Crash modeling of high-voltage cable connectors in electric vehicles
Modélisation de crash de connecteurs de câbles à haute tension dans les véhicules électriques
Résumé
Electric vehicles have to comply with several safety regulations. This includes risks of electrical and fire hazards due to the damage of high-voltage connectors in road traffic accidents. In order to validate high-voltage (HV) connector protection, a reliable numerical model is required for full-scale crash simulations. This numerical model must reproduce efficiently (accurately within a reasonable CPU time) the physical response of the HV connector during a crash. HV connectors used in electric vehicles have a complex geometry and they are made of the assembly of hybrid multi-materials. Therefore, their accurate modeling necessitates the use of three-dimensional finite element mesh with complex nonlinear material models including contact with friction. Unfortunately, this standard modeling leads to a significant cost in CPU time and therefore is incompatible with the automotive industry requirements for a full-vehicle crash simulation. This thesis presents a new methodology for the development of surrogate numerical models of HV connectors specific for electric vehicles. The resulting surrogate model is based on the use of basic surface features to define the appropriate suitable geometry which will be modeled using shell elements, together with a functionally graded material model to assess the global response. Once the geometry of the surrogate HV connector is generated, most sensitive physical and material parameters are then identified based on experimental measurements. The generalized incremental stress state dependent damage model is implemented under the assumption of plane stress state condition as a UMAT within LS-DYNA explicit software in order to predict the connector failure initiation. The resulting surrogate HV connector model has been validated, by comparison of its solution to those obtained using a standard three-dimensional fine mesh modeling, as well as component and full vehicle crash experiments at Mercedes-Benz Company. The obtained results, including the accurate prediction of the global mechanical response as well as the connectors failure initiation, in a limited computing time and resources, demonstrates the effectiveness of the proposed methodology.
Les véhicules électriques doivent respecter plusieurs règles de sécurité. Cela inclut les risques de dangers électriques et d’incendie dus à l’endommagement des connecteurs électriques haute tension (HT) lors d’accidents de la route. Afin de satisfaire les critères d’homologation de sécurité et la protection des connecteurs HT contre la rupture, un modèle numérique fiable est requis pour les simulations de crash à l’échelle industrielle. Ce modèle numérique doit reproduire efficacement (avec précision et dans un temps CPU raisonnable) la réponse physique du connecteur HT lors d’un crash. Les connecteurs HT utilisés dans les véhicules électriques ont une géométrie complexe et ils sont constitués d’assemblage de multi-matériaux hybrides. Par conséquent, leur modélisation précise nécessite l’utilisation de maillages en éléments finis tridimensionnels avec des modèles de lois de comportement non linéaires complexes incluant le contact et frottement. Malheureusement, cette modélisation standard entraîne un coût important en temps CPU et est donc incompatible avec les exigences de l’industrie automobile pour une simulation de crash à l’échelle d’un véhicule complet. Cette thèse présente une nouvelle méthodologie pour le développement de modèles numériques de substitution de connecteurs HT spécifiques aux véhicules électriques. Le modèle de substitution résultant est basé sur l’utilisation de formes surfaciques de base pour définir la géométrie appropriée qui sera modélisée à l’aide d’éléments de coque, ainsi qu’un modèle de matériau à gradient de fonctionnalité pour évaluer la réponse globale. Une fois la géométrie du connecteur HT de substitution générée, les paramètres physiques et de matériau les plus sensibles sont ensuite identifiés sur la base de mesures expérimentales. Le modèle d’endommagement incrémental généralisé dépendant de l’état de contrainte est mis en œuvre avec l’hypothèse de contraintes planes comme une UMAT dans le logiciel de dynamique explicite LS-DYNA afin de prédire l’initiation de la défaillance du connecteur. Le modèle de connecteur HT de substitution résultant a été validé, en comparant sa solution à celles obtenues à l’aide d’une modélisation tridimensionnelle détaillée utilisant un maillage fin, ainsi que des expériences de crash de composants et de véhicules complets chez Mercedes-Benz. Les résultats obtenus, concernant la prédiction précise de la réponse mécanique globale ainsi que l’initiation de rupture de connecteurs, le tout obtenu dans un temps et des ressources de calcul limités, démontrent l’efficacité de la méthodologie proposée.
