CN109871592B - 一种面向机电产品电缆敷设布局优化的空间离散化模型的建模方法 - Google Patents
一种面向机电产品电缆敷设布局优化的空间离散化模型的建模方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种面向机电产品电缆敷设布局优化的空间离散化模型，其特征是所述的空间离散化模型是由一系列空间多面体组成。每个多面体单元具有与布线工艺相关的贴壁、温度及电磁强度信息，用于评估布线质量。利用多面体单元从属面信息，标记靠近机电零部件表面的单元，保证了电缆敷设时的安装和固定，利用多面体单元的当量温度信息和当量电磁强度信息，将电缆敷设时的工艺信息考虑其中，使得电缆的布局更加满足实际的工程需要。本发明的实施可提高电缆路径搜索算法的效率，并提高电缆布局设计中电缆工艺信息表达的准确性。
Description
技术领域
本发明属于计算机辅助设计和计算机辅助制造技术领域，尤其是一种机电产品电缆敷设空间的表示技术和预处理方法，具体的说是一种机电产品电缆设计的布线空间表示及自动生成方法和自动化预处理方法的面向机电产品电缆敷设布局优化的空间离散化模型的建模方法。
背景技术
电缆在机电产品中起到传输电能、信号、实现电磁转换等作用，因此电缆布局设计是机电产品设计研发过程中的重要部分。随着计算机辅助设计技术的发展，电缆设计主要集中在人机交互式电缆设计与自动化电缆设计两类，自动化电缆设计研究主要集中在离散空间下，采用智能优化算法的电缆布局设计。
自动布线优化算法需要将物理的布线空间映射到抽象的模型空间，一般需要将布线环境离散化表示，机电产品电缆敷设布局优化的空间预处理问题逐渐成为研究热点，对电缆敷设布局优化的空间的研究不仅影响电缆设计的准确性，还较大程度上影响智能优化算法的求解效率。例如：基于MVG图解决管道布局设计问题(详见文献：Liu,Qiang.Arectilinear pipe routing algorithm:Manhattan visibility graph[J].International Journal of Computer Integrated Manufacturing,2015,29(2):1-10.)，相比于VG图，MVG图包含更少的节点，减少了点的冗余，提高了算法的求解效率。将二维Escape图扩展到三维空间中(详见文献： Liu Q,Wang C.A discrete particle swarmoptimization algorithm for rectilinear branch pipe routing[J].AssemblyAutomation,2011,31(4):363-368.)，用于机电产品离散空间建模，与均匀栅格化建模相比，去除了大量多余的点。基于Escape图基础上，进一步简化(详见文献：Qu Y,Jiang D,Yang Q.Branch pipe routing based on 3D connection graph and concurrent antcolony optimization algorithm[J].Journal of Intelligent Manufacturing,2016:1-11.)，简化了离散布线空间，极大提高了算法的求解效率，但离散布线空间的获取较为复杂，实现自动化比较困难。
国内的学者对机电产品的布线问题及布线空间问题也进行了大量研究。目前针对机电产品的空间建模的方法有：几何建模法、拓扑法和单元分解建模法。将Voronoi图法运用到了三维空间(详见文献：刘佳顺,刘检华,张之敬,等.基于任意时间RRT算法的三维自动布线技术[J].机械工程学报,2016,52(13):156-165.)，实现点的选择区间的完备性，以基于采样的RRT和PRT算法实现了对线缆的布线研究。该方法过于偏向对环境信息的定量描述，当障碍物较多且不规则时，空间几何描述将变得困难，且计算时间复杂度较大，该方法适用于二维空间环境建模。在三维空间中以最小直径作为栅格粒度，对可布线空间进行栅格划分(详见文献：崔淑慧.三维管路自动敷设算法及干涉校验方法研究[D].哈尔滨工业大学,2015.)，实现对布线离散化空间的建模，当栅格粒度较小时，栅格的数量较多，空间复杂度较大，导致智能优化算法的求解效率降低。运用八叉树法对布线空间进行建模 (详见文献：Qu Y F,Jiang D,Zhang X L.A New Pipe Routing Approach for Aero-Engines byOctree Modeling and Modified Max-Min Ant System Optimization Algorithm[J].Journal of Mechanics,2016:1-9.)，可优化存储空间，降低算法空间复杂度，但是八叉树构建的离散模型中邻接节点的搜索较为复杂，从而将会提高智能优化算法的时间复杂度。
针对电缆布局设计中的离散空间模型构建复杂的问题，本专利提出一种用于自动获得机电产品电缆敷设布局优化的空间离散化模型，以期得到准确可行的电缆敷设布局优化的空间离散化模型，为机电产品研发人员在电缆设计过程中提供参考。
发明内容
本发明的目的是针对目前机电产品电缆设计的电缆路径规划研究中，由于目前已知的三维电缆待敷设空间的表示方法空间复杂度高且生成困难、缺少电缆敷设工艺信息等缺陷而导致电缆敷设路径搜索算法效率低下、电缆布局质量差的问题，发明一种可包括电缆敷设工艺信息的、数据复杂度较低的电缆待敷设空间的表示和自动生成的面向机电产品电缆敷设布局优化的空间离散化模型的建模方法。
本发明的技术方案是：
一种面向机电产品电缆敷设布局优化的空间离散化模型的建模方法，其特征是空间离散化模型是由一系列空间多面体组成，其中大部分多面体为空间六面体，存在少数的空间五面体。每个多面体单元具有与布线工艺相关的贴壁、温度及电磁强度等工艺属性信息，用于评估布线质量。其中标记位于结构表面的多面体单元为“贴壁单元”，其他多面体单元标记为“悬浮单元”；使用多面体单元的当量温度表征温度属性，将当量温度超过电缆最大安全温度的多面体单元标记为“需要添加保护层的单元”，反之，标记为“不需要添加保护层的单元”；使用多面体单元的当量电磁强度表征电磁强度属性，将当量电磁强度大于电缆所能承受最大电磁强度值的多面体单元标记为“需要添加屏蔽层的单元”，反之，标记为“不需要添加屏蔽层的单元”。
本发明通过以下预处理步骤自动生成空间多面体：
首先，输入要进行电缆布局设计的机电产品三维CAD装配几何模型1，利用二次开发接口建立装配模型的AABB包围盒，根据AABB包围盒的最小点坐标和最大点坐标建立长方体2，长方体各边与AABB包围盒平行；
第二，使用布尔运算中的相减功能从长方体2中减除机电产品三维CAD装配几何模型1部分，以获得机电产品电缆敷设布局优化空间几何模型3；
第三，对机电产品电缆敷设布局优化空间几何模型3进行几何实体分割，形成n个电缆敷设布局空间区域G(i)；
第四，对机电产品电缆敷设布局优化空间几何模型3中的各个空间区域G(i)进行体网格划分获得机电产品电缆敷设布局优化空间离散化模型4；
第五，构建机电产品电缆敷设布局优化空间离散化模型4中的多面体单元E(i)的邻接关系，步骤如下：
步骤1：存储多面体单元E(i)的构成信息和节点N(i)的空间信息；
步骤2：构建节点N(i)与多面体单元E(i)的从属关系表，将包含当前节点N(i)的多面体单元E(i)添加到节点N(i)的从属关系表中；
步骤3：根据多面体单元E(i)的构成信息与节点N(i)的从属关系表，建立多面体单元 E(i)之间的邻接关系。
同样地，本发明通过以下预处理步骤获得空间多面体的布线工艺属性信息：
首先，根据机电产品电缆敷设布局优化空间离散化模型4，获得各节点N(i)的所属平面信息，若节点N(i)的所属平面对应于机电产品的结构表面，则节点N(i)属于“贴壁节点”，判断组成多面体单元E(i)的节点N(i)中是否存在“贴壁节点”，若存在，则将多面体单元 E(i)标记为“贴壁单元”，否则，多面体单元E(i)标记为“悬浮单元”。
第二，根据机电产品发热器件和电磁器件的空间几何位置及其相关属性，对机电产品电缆敷设布局优化空间离散化模型4进行温度场和电磁场分布计算，确定多面体单元E(i) 的当量温度T和当量电磁强度E属性，其中多面体当量温度T为构成多面体单元E(i)各节点N(i)温度的平均值，当量电磁强度E为构成多面体单元E(i)各节点N(i)电磁强度的平均值，具体步骤如下：
步骤1：计算多面体单元E(i)当量温度T和当量电磁强度E；
步骤2：如果多面体单元E(i)当量温度T大于电缆最大安全温度，将多面体单元E(i) 标记为“需要添加保护层的单元”；
步骤3：否则，将多面体单元E(i)标记为“不需要添加保护层的单元”；
步骤4：如果多面体单元E(i)当量电磁强度E大于电缆所能承受的最大电磁强度值，将多面体单元E(i)标记为“需要添加屏蔽层的单元”；
步骤5：否则，将多面体单元E(i)标记为“不需要添加屏蔽层的单元”。
本发明的有益效果：
利用本发明的方法可以快速获得机电产品电缆敷设布局优化的空间离散化模型。在对电缆敷设布局优化的空间离散化模型进行预处理时，利用组成多面体单元节点的所属平面信息，标记靠近机电零部件表面的单元，保证了电缆敷设时的安装和固定，利用多面体单元的当量温度信息和当量电磁强度信息，将电缆敷设时的工艺信息考虑其中，使得电缆的布局更加满足实际的工程需要。
本发明在数据存储中的空间复杂度较小，根据本发明的内容，结合适当的电缆路径搜索和结构优化算法，可以获得电缆敷设路径通过的多面体单元位置，并将电缆结构用这些离散的多面体单元连接表示。本发明的实施可提高电缆路径搜索算法的效率，并提高了电缆布局设计中电缆工艺信息表达的准确性。
附图说明
图1是待敷设电缆的机电产品结构示意图。
图2是包围机电产品结构模型的长方体示意图。
图3是机电产品可敷设空间示意图。
图4是机电产品可敷设空间的区域分割示意图。
图5是机电产品电缆敷设布局优化的空间离散化模型示意图。
图6是体网格单元连接关系示意图。
表1是电缆敷设布局优化的空间离散数据表。
表2是电缆敷设布局优化的空间节点所属平面信息表。
表3是电缆敷设布局优化的空间节点温度表。
具体实施方式
下面结合附图和机电产品电缆敷设布局优化的空间离散化模型构建实例对本发明作进一步的说明。
如图1-6，表1-3所示。
一种面向机电产品电缆敷设布局优化的空间离散化模型建模时的输入条件为如图1 所示的机电产品三维CAD装配几何模型1及发热部件信息。具体步骤为：
首先，在获得机电产品电缆敷设空间离散化的输入条件后，利用Creo3.0 M060软件的二次开发接口Pro/TOOLKIT，建立装配模型的AABB包围盒，根据AABB包围盒的最小点坐标和最大点坐标建立长方体2，长方体各边与AABB包围盒平行，如图2所示；
第二，使用Creo3.0 M060中布尔运算的相减功能从长方体2中减除机电产品三维CAD装配几何模型1部分，以获得机电产品电缆敷设布局优化空间几何模型3，如图3 所示；
第三，将机电产品电缆敷设布局优化空间几何模型3导入有限元软件HyperWork2017 的前处理模块HyperMesh中，根据机电产品电缆敷设的工程经验，对机电产品电缆敷设布局优化空间几何模型3进行几何实体分割，形成n个空间区域G(i)，以进行不同密度的网格划分，如图4所示；
第四，对机电产品电缆敷设布局优化空间几何模型3中的各个空间区域G(i)进行不同密度的多面体网格划分，获得机电产品电缆敷设布局优化空间离散化模型4，如图5所示。由于各区域体网格密度的不同，在形成的体网格单元中将会存在六面体网格与五面体网格两种。体网格单元之间的连接方式存在三种方式，分别为点相连、线相连和面相连，其中当两个单元之间共用节点数量为1时，如图6中(a)所示，二者的连接关系为点连接；两个单元之间共用节点数量为2时，如图6中 (b)所示，二者的连接关系为线连接；两个五面体单元之间，共用节点数量为3个时，如图6中 (c)所示，两个五面体之间的连接关系为面相连，两个六面体单元之间，共用节点数量为4个时，如图6中 (d)所示，两个六面体网格的连接关系为面连接，五面体与六面体之间，共用节点数量为4个时，二者连接关系为面相连。将机电产品电缆敷设布局优化空间离散化模型4中的单元ID、单元所含节点、节点ID、节点空间坐标值数据以.csv文件形式导出，如表1所示。
第四，构建机电产品电缆敷设布局优化空间离散化模型4中的多面体单元E(i)的邻接关系，步骤如下：
步骤1：利用哈希表存储多面体单元E(i)的构成信息和节点N(i)的空间信息，多面体单元和节点通过其自身的标识表示。本发明中定义节点为Node，属性包括ID(标识)、(x,y,z)(空间坐标值)、temperature(节点温度值)、ElementsLink(所连接单元)；定义单元为Element，属性包括ID(标识)、(x,y,z)(单元中心空间坐标值)、temperature(合成温度值)、adherence(贴壁信息)、NodesInclude(所含节点)、NearElements(邻接单元)；
步骤2：构建节点N(i)与多面体单元E(i)的从属关系表，将包含当前节点N(i)的多面体单元E(i)添加到节点N(i)的从属关系表中。创建存储单元信息的容器vector<Element> v_Elements和节点信息容器vector<Node>v_Nodes。读取单元信息文件和节点信息文件，并将读取的数据传入对应的信息容器中，遍历节点容器，根据节点的ID，将单元容器中NodesInclude属性中包含当前节点ID的所有单元添加当前节点的ElementsLink属性中，节点N(i)与多面体单元E(i)的从属关系表建立完毕。
步骤3：根据多面体单元E(i)的构成信息与节点N(i)的从属关系表，建立多面体单元 E(i)之间的邻接关系。遍历单元容器，根据单元的NodesInclude属性获得当前单元所含节点，通过所含节点的ElementsLink属性，获得当前单元的临近单元，根据单元之间共用节点数量，确定两单元之间的连接关系，由于电缆直径具有一定尺寸，具有点连接和线连接关系的单元虽然具有几何连通性，但不满足实际的电缆设计要求，因此只将与当前单元存在面连接关系的所有单元添加到当前单元属性NearElements中，多面体单元E(i)之间的邻接关系构建完毕。
表1电缆敷设布局优化的空间离散数据表
(a)单元信息
(b)节点信息
通过以下预处理方式构建每个多面体单元与布线工艺相关的贴壁、温度及电磁强度属性，步骤如下：
首先，根据机电产品电缆敷设布局优化空间离散化模型4，获得各节点N(i)的所属平面信息，如表2所示，若节点N(i)的所属平面对应于机电产品的结构表面，则节点N(i) 属于“贴壁节点”，判断组成多面体单元E(i)的节点N(i)中是否存在“贴壁节点”，若存在，则将多面体单元E(i)标记为“贴壁单元”，否则，多面体单元E(i)标记为“悬浮单元”。
第二，根据机电产品发热器件的空间几何位置及其相关属性，构建电缆敷设布局优化离散空间的温度场分布，利用有限元分析求解模块采用稳态热传导模式进行模拟求解，选择传导介质为空气，导热系数设置为0.30W/m·K，设置热源为面约束，大小为50℃，其他环境温度为25℃。使用HyperWork2017本身有限元求解器OptiStruct进行计算，采用HyperWork2017的求解结果查看器HyperView显示温度场分布云图，并以.csv数据形式，将节点ID、节点处温度值导出，如表3所示。确定多面体单元E(i)的当量温度信息，步骤如下：
步骤1：对多面体单元E(i)进行当量温度T计算，多面体单元E(i)当量温度T为构成多面体单元E(i)各个节点N(i)温度的平均值；
步骤2：如果多面体单元E(i)当量温度T大于电缆最大安全温度，将多面体单元E(i) 标记为“需要添加保护层的单元”；
步骤3：否则，将多面体单元E(i)标记为“不需要添加保护层的单元”。
表2电缆敷设布局优化的空间节点所属平面信息表
表3电缆敷设布局优化的空间节点温度表
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种面向机电产品电缆敷设布局优化的空间离散化模型的建模方法，其特征是所述的空间离散化模型是由一系列空间多面体组成，所述的空间多面体由空间六面体和空间五面体组成；每个空间多面体具有与布线工艺相关的用于评估布线质量的布线工艺属性信息，所述的布线工艺属性信息包括贴壁、温度及电磁强度；其中标记位于结构表面的多面体单元为“贴壁单元”，其他多面体单元标记为“悬浮单元”；使用多面体单元的当量温度表征温度属性，将当量温度超过电缆最大安全温度的多面体单元标记为“需要添加保护层的单元”，反之，标记为“不需要添加保护层的单元”；使用多面体单元的当量电磁强度表征电磁强度属性，将当量电磁强度大于电缆所能承受最大电磁强度值的多面体单元标记为“需要添加屏蔽层的单元”，反之，标记为“不需要添加屏蔽层的单元”。
2.根据权利要求1所述的面向机电产品电缆敷设布局优化的空间离散化模型的建模方法，其特征是通过以下的预处理步骤自动生成空间多面体：
首先，输入要进行电缆布局设计的机电产品三维CAD装配几何模型，利用二次开发接口建立装配模型的AABB包围盒，根据AABB包围盒的最小点坐标和最大点坐标建立长方体，长方体各边与AABB包围盒平行；
第二，使用布尔运算中的相减功能从长方体中减除机电产品三维CAD装配几何模型部分，以获得机电产品电缆敷设布局优化空间几何模型；
第三，对机电产品电缆敷设布局优化空间几何模型进行几何实体分割，形成n个电缆敷设布局空间区域G(i)；
第四，对机电产品电缆敷设布局优化空间几何模型中的各个空间区域G(i)进行体网格划分获得机电产品电缆敷设布局优化空间离散化模型；
第五，构建机电产品电缆敷设布局优化空间离散化模型中的多面体单元E(i)的邻接关系，步骤如下：
步骤1：存储多面体单元E(i)的构成信息和节点N(i)的空间信息；
步骤2：构建节点N(i)与多面体单元E(i)的从属关系表，将包含当前节点N(i)的多面体单元E(i)添加到节点N(i)的从属关系表中；
步骤3：根据多面体单元E(i)的构成信息与节点N(i)的从属关系表，建立多面体单元E(i)之间的邻接关系。
3.根据权利要求1所述的面向机电产品电缆敷设布局优化的空间离散化模型的建模方法，其特征是通过以下预处理步骤获得空间多面体的布线工艺属性信息：
首先，根据机电产品电缆敷设布局优化空间离散化模型，获得各节点N(i)的所属平面信息，若节点N(i)的所属平面对应于机电产品的结构表面，则节点N(i)属于“贴壁节点”，判断组成多面体单元E(i)的节点N(i)中是否存在“贴壁节点”，若存在，则将多面体单元E(i)标记为“贴壁单元”，否则，多面体单元E(i)标记为“悬浮单元”；
第二，根据机电产品发热器件和电磁器件的空间几何位置及其相关属性，对机电产品电缆敷设布局优化空间离散化模型进行温度场和电磁场分布计算，确定多面体单元E(i)的当量温度T和当量电磁强度E属性，其中多面体当量温度T为构成多面体单元E(i)各个节点N(i)温度的平均值，当量电磁强度E为构成多面体单元E(i)各个节点N(i)电磁强度的平均值，具体步骤如下：
步骤1：计算多面体单元E(i)当量温度T和当量电磁强度E；
步骤2：如果多面体单元E(i)当量温度T大于电缆最大安全温度，将多面体单元E(i)标记为“需要添加保护层的单元”；
步骤3：否则，将多面体单元E(i)标记为“不需要添加保护层的单元”；
步骤4：如果多面体单元E(i)当量电磁强度E大于电缆所能承受的最大电磁强度值，将多面体单元E(i)标记为“需要添加屏蔽层的单元”；
步骤5：否则，将多面体单元E(i)标记为“不需要添加屏蔽层的单元”。
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