1.為什么要進(jìn)行柔性線纜仿真

《中國制造2025》以促進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展為主題，以提質(zhì)增效為中心、綠色發(fā)展、人才為本的基本方針，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)由大變強(qiáng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)；以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以智能制造為主攻方向；全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品智能化、裝備智能化、生產(chǎn)智能化、服務(wù)智能化、管理智能化。產(chǎn)品智能化、裝備智能化的進(jìn)程， 伴隨著更豐富的功能，更智能的用戶體驗(yàn)，這就意味著更加復(fù)雜的電氣系統(tǒng)。

線束開發(fā)和管路設(shè)計(jì)難度不斷增加，與剛性結(jié)構(gòu)不同，線束和管線具有柔性特征，其在外力作用及自身重力影響下的形變和受力狀態(tài)，很難依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷和確定。同時(shí)，這些錯(cuò)綜復(fù)雜的線束和管路還被要求在更為有限的空間中完成，新舊問題和矛盾不斷凸顯。對傳統(tǒng)線束開發(fā)提出了更大的挑戰(zhàn)。

2.傳統(tǒng)線束開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)線束開發(fā)，通常使用CAD軟件對線束走向進(jìn)行布置，制造物理樣機(jī)進(jìn)行線束的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，導(dǎo)致研發(fā)周期長、效率低、成本高，而且無法適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度和市場的需求。

圖1 傳統(tǒng)線束開發(fā)流程

由于CAD軟件沒能夠充分考慮線束自身的材料剛度，扭轉(zhuǎn)情況及重力對其走向的影響，導(dǎo)致CAD設(shè)計(jì)走向與實(shí)際走向存在巨大差異，無法準(zhǔn)確估算實(shí)際用線長度；

• 無法準(zhǔn)確預(yù)測線束的小動(dòng)態(tài)間隙、小彎曲半徑、大端部拉扯力、應(yīng)力分布、扭轉(zhuǎn)情況、動(dòng)態(tài)包絡(luò)等動(dòng)態(tài)表現(xiàn)；

• 設(shè)計(jì)時(shí)無法模擬制造公差、安裝公差對實(shí)際安裝的影響；

• 設(shè)計(jì)時(shí)無法準(zhǔn)確預(yù)測線束上卡箍對安裝的影響；

• 不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化；

圖2 汽車電氣系統(tǒng)

3.IPS Cable Simulation（柔性線纜仿真）解決方案

IPS Cable Simulation是德國FleXstructuresGmbH公司的工業(yè)路徑解決方案IPS(Industrial Path Solution)軟件平臺(tái)中專門用于柔性管線分析優(yōu)化的模塊，是由歐洲應(yīng)用研究組織弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)（FraunhoferResearch）中專門致力于數(shù)字化仿真工程算法研究的ITWM和FCC兩家研究機(jī)構(gòu)共同研究和開發(fā)的旗艦類軟件產(chǎn)品。

IPS Cable Simulation在工業(yè)中的軟管、電纜和復(fù)雜線束的設(shè)計(jì)優(yōu)化及質(zhì)量控制中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在汽車、和航空等領(lǐng)域中已得到了成功的應(yīng)用和驗(yàn)證。

圖3 IPS Cable Simulation

IPS Cable Simulation能夠仿真外力作用及重力條件下，管線的撓性運(yùn)動(dòng)路徑；可對運(yùn)動(dòng)部位的管線實(shí)時(shí)仿真，動(dòng)態(tài)展示管線的空間變形、彎扭狀態(tài)以及應(yīng)力應(yīng)變分布；能進(jìn)行高頻振動(dòng)及疲勞分析，公差分析，掃掠體積模型，生成運(yùn)動(dòng)路徑包絡(luò)線和容差包絡(luò)線；實(shí)時(shí)優(yōu)化與修改，優(yōu)化后的數(shù)據(jù)能夠返回三維軟件，支持與三維軟件的數(shù)據(jù)橋接，能夠根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)管線自動(dòng)布置。

IPS柔性線纜仿真應(yīng)用于線束開發(fā)的三個(gè)階段：設(shè)計(jì)階段、驗(yàn)證階段、裝配階段。

圖5 應(yīng)用流程

3.1 設(shè)計(jì)階段

依靠經(jīng)驗(yàn)在CAD軟件中進(jìn)行線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但是真實(shí)材料剛度及重力的影響并未考慮，同時(shí)，一旦周邊數(shù)模發(fā)生設(shè)計(jì)變更，所有走向需要重新設(shè)計(jì)。

• 自動(dòng)布置線束走向；

• 實(shí)時(shí)交互進(jìn)行走向變更；

• 早期預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)；

• 運(yùn)動(dòng)部件的安裝空間監(jiān)測；

• 公差、間隙和運(yùn)動(dòng)分析；

圖6 設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.2 驗(yàn)證階段

進(jìn)行早期驗(yàn)證能減少實(shí)物樣機(jī)的次數(shù)，進(jìn)而節(jié)省時(shí)間和成本，采用IPS進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測諸如拉伸力、小彎曲半徑及動(dòng)態(tài)間隙等風(fēng)險(xiǎn)因素，還能夠根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化。

• 基于真實(shí)物理環(huán)境的實(shí)時(shí)仿真；

• 實(shí)時(shí)監(jiān)測彎曲半徑、扭轉(zhuǎn)、拉伸和動(dòng)態(tài)間隙等風(fēng)險(xiǎn)因素；

• 可引入公差分析；

• 包絡(luò)計(jì)算；

圖7 驗(yàn)證分析

3.3 裝配階段

線束系統(tǒng)等柔性件的組裝問題是一大挑戰(zhàn)，不僅因?yàn)樯婵臻g狹窄，還需要考慮充足的安裝空間，并且，需要預(yù)留合適的長度來保證安裝過程以及安裝后不存在風(fēng)險(xiǎn)。

• 對線束在安裝過程以及安裝完成后的應(yīng)力進(jìn)行分析；

• 基于組裝分析的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證；

• 交互優(yōu)化，實(shí)時(shí)更改線束長度、材料以及卡箍類型；

圖8 虛擬裝配

4. V+R沉浸式的驗(yàn)證體驗(yàn)

TechViz公司提供專業(yè)的3D虛擬現(xiàn)實(shí)可視化協(xié)同解決方案，與IPS軟件平臺(tái)達(dá)成深度的合作，TechViz與IPS相結(jié)合，可以為用戶提供沉浸式的驗(yàn)證體驗(yàn)。

• 支持示設(shè)備，包括HMD、CAVE、平面、平鋪式、球幕、被動(dòng)/主動(dòng)/自動(dòng)立體、多顯示屏等；

• 直接對IPS數(shù)據(jù)進(jìn)行1:1沉浸式立體評(píng)審，無需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或?qū)雽?dǎo)出操作；

• 實(shí)時(shí)顯示IPS里的數(shù)據(jù)，在IPS里修改之后，可立即同步至沉浸式環(huán)境中；

• 直觀的使用界面，操作簡單，學(xué)習(xí)成本低；

• 高幀率顯示超大3D CAD模型；

5.柔性線纜仿真的價(jià)值

線束開發(fā)過程是一個(gè)多方合作、多學(xué)科交叉的復(fù)雜過程，從研發(fā)需求的提出到產(chǎn)品的生產(chǎn)制造和測試，將經(jīng)過多個(gè)階段和多次迭代。在線束研發(fā)階段引入柔性線纜仿真驗(yàn)證，不僅能夠及早發(fā)現(xiàn)和消除潛在的設(shè)計(jì)問題，在問題發(fā)生之前就將其消除，阻斷這些問題向下游流程的傳遞，從而避免造成更大的損失。同時(shí)也能夠幫助設(shè)計(jì)人員對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)優(yōu)化，篩選更佳方案，縮短設(shè)計(jì)結(jié)果的迭代過程，提高設(shè)計(jì)效率與準(zhǔn)確率。

• 在數(shù)字化的世界中減少物理試驗(yàn)的次數(shù)；

• 輔助獲取線纜正確的安裝長度及設(shè)計(jì)空間；

• 在物理樣車制造之前輔助找到正確的布置方式；

方案素材來自IPS Cable Simulation