和C10=0.0142。至于為啥這兩種模型選取其中一種以及剩下的其他材料模型的合理選取篇幅有限就不展開啦，大家可以翻閱上述相關(guān)書籍。

其他處理上，因為密封設(shè)計為軸對稱，遂選取四分之一模型降低運算量，密封支撐與壓縮件作為2D殼剛體單元處理，密封圈作為3D 實體處理。整個仿真運動過程分為兩部分，第一部分為密封圈裝入插頭支撐部位，簡化為原地支撐。第二部分為插座壓縮面壓縮密封圈，與實際不同的是，將密封圈給定強制位移裝入插頭座預(yù)定的縫隙之中，且摩擦設(shè)置為0(文獻解釋因密封圈有潤滑油，此處參數(shù)有待商榷)。

仿真結(jié)果：

●第一部分完成后，密封圈的直線部分幾乎沒有接觸壓力，但在彎曲部分的開始處產(chǎn)生了0.3MPa的接觸壓力；

●第二部分完成后，發(fā)現(xiàn)49.1%的最大應(yīng)變率集中分布在密封圈彎曲部分，根據(jù)前文描述壓縮量經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，此處有可能出現(xiàn)應(yīng)力松弛并發(fā)防水失效；

壓縮量結(jié)果

●特別的對第二部分取點分析，發(fā)現(xiàn)下圖中A/B/C三點中，在密封的 A 點到 B 點的部分接觸壓力保持在0.48 MPa，但B點的最小接觸壓力略有下降。此外，確認了從B點到C點對應(yīng)于彎曲部分的接觸壓力高達0.47 MPa(≈4.7 bar)至0.6 MPa(≈6 bar)。因此，由于是最小接觸壓力決定了密封件的氣密性能，因此下部的氣密性能為4.7 bar對應(yīng)于最小接觸壓力。

區(qū)域一接觸壓力

區(qū)域二接觸壓力

●同樣的，在密封的A點到B點的截面，保持1.31 MPa的接觸壓力，B點的最小接觸壓力降低到0.47 MPa，在圓的中間，它增加到1.38 MPa以上，然后在 C 點急劇下降至 1.27 MPa。

在密封件上下的接觸壓力分布中，可以看出密封件上部即最大的接觸壓力大約是密封件下部即最小的三倍。因此，木桶的短板成為問題突破口。

●另外，上A點和下B點的接觸壓力降低被認為是由于密封件彎曲部分發(fā)生過度變形和應(yīng)力不平衡造成的。因此，判斷為在滿足保持密封件的氣密性能的接觸壓力的同時，需要同時考慮最小化應(yīng)力不平衡和變形。

對實物進行驗證，確認約4.3 bar發(fā)生泄漏，印證了仿真結(jié)果。同時與仿真結(jié)果對比，對比4.7 bar誤差約為9%。與初始拉伸對比，圓形部分的有效應(yīng)力和應(yīng)變分別最高，分別為 1.3 MPa 和 50%。這與初始拉伸拉伸時的應(yīng)力應(yīng)變值1.2 MPa和49.1%相差不大，因此認為彎曲部分的應(yīng)力應(yīng)變集中是由于初始拉伸過大所致。

同時對比高溫老化測試，對于與本密封相同的試驗件在120°C 老化500小時后出現(xiàn)應(yīng)力松弛，確認了研究拉伸應(yīng)變發(fā)生在彎曲部分，所以在彎曲部分產(chǎn)生的過度應(yīng)力和應(yīng)變，接插件插拔時密封件會變得松動，出現(xiàn)從密封件滑移和翻卷的問題。

優(yōu)化設(shè)計&碎碎念

根據(jù)上文獻已知參數(shù)推導(dǎo)，滿足接觸壓力＞0.1 MPa且最小化變形成為優(yōu)化目標(biāo)，前述結(jié)果表明目前滿足接觸壓力要求但變形超過預(yù)期(＞30%) 。

優(yōu)化設(shè)計首先確定密封圈設(shè)計的最佳初始張力，具體操作為：將密封初始張力的應(yīng)變從23%依次降低1%至10%，進行仿真分析并配合最大壓力與最小壓力之差盡量小+插合時考慮密封件滾動和上下接觸壓力的分布的疊加條件以確定最佳初始張力，仿真結(jié)果如下圖。

仿真數(shù)據(jù)

由此可以確認選擇11%應(yīng)變率的初始張力是最佳的(如果以此推導(dǎo)配合IP密封標(biāo)準(zhǔn)要求，實際應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)為IP67非前文引用文獻的IP69)。

后續(xù)進行密封截面分析，將下圖所示R1、R2、H1、H2 和 P 等差更改–0.1mm、0mm和 0.1 mm，將 d 等差更改 –0.05 mm、0 mm 和0.05mm同時進行分析，再通過密封關(guān)聯(lián)因子確定密封上部R角與唇口之間的間距對密封的影響較大，通過Minitab 16次交叉分析后得到優(yōu)解。

密封關(guān)聯(lián)因素

關(guān)聯(lián)因子

對比優(yōu)化模型與原模型的表面接觸壓力圖，可以得出結(jié)論：

●在最小和最大接觸壓力點的接觸壓力差值上，最優(yōu)模型中長軸和短軸的接觸壓力比初始模型從 0.19 MPa 下降到 0.11 MPa，對比為密封與支撐面接觸部分；

●與初始模型相比，優(yōu)化模型的長軸和短軸接觸壓力從優(yōu)化模型的0.21 MPa 下降到 0.05 MPa，對比為密封與對插端接觸部分；

●與初始模型相比，上部和下部的最小和最大接觸壓力差分別減少了42%和76%，彎曲部分的最大應(yīng)變減少了33.8%。

優(yōu)化前后對比

此次改進設(shè)計在滿足防水性能的前提下，通過尺寸調(diào)整優(yōu)化密封圈彎曲部分的接觸壓力差，降低密封失效風(fēng)險。

根據(jù)上述文獻不難看出，考慮邊界的密封性能仿真可以對設(shè)計帶來指導(dǎo)性改進，但實戰(zhàn)中個人認為還需要考量：

●將密封圈應(yīng)變和制造特征(公差等因素)帶入計算，求取上下限；

●考慮密封圈所受壓力；

●考慮密封面安全系數(shù)，合理取值；

●按需考慮關(guān)聯(lián)區(qū)域表面粗糙度與表面清潔度。

審核編輯：劉清