[發明專利]一種數字化柔性電纜設計方法

有效

• 申請號: 202010057590.7
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111310401B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 度紅望;王澤怡;呂昊;熊偉;王海濤;孫長樂
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G06F30/39
• 分類號: G06F30/39;G06F113/16;G06F119/14
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

本發明公開了一種數字化柔性電纜設計方法，包括：確定電纜布線和綁扎固定的位置并將其作為電纜長度設計中的離散輸入點，依次構建相鄰離散點間的樣條曲線方程；估算柔性電纜布線長度，對每個曲線段沿弧長積分得到該線段的長度；將求得的電纜布線長度和依據電纜型號獲得的電纜橫截面半徑、彈性模量、泊松比以及密度信息作為輸入參數，采用Cosserat彈性桿理論進行電纜靜力學建模，確定電纜空間幾何形態，針對不同的空間約束條件對所得電纜靜力學模型進行最優化建模，根據獲取的電纜離散輸入點采用樣條曲線擬合方法通過離散點構造電纜中心線，在其第一個點上采用截面沿路徑掃描的方式生成曲面，從而渲染出光滑的電纜曲面。

技術領域

本發明涉及虛擬裝配領域技術領域，具體而言尤其涉及一種柔性電纜數字化設計方法。

背景技術

隨著機電產品愈發向著自動化及機電一體化的發展，電纜作為機電產品中電力信號傳輸的介質，其比重越來越大，電纜布局的質量將直接影響到產品的使用壽命和可靠性。但是由于其復雜大變形的力學特性，電纜的布局優化設計一直是一個挑戰性的課題。早期電纜的布局優化設計是通過在實物樣機上模擬裝配過程來驗證設計結果，這種試驗方法效率低且嚴重依賴人工經驗。隨著計算機輔助設計技術和產品數字樣機技術的發展，使用三維CAD軟件在虛擬環境下進行電纜布線設計成為設計人員普遍采用的方法，但是這些軟件的原理都是通過樣條曲線方法來擬合電纜的幾何形狀，沒有考慮電纜的力學大變形特性，導致電纜設計長度及空間形態與實際不符，從而影響產品設計質量。

發明內容

根據現有技術存在的問題，本發明公開了一種數字化柔性電纜設計方法，具體包括如下步驟：

確定電纜布線和綁扎固定的位置并將其作為電纜長度設計中的離散輸入點，基于參數三次插值樣條曲線的分段擬合方法，依次構建相鄰離散點間的樣條曲線方程，結合自由端邊界條件建立切矢量線性方程組，求解得到每個曲線段的參數方程完成電纜中心線的擬合；

估算柔性電纜布線長度，對每個曲線段沿弧長積分得到該線段的長度，定義第i條曲線的長度，采用梯形法對該長度積分求得電纜布線長度；

將求得的電纜布線長度和依據電纜型號獲得的電纜橫截面半徑、彈性模量、泊松比以及密度信息作為輸入參數，采用Cosserat彈性桿理論進行電纜靜力學建模，基于變分思想的彈性力學最小勢能原理建立柔性電纜的勢能方程；

確定電纜空間幾何形態，針對不同的空間約束條件對所得電纜靜力學模型進行最優化建模，采用原始對偶內點法中的內點逼近求解思想，對電纜非線性多維優化問題進行求解；

根據獲取的電纜離散輸入點采用樣條曲線擬合方法通過離散點構造電纜中心線，在其第一個點上采用截面沿路徑掃描的方式生成曲面，從而渲染出光滑的電纜曲面；

進行實例仿真：開發柔性電纜數字化設計平臺或者實驗室自主開發的軟件平臺，在剛性體虛擬裝配仿真平臺上，集成電纜長度快速估算方法及電纜靜力學建模解算方法，開發電纜布局設計模塊，通過電纜材料參數導入和邊界條件設置，可完成幾何形態解算、電纜曲面三維顯示以及電纜彎曲半徑檢測，從而達到基于電纜電氣連接圖完成電纜的布局設計。

進一步的，所述采用參數三次樣條曲線插值方法、分段擬合依次構建相鄰離散點間的樣條曲線方程，具體步驟如下：

假設空間中有n個離散點，對相鄰離散點進行分段擬合，由P_i、P_i+1兩點構成的第i條樣條曲線的三次多項式參數方程可表示為：

設

則推出

利用相鄰兩條曲線段之間的連接具有C²級光滑,即可得到方程：