一种用于复杂柔性电缆加工成型过程仿真的方法

技术领域

本发明属于复杂柔性电缆仿真技术领域，特别涉及一种用于复杂柔性电缆加工成型过程仿真的方法。

背景技术

柔性电缆具有高度的柔性和完全性，柔性电缆加工成型过程涉及的工序主要在于布线环节，其直接决定了电缆的外形尺寸和敷设准确度，是电缆加工的重要环节。而随着飞航产品系统化、集成化的发展，电缆加工更加复杂化，加工精度要求更加精细化。

电缆加工成型是柔性电缆制造的重要环节，其主要任务是将一组电线或导线布置成所需的形状和结构，以满足具体应用的需求。电缆加工过程通常涉及线缆的切割、剥离绝缘、扭曲、绞合、编织和护套等操作。这些加工步骤对电缆的心更难、形状和质量产生重要影响。

随着现代技术的不断发展，对柔性电缆的要求越来越高，某些应用需要电缆具有特定的形状、尺寸和导线排布结构，以满足特定的工作环境和性能需求。例如：飞航产品系统的集成化趋势导致了对柔性电缆加工成型的更高要求，包括对线缆厚度、宽度、长度、弯曲半径等多维度参数的的精确控制。

传统的电缆加工成型方法通常涉及多次试错和摸索过程，由于电缆加工的复杂性，效率较低，产品的一次加工成型合格率较低，将会导致产品研制生产周期的延长和生产成本的增加，因此，亟需一种用于复杂柔性电缆加工成型过程的仿真方法，以提高加工效率、产品质量和降低成本。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于复杂柔性电缆加工成型过程仿真的方法，用以解决现有由于电缆加工成型的复杂性，通常以多次试成型加工成型电缆，延长产品研制生产周期和增加生产成本的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的主要技术方案包括：

本说明书提供一种用于复杂柔性电缆加工成型过程仿真的方法，包括如下步骤：

步骤S1，基于电缆捆扎外形及已知电缆内电线参数计算得到估算电缆周长；

步骤S2，以所述估算电缆周长做圆作为仿真容器，使用定序定位方式的占角规则和求穴算法，根据最大孔度规则求出待布电线圆形在所述仿真容器中的位置，以获得最优电线排布结构；

步骤S3，基于所述最优电线排布结构，生成电缆成型可视化仿真结果。

进一步地，对所述多个电线小圆以直径长度从小到大排序，同规格直径相等不分先后；

将排序后的每两个相邻圆形相切；

上下各做每个相邻圆形的切线，计算所有电线两侧的所有切线长度、最小圆半圆周长度及最大圆半圆周长度之和，得到估算电缆周长。

进一步地，所述估算电缆周长，如下：

其中，L

进一步地，所述根据最大孔度规则求出待布电线圆形在所述仿真容器中的位置包括：

在所述仿真容器内，随机选择第1个电线小圆布置第1个电线小圆时，所述第1个电线小圆与所述仿真容器相切；

从剩余电线小圆中随机选择1个作为第2个电线小圆，当布置第2个电线小圆时，与所述第1个电线小圆及所述仿真容器均相切；

根据所述占角规则第3个电线小圆须与第1个、第2个小圆同时相切；

设(i

如果所有的圆形都被放置在仿真容器中，满足所有小圆互不重叠，所有小圆都在仿真容器内均不发生干涉，则得到电缆中最优电线排布结构；否则重新随机选择初始两个电线小圆及放置位置，重新排布其他所有电线小圆。

进一步地，根据所述占角规则往所述仿真容器中放置第3个之后的所有电线小圆；

在所述仿真容器中，在已经放置的圆形形成的角落区域放置下一个小圆；

新放入的小圆至少和仿真容器内的两个圆相接触。

进一步地，所述每个角位置的Holedegree值λ的计算如下：

其中，r

d

其中，M为仿真容器，d

进一步地，所述随机重新选择初始两个电线小圆及放置位置；

重新随机选择的初始两个电线小圆，其中一个电线小圆与以往的选择相同；

重新放置两个电线小圆的位置，其中一个位置与以往的选择相同。

进一步地，所述步骤S3包括：

将所述已知电线参数、所述电缆中最优电线排布结构及电缆最小折弯半径输入仿真软件；

设置坐标系，在所述仿真软件中对所述电缆成型的加工过程的仿真结果和文件记录输出，形成可视化工艺，指导电缆实际加工成型。

进一步地，所述最优导线排布结构中，要求任何两个电线小圆公共面积为0，重叠度为0；

所有小圆在所述仿真容器内且不发生干涉，所有电线小圆之间的距离都大于等于它们的直径之和。

进一步地，所述电缆捆扎外形为圆形；

所述电缆线束中电线包括导线或屏蔽线，所述导线或屏蔽线充满电缆大圆；

所述已知电缆内电线参数包括电线规格、半径、颜色。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、提高生产效率：通过使用电缆加工成型仿真系统，可以对电缆加工过程进行准确模拟和优化，避免了传统试错的过程，节省了时间和生产成本。优化后的加工工艺能够提高生产效率，缩短生产周期；

2、提升产品质量：通过仿真系统的指导，可以优化电缆加工参数，减小电缆形态误差，提高加工一致性和质量。通过预测和调整加工过程中的变形和应力分布，可以避免产生不合格产品，提高产品的稳定性和可靠性；

3、减少成本和资源浪费：采用仿真系统可以在实际加工前进行多次虚拟试验，优化加工参数和工艺，避免了实际加工过程中的不必要浪费。减少了试验样品的制备和试验费用，降低了原材料和能源的消耗，减少了不良品的产生和返工的成本；

4、加工过程可视化和分析：仿真系统可以生成加工过程的可视化结果，通过动态展示电缆的变形、应力分布等信息，有助于工艺工程师和操作人员理解加工过程和问题所在，为工艺改进和优化提供参考；

5、快速响应市场需求：采用仿真系统可以快速进行产品设计和加工工艺的验证，根据市场需求进行快速调整和响应。缩短了产品开发周期，提高了灵活性和市场竞争力。

总之，该电缆加工成型仿真系统能够提高生产效率、提升产品质量、降低生产成本和资源浪费，并且具有加工过程可视化和分析的优势，能够快速响应市场需求。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

附图1为柔性电缆加工成型过程仿真方法流程图；

附图2为求解仿真容器示意图；

附图3为电缆加工成型过程可视化仿真流程图；

附图4为由求穴和占角算法获得的NR26-1仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的目的在于介绍一种用于目前飞航产品复杂柔性电缆加工成型过程仿真的方法，实现由模拟仿真过程代替实物的反复加工修改，有效避免产品返工，缩短产品研制周期，降低生产成本。通过电缆加工成型仿真方法的研究，可有效解决上述问题。

如图1所示，一种用于复杂柔性电缆加工成型过程仿真的方法，包括如下步骤：

步骤S1，基于电缆捆扎外形及已知电缆内电线参数计算得到估算电缆周长；

步骤S2，以所述估算电缆周长做圆作为仿真容器，使用定序定位方式的占角规则和求穴算法，根据最大孔度规则求出待布电线圆形在所述仿真容器中的位置，以获得最优电线排布结构；

步骤S3，基于所述最优电线排布结构，生成电缆成型可视化仿真结果。

步骤S1，具体地。

电缆的捆扎外形，一般为圆形，电缆被简化为一个大圆；

电缆内多条电线的半径及数量，每条电线规格可能相同可能不同，同规格的电线半径相等，不同规格的电线半径不等。

电缆中包裹多条电线，其中电线包括导线或屏蔽线，导线或屏蔽线充满电缆大圆。

如附图2所示，

对所述多个电线小圆以直径长度从小到大排序，同规格直径相等不分先后；

将排序后的每两个相邻圆形相切；

上下各做每个相邻圆形的切线，计算所有电线两侧的所有切线长度、最小圆半圆周长度及最大圆半圆周长度之和，得到估算电缆周长。

所述估算电缆周长，如公式(1)所示：

其中，L

其中，直径为电缆中电线参数，每个电线半径的2倍。

步骤S2，具体地。

基于步骤S1计算出的估算电缆周长，以电缆周长做圆作为仿真容器。

电缆中电线(包括导线和屏蔽线)排布可以看作二维空间不等圆排样问题，不同规格的导线和屏蔽线可以看作是不同直径的小圆，需要布局在一个更大的圆中，这个大圆就是捆扎的电缆线束，其圆周即为估算电缆周长。

要求任何两个待布物(即电线，包括导线和屏蔽线)公共面积为0，即所有待布物互不重叠，任何一个待布物全处在大圆内，与大圆不发生干涉，使各待布物布置尽量紧凑，即各待布物的外包络圆半径最小。

本发明采用的是定序定位方式的求穴和占角算法。

采用定序定位方式的求穴和占角算法，Holedegree(穴度)和Corner placement(角落放置)算法，是用于多个不等直径的圆形放置问题，用于布置给定仿真容器中放置圆形的位置。

Corner placement指的是在仿真容器中，和已经放置的圆形形成的角落区域继续放置下一个圆，使新放入的圆形至少与容器内的两个圆相接触。目的是利用仿真容器的角落空间来放置圆形，从而最大限度地优化放置效果。

根据所述占角规则往所述仿真容器中放置第3个之后的所有电线小圆；

在所述仿真容器中，在已经放置的圆形形成的角落区域放置下一个小圆；

新放入的小圆至少和仿真容器内的两个圆相接触。

穴度是一种用来量化圆形放置位置好坏程度的度量，表示已经放置的容器中有多少个圆形与角落放置的圆形相接触。穴度考虑了新放入圆形与容器内其他圆形的接触关系，Hole Degree值λ越大，表示角落放置的圆形与周围的圆形相接触的越多，从而意味着这个角落放置的位置是一个相对较好的位置。定义如公式(2)所示：

其中，λ为Holedegree值，r

d

其中，M为仿真容器，d

它用来描述放置在角落中的圆如何接近仿真容器内最近的圆。Hole degree值λ越大，放置电线圆形后的浪费面积越小，排布密度就会越大。

此算法的核心思想就是选择一个具有最大孔度的角位置来将下一个电线圆形放入仿真容器中，这种排布规则称为最大孔度(Maximum Hole Degree，MHD)规则。

最大孔度规则是指根据已经放置入仿真容器的电线圆形，选择一个具有最大Holedegree值的角位置将下一个电线圆形放入容器内，这个规则旨在最大化利用容器内角落空间，减少面积浪费。

对于圆形布局问题，按照最大孔度规则求出待布圆的位置，进行循环布局(CyclicLayout)。

所述根据最大孔度规则求出待布电线圆形在所述仿真容器中的位置包括：

在所述仿真容器内，随机选择第1个电线小圆布置第1个电线小圆时，所述第1个电线小圆与所述仿真容器相切；

从剩余电线小圆中随机选择1个作为第2个电线小圆，当布置第2个电线小圆时，与所述第1个电线小圆及所述仿真容器均相切；

根据所述占角规则第3个电线小圆须与第1个、第2个小圆同时相切；

设(i

如果所有的圆形都被放置在仿真容器中，满足所有小圆互不重叠，所有小圆都在仿真容器内均不发生干涉，则得到电缆中最优电线排布结构；否则重新随机选择初始两个电线小圆及放置位置，重新排布其他所有电线小圆。

占角和求穴算法的核心思想是选择一个具有最大Holedegree值λ的角位置，以最大化仿真容器内的圆性的紧密排布，实现更有效的利用空间和减少浪费，提高资源利用率。

所述随机重新选择初始两个电线小圆及放置位置；

重新随机选择的初始两个电线小圆，其中一个电线小圆可与以往的选择相同；

重新放置两个电线小圆的位置，其中一个位置可与以往的选择相同。

步骤S3，具体地。

将所述已知电线参数、所述电缆中最优电线排布结构及电缆最小折弯半径输入仿真软件；

设置坐标系，在所述仿真软件中对所述电缆成型的加工过程的仿真结果和文件记录输出，形成可视化工艺，指导电缆实际加工成型。

(1)根据已知电线参数(包括导线或屏蔽线)的半径，得到捆扎成束电缆估算电缆周长；

(2)根据已知电缆的物理属性，包括电缆的密度、最小折弯半径、颜色等，设置电缆的物理属性，建立电缆物理模型。

(3)在DELMIA仿真软件中构建电缆的几何物理模型。电缆成束的过程中，会在力的作用下发生空间形位变化，为揭示电缆在不同点处的局部性质，设置弧坐标系、世界坐标系和局部坐标系作为描述电缆几何形态的基本坐标系，计算电缆的空间位姿。

运用占角和求穴算法及最大孔度排布规则，优化电缆中电线排布结构，所有电线小圆均放置在电缆周长D之内的圆形仿真容器内，满足电线小圆之间的重叠度为零，电线小圆所有圆形之间的距离都大于且至少等于它们的直径之和的规则。

(4)通过电缆信息模型中结构信息、几何信息、颜色等信息，以及使用的电缆元件的相关信息，在虚拟系统中创建可视化和交互模型。

(5)通过电缆信息模型，获得该电缆包含的所有实体对象如线缆段、控制点等。

(6)获取电缆、电缆中电线的位置信息，基于已知电线小圆的半径，以及计算出的电缆大圆的周长，基于优化后的电线排布结构，形成电缆和电缆中电线空间位置关系。

(7)获取电缆、电缆中电线的半径，空间位置关系，创建可视化的电缆模型。

最后，将电缆加工成型过程仿真结果输出，形成可视化工艺，用于指导电缆的实际加工成型。

要将电缆加工成型过程的仿真结果输出并形成可视化工艺，可以遵循以下步骤：

(1)选择仿真软件和工具：选择适用于电缆加工成型仿真的专业软件，确保该软件能够生成具有可视化效果的结果；

(2)建立模型：使用选定的仿真软件创建电缆的几何模型和材料属性。根据实际电缆的设计参数，设置初始条件和约束；

(3)运行仿真：运行仿真以模拟电缆加工成型的过程；

(4)结果输出：输出电缆视觉仿真结果，以及文件记录；

(5)数据处理：使用数据处理工具(如MATLAB、Python等)来分析仿真结果，计算电缆大圆仿真容器和其中各个直径不等的电线小圆的各种排列组合等；

(6)可视化：利用可视化工具(如3D渲染软件、图形绘制工具等)，将仿真结果转化为可视化的图形或动画。这可以帮助您更直观地了解电缆的加工过程和影响因素；

(7)生成工艺文件：将可视化结果与实际工艺步骤进行对应，形成一个工艺文件或流程图。这个文件可以作为指导实际电缆加工成型的参考；

(8)文件记录：在整个仿真和可视化过程中，确保记录每个步骤的详细信息，包括参数设置、模型建立、仿真结果等。这将有助于以后的回顾和改进；

(9)验证与优化：将仿真结果与实际加工过程进行比较，验证仿真的准确性。如果有差异，可以使用反馈信息进行模型优化和改进。

通过这些步骤，可以将电缆加工成型过程的仿真结果形成可视化工艺，从而为实际加工提供有价值的指导。

本发明提供了一种用于复杂柔性电缆加工成型过程仿真的方法，与相关技术相比较，本发明具有如下有益效果：

通过对复杂电缆加工成型过程的模拟仿真，可逐步实现由模拟仿真过程代替实物的反复加工修改过程，有效避免产品返工，缩短产品研制周期，降低生产成本；同时，通过可视化电缆加工成型过程的仿真，提高电缆加工成型一致性，保障电缆成型质量；该发明适用于复杂柔性电缆的加工成型，具有较强的实用性和推广前景。

为使本发明的目的和特征更明显易懂，下面结合实际产品对本发明的具体实施方式作进一步的验证说明。

其中，可视化过程可采用商用三维建模软件，电缆加工成型过程可视化仿真的具体流程如图3所示。

第一步、通过基于间隙补偿的电缆外径估算方法获得成型电缆线束的外径。

首先，根据电缆的捆扎外形(圆形)、电缆的规格以及其中包裹的电线数量，计算得到估算电缆周长，作为仿真容器。

第二步、通过采取定序定位方式的占角和求穴算法，优化电缆排布结构。

图4为利用本发明中方法将26个电线圆形装入圆形仿真容器的成功配置，首先将圆c1、c2放入容器中生成初始配置，然后按照最大孔度MHD排布规则，依次放置c3、c4、c5、…、c25、c26。占角和求穴算法在求解无平衡约束的电线小圆在电缆大圆仿真容器中的布局问题效果较好。

第三步、可视化仿真软件的环境和工作变量配置。

进行电缆线束设计之前，需要要进行环境配置。本实施例中选用了Catia软件进行操作。

首先，进入工具→选项→零件基础结构，勾选“保持与选定对象的链接”。

接着，在显示里面勾选“在结构树中显示外部参考、约束、参数、关系、操作中的几何体”以及“创建时展开基于草图的特征节点”。在设备与系统中的电气线束规则里面选择“电气线束安装”，勾选“线束段创建的三个选项”。可以根据所设计的线束形状选取线束段剖面形状。在常规→参数和测量中勾选“参数树形视图里面的带值和带公式”。在基础结构中产品结构里面找到自定义树，激活“材料、参数、关系、约束和应用程序”。在高速缓存管理中勾选“使用高速缓存系统”，设置最大缓存大小。

第四步、电气零件设计。

(1)连接器的定义

布线之前需要先定义好连接器，以确保后续布线工作的正常进行。在Catia中，首先根据实际境况，在机械设计→零件设计设计连接器的三维形状。设计好连接器的三维形状之后，进入设备与系统→电气线束规则→电气零件设计中，定义连接器的电气属性。首先，选择定义连接器，类型一般选为单插式连接器，终端数量一般选2个；接着，定义连接器连接点(如果连接器需要和其他的连接器相连，那就需要定义连接器连接点，否则，不需要)，定义连接器连接点时，参考面一般选两个连接器相接触的面，接触选项也选接触的面，对齐参考是指两个连接器对齐的轴(需要自己设置，一般选连接器的中心轴)；最后，定义线束连接点，参考面选线束连接的面，点需要自己设定(点的位置是电缆线束的起始位置)。

(2)支撑件的定义

在定义支撑件的电气属性之前，需要设计支撑件的三维形状，然后进入设备与系统→电气线束规则→电气零件设计中，定义支撑件的电气属性。首先，选择线束通过支撑件的位置；接着，选择线束进入支撑件的平面及线束穿过支撑件的平面即可。

(3)保护套的定义

在定义保护套时，需要确定保护套的内径和厚度，并关闭“Light geometry选项”，一般情况下保护套只需要定义一次。在定义好保护套之后，进入基础结构→目录编辑器中，添加系列，选择系列类型为“电气”，然后选择添加部件，将定义好的保护套全部添加到定义的系列中并保存。

(4)工作台的定义

在机械设计→零件设计中定义工作台，定义工作台时，需要考虑后续的装配过程，保证连接器、支撑件等能够和工作台进行装配。

第五步、电气装配设计

在定义好电气零件之后，需要将电气零件进行装配。进入机械设计→装配设计中，选择插入→现有零件，将之前设计好的零件全部进行装配。装配过程中需要考虑各零件之间的位置关系等。

第六步、线束设计

在装配好所有的电气零件之后，可以开始进行线束设计。进入设备与系统→电气线束规则→电气线束装配中，先定义一个多分支文件，然后定义线束的估算直径(第一步中获得的线缆估算直径D值)、路径等参数；接着，给线束添加保护套，从之前定义好的保护套目录中选择保护套给相应的线束段。给多分支文件添加分支点，将线束分成多段，实现对特定的线束段添加保护套。

第七步、生成线束成型过程可视化

按照给定的布线工艺顺序，通过对导线的空间位置进行连续操作来达到预期的成型效果，同时将连续操作过程以动画的形式记录演示出来。

本方案的有益效果包括：

1、提高生产效率：通过使用电缆加工成型仿真方法，可以对电缆加工过程进行准确模拟和优化，避免了传统试错的过程，节省了时间和生产成本。优化后的加工工艺能够提高生产效率，缩短生产周期；

2、提升产品质量：通过仿真系统的指导，可以优化电缆加工参数，减小电缆形态误差，提高加工一致性和质量。通过预测和调整加工过程中的变形和应力分布，可以避免产生不合格产品，提高产品的稳定性和可靠性；

3、减少成本和资源浪费：采用仿真系统可以在实际加工前进行多次虚拟试验，优化加工参数和工艺，避免了实际加工过程中的不必要浪费。减少了试验样品的制备和试验费用，降低了原材料和能源的消耗，减少了不良品的产生和返工的成本；

4、加工过程可视化和分析：仿真系统可以生成加工过程的可视化结果，通过动态展示电缆的变形、应力分布等信息，有助于工艺工程师和操作人员理解加工过程和问题所在，为工艺改进和优化提供参考；

5、快速响应市场需求：采用仿真系统可以快速进行产品设计和加工工艺的验证，根据市场需求进行快速调整和响应。缩短了产品开发周期，提高了灵活性和市场竞争力。

总之，该电缆加工成型仿真系统能够提高生产效率、提升产品质量、减少成本和资源浪费，并且具有加工过程可视化和分析的优势，能够快速响应市场需求。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。