CN112149262A - 一种集束线及集束线三维设计模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集束线及其三维设计模型构建方法，集束线包括多个集束线线芯，集束线外具有包覆物，具有多级线束分支，在分支中心轴线分叉点还设置有回折部；构建方法包括：选定多芯线模型的构建形式，构建多芯集束线的初始模型；根据集束线的制造工艺参数求解各分支线束的直径信息和物理属性信息，构建集束线中心轴线的空间曲线模型；基于上述信息构建集束线的能量函数模型，求解集束线中心轴线的空间曲线初始模型函数，并基于集束线的直径信息在三维空间软件中构建集束线的三维设计模型。本发明旨在解决传统方案中，未考虑线束制造工艺与线束的实际物理属性造成的线束三维设计模型真实度低、设计质量差的问题。

Description

一种集束线及集束线三维设计模型构建方法

技术领域

本发明涉及电气电网三维模型构建领域，具体为一种集束线及其三维设计模型构建方法。

背景技术

随着航空、航天、船舶等事业的发展，不但功能需求越来越强大，性能要求也随之大幅度提高了，电气电网系统作为复杂产品的神经网络，其线束的设计质量直接影响电气电网系统安装质量、安装效率。为满足众多电气设备电信号和电能的传输需求，并便于线束的安装，军机是利用三维软件完成线束的设计工作，采用集束的方式制造大部分电缆零件，然后进行安装作业以满足线束设计需求，并通过实际制造和安装情况迭代优化线束设计方案。

目前航空领域多采用三维设计软件完成线束的敷设通道、线束外形、线束安装固定位置方式等线束设计工作，然后以三维模型为载体传递线束设计安装要求；线束展平后以二维模型载体传递线束的制造信息，并以钉板图为依据进行集束线零件制造，最后以线束三维设计模型要求安装线束零件，如图1所示。由于在线束设计过程中未考虑线束的制造工艺方法与线束的实际物理状态，致使线束分叉设置不合理、线束各分支长度设计不佳等线束设计质量问题。

因此，建立一个全新的线束三维设计模型构建方法是解决上述问题的途径，该方法将线束的制造工艺方法、工艺参数、线束物理属性信息融合到线束的设计模型中，以构建真实度较高的线束设计模型。

发明内容

本发明提供了集束线三维设计模型的构建形式、集束线三维设计模型构建约束计算方法。本发明的目的是解决传统方案中，未考虑线束制造工艺与线束的实际物理属性造成的线束三维设计模型真实度低、设计质量差的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种集束线，包括多个集束线线芯，集束线外具有包覆物，集束线具有多级线束分支，上一级分支和下一级分支在分支中心轴线分叉点处分开，上一级分支和下一级分支之间具有分支分叉角度，在分支中心轴线分叉点处设置固定卡箍，在每个线束分支的末端设置电气插头，在分支中心轴线分叉点还设置有回折部；

进一步地，每个下一级分支至少包括两个分支，回折部设置为使得下一级分支中的一个向上一级分支回折一段距离后再向分支中心轴线分叉点的下一级分支延伸。

进一步地，当分支分叉角度小于45度时设置回折部。

还包括一种集束线三维设计模型构建方法，对上述的集束线采用计算机三维软件进行构建，具体包括如下步骤：

S1:选定多芯线模型为集束线三维设计模型的构建形式，确定线束线芯的连接关系，以及线束各分支的线芯种类与数量，构建多芯集束线的初始模型；

S2:根据集束线的制造工艺参数求解得出各分支线束的直径信息和物理属性信息，构建集束线中心轴线的空间曲线模型，具体还包括如下三个子步骤：

S2.1:根据集束线分支的线芯种类、数量、线束回折长度、集束线线芯根数、线束包覆物材料参数求解得出各分支线束的直径信息；

S2.2:根据集束线分支的线芯种类与数量和线束回折长度、集束线线芯根数、线束包覆物材料等集束线的制造工艺方案求解得出各分支线束的的物理属性信息，包括抗拉伸刚度EA、抗弯曲刚度EI、抗扭转刚度GI_P；

S2.3：根据集束线分支长度、线束分支的分叉角度、线束安装固定位置信息的线束设计信息，构建集束线分支中心轴线的空间曲线初始模型

其中，i表示各个分支的编号，i＝0,1,2…t,t为具体的线束分支数量，

为集束线分支中心轴线的空间曲线求解函数,L_i为各线束各分支长度，α_i为各线束分支的分叉角度，Q_i为各线束固定点的约束函数；

S2.4：对各个线束分支重复步骤S2.1至S2.3，从而获得集束线中心轴线空间曲线的初始模型

S3:基于集束线分支的直径信息、物理属性信息、各分支中心轴线的空间曲线模型构建集束线的能量函数模型，用于约束集束线中心轴线的空间曲线初始模型；

S4:当集束线能量函数取最小值时，求解得出集束线中心轴线的空间曲线模型F_CA，并基于集束线的直径信息D在三维空间软件中构建集束线的三维设计模型M：

M＝M_C(F_CA，D)

其中，M_C为有线束中心线模型与线束直径计算线束三维模型的运算函数，D为各分支的外径的集合。

进一步地，在步骤S1中，集束线各分支采用实心圆柱体表示线芯；在线束末端、线束分叉处，采用线芯相切、线芯间相对位置固定，且各分支集束后的内切圆最小的方式进行集束线约束；采用内壁与捆扎约束线芯相切的圆柱壳体表示多芯集束线外层包覆物；采用外层包覆物壳体模型的轴线表示集束线各分支的中心轴线。

进一步地，在步骤S2.1中，线束分支直径具体计算公式为：

D＝f_D(D₁，D₂，D₃…D_k…，D_n’D_n+1，…D_n+s…D_n+m)+R

其中，f_D为线束分支直径求解函数，k＝0，1，2…n，s＝0，1，2…m，D_k为线束各分支的线芯直径，k表示线束分支线芯，代表第k根线芯，n为线束分支线芯的具体数量，s为线束分支回折线芯，代表第s根回折线芯，m为线束分支回折线芯的具体数量；D_n+s为线束分支回折处回折线芯的直径；R为集束线各分支的包覆物厚度信息，其由集束线分支的包覆材料决定，R≥0。

进一步地，在步骤S2.2中，各分支的抗拉伸刚度FA、抗弯曲刚度EI、抗扭转刚度GI_p的采用下述方法进行计算：

其中，F为线束分支的拉伸刚度求解函数，EA_k为线束各分支线芯的抗拉伸刚度，EA_n+s为回折线芯的抗拉伸刚度；W为线束分支的弯曲刚度求解函数，EI_k为线束各分支线芯的抗弯曲刚度，EI_n+s为回折线芯的抗弯曲刚度；T为线束分支扭转刚度求解函数，

为线束各分支的抗扭转刚度，

为回折线芯的抗扭转刚度；γ、δ、ε分别为集束线分支抗拉伸刚度FA、抗弯曲刚度EI、抗扭转刚度GI_P的因集束线包覆物产生的修正系数，取值均≥1。

进一步地，在步骤S2.3中，多芯集束线各分支长度L通过分支中心轴线积分得到：

另外，线束分支的分叉角度α计算方式为：

其中，

为夹角求解函数；

分别为集束线下一级分支与上一级分支在分支中心轴线分叉点处中心轴线的切向量；

线束安装固定信息的约束函数由线束约束位置的空间坐标和约束方向有关，计算公式为：

其中，Q为线束固定点的约束函数，(x，y，z)为线束固定点的空间坐标，

为固定点的约束方向。

进一步地，在步骤S2.4中，集束线的中心轴线的空间曲线的初始模型为：

其中，L_i为各线束各分支长度，α_i为各线束分支的分叉角度，Q_i为各线束固定点的约束函数；

进一步地，在步骤S3中，集束线的能量函数为：

其中，

为集束线三维设计模型的物理能量，V_h为集束线三维设计模型的物理能量的运算函数。

本发明相对于现有技术的技术效果是：(1)可将多芯集束线的制造工艺信息融入到线束设计模型中，更为准确的表达线束的结构特征；(2)可将多芯集束线各分支的直径信息准确表达在数模中，从而辅助完成集束线固定卡箍的型号大小的准确设计工作；(3)可将线束物理属性参数融入线束三维模型中，通过能量计算方法，可准确计算出满足装配任务时集束线各分支长度、分支的分叉角度等信息，可更为准确地表达线束实际装配的空间形态，便于完成线束的设计方案仿真分析、风险点评估、设计方案优化等线束设计工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有线束设计、制造、安装流程图；

图2是本发明集束线三维设计模型的构建形式示意图；

图3是本发明集束线的三维设计模型空间结构示意图；

图4是本发明集束线线束分支的分叉角度示意图；

图5是本发明集束线分支回折处结构示意图；

图6是本发明集束线三维设计模型构建的流程图。

附图标记说明：

1.包覆物，2.集束线线芯，3.上一级分支，4.上一级分支中心轴线，5.分支中心轴线分叉点，6.下一级分支，7.下一级分支中心轴线，8.分支分叉角度，9.线束分支，10.空间辅助定位点,11.电气插头，12.固定卡箍，13.集束线中心轴线，14.线束分叉约束点，15.线束分支约束点，16.回折部。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明具体实施方式如下：如图2-5所示，一种集束线，包括多个集束线线芯2，集束线外具有包覆物1，集束线具有多级线束分支9，上一级分支3和下一级分支6在分支中心轴线分叉点5处分开，上一级分支3和下一级分支6之间具有分支分叉角度8，具体为上一级分支中心轴线4和下一级分支中心轴线7之间的夹角，在分支中心轴线分叉点5处设置固定卡箍12，在每个线束分支9的末端设置电气插头11，在分支中心轴线分叉点5还设置有回折部16；

进一步地，每个下一级分支6至少包括两个分支，回折部16设置为使得下一级分支6中的一个向上一级分支3回折一段距离后再向分支中心轴线分叉点5的下一级分支6延伸。

进一步地，当分支分叉角度8小于45度时设置回折部16。

如图6所示，还包括一种集束线三维设计模型构建方法，对上述的集束线采用计算机进行构建，具体包括如下步骤：

S1:选定多芯线模型为集束线三维设计模型的构建形式，选定空间辅助定位点10，束线芯的连接关系，以及线束各分支的线芯种类与数量，构建多芯集束线的初始模型；多芯线模型指将集束线各分支模型均采用线芯模型组成及包覆材料构成，用于显示集束线各分支的线芯组成成分及线芯的排列形式，从而精确表达集束线线芯的三维空间的呈现状态，以便于后续指导线束的制造工作。

S2:根据集束线的制造工艺参数求解得出各分支线束的直径信息和物理属性信息，构建集束线中心轴线13间曲线模型，具体还包括如下三个子步骤：

S2.1:根据集束线分支的线芯种类、数量、线束回折长度、集束线线芯根数、线束包覆物材料参数求解得出各分支线束的直径信息；

S2.2:根据集束线分支的线芯种类与数量和线束回折长度、集束线线芯根数、线束包覆物材料等集束线的制造工艺方案求解得出各分支线束的物理属性信息，包括抗拉伸刚度EA、抗弯曲刚度EI、抗扭转刚度GI_P；

S2.3：根据集束线分支长度、线束分支的分叉角度、线束安装固定位置信息的线束设计信息，构建集束线分支中心轴线的空间曲线初始模型

其中，i表示各个分支的编号，i＝0,1,2…t,t为具体的线束分支数量，

为集束线分支中心轴线的空间曲线求解函数，L_i为各线束各分支长度，α_i各为线束分支的分叉角度，Q_i为各线束固定点的约束函数；

S2.4：对各个线束分支重复步骤S2.1至S2.3，从而获得集束线中心轴线空间曲线的初始模型

S3:基于集束线分支的直径信息、物理属性信息、各分支中心轴线的空间曲线模型构建集束线的能量函数模型，用于约束集束线中心轴线13的空间曲线初始模型；

S4:当集束线能量函数取最小值时，求解得出集束线中心轴线的空间曲线模型F_CA，并基于集束线的直径信息D在三维空间软件中构建集束线的三维设计模型:

M＝M_C(F_CA,D)

其中，M为线束三维模型，M_C为有线束中心线模型与线束直径计算线束三维模型的运算函数，D为各分支的外径的集合。

进一步地，在步骤S1中，集束线各分支采用实心圆柱体表示线芯；在线束末端、每间距一定距离处、线束分叉处对线束线芯进行捆扎固定，模型中采用线芯之间相互外切、相对位置固定、且各分支集束后的内切圆最小的方式表示线束捆扎的约束工艺，即在此处集束线的横截面中，线芯的横截圆面之间相互外切、线芯横截圆面圆心的相对位置固定不变、且全部线芯横截圆面的外切圆直径最小；采用内壁与捆扎约束线芯相切的圆柱壳体表示多芯集束线外层包覆物；采用外层包覆物壳体模型的轴线表示集束线各分支的中心轴线。

其中，由于线束各分支均采用多芯集束捆扎的建模方式表达，因此在多芯集束线分叉处的捆扎约束点就是线束分叉约束点14，集束线在中心轴线分叉点处，线芯被分成两个或多个线束分支，然后线束分支再在一定间距处设置线束分支约束点15，直至分支的下一个分中心轴线叉点处。

进一步地，在步骤S2.1中，线束分支直径具体计算公式为：

D＝f_D(D₁，D₂，D₃…D_k…，D_n，D_n+1，…D_n+s…D_n+m)+R

其中，f_D为线束分支直径求解函数，k＝0，1，2…n，s＝0，1，2…m，D_k为线束各分支的线芯直径，k表示线束分支线芯，代表第k根线芯，n为线束分支线芯的具体数量，s为线束分支回折线芯，代表第s根回折线芯，m为线束分支回折线芯的具体数量；D_n+s为线束分支回折处回折线芯的直径；R为集束线各分支的包覆物厚度信息，其由集束线分支的包覆材料决定，R≥0。

进一步地，在步骤S2.2中，各分支的抗拉伸刚度FA、抗弯曲刚度EI、抗扭转刚度GI_p的采用下述方法进行计算：

其中，EA_k为线束各分支线芯的抗拉伸刚度，EA_n+s为回折线芯的抗拉伸刚度；EI_k为线束各分支线芯的抗弯曲刚度，EI_n+s为回折线芯的抗弯曲刚度；

为线束各分支的抗扭转刚度，

为回折线芯的抗扭转刚度；γ、δ、ε分别为集束线分支抗拉伸刚度FA、抗弯曲刚度EI、抗扭转刚度GI_P的因集束线包覆物产生的修正系数，取值均≥1。

进一步地，在步骤S2.3中，多芯集束线各分支长度通过分支中心轴线积分得到：

另外，线束分支的分叉角度α计算方式为：

其中，

为夹角求解函数；

分别为集束线下一级分支与上一级分支在分支中心轴线分叉点处中心轴线的切向量；

线束安装固定信息的约束函数由线束约束位置的空间坐标和约束方向有关，计算公式为：

其中，Q为线束固定点的约束函数，(x，y，z)为线束固定点的空间坐标，

为固定点的约束方向。

进一步地，在步骤S2.4中，集束线的中心轴线的空间曲线的初始模型为：

其中,t为线束分支数，L_i为各线束各分支长度，α_i为各线束分支的分叉角度，Q_i为各线束固定点的约束函数；

进一步地，在步骤S3中，集束线的能量函数为：

其中，

为集束线三维设计模型的物理能量，V_h为集束线三维设计模型的物理能量的运算函数。

本发明通过采用多芯线建模、中心轴空间几何曲线构建、以及物理能量模型函数约束的方式，完成真实度较高的线束三维设计模型的构建，弥补现有三维设计模型与电缆实际形态差异大、不匹配的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集束线，包括多个集束线线芯(2)，集束线外具有包覆物(1)，集束线具有多级线束分支(9)，上一级分支(3)和下一级分支(6)在分支中心轴线分叉点(5)处分开，上一级分支(3)和下一级分支(6)之间具有分支分叉角度(8)，在分支中心轴线分叉点(5)处设置固定卡箍(12)，在每个线束分支(9)的末端设置电气插头(11)，在分支中心轴线分叉点(5)还设置有回折部(16)。

2.一种如权利要求1所述的集束线，其特征在于，每个下一级分支(6)至少包括两个分支，回折部(16)设置为使得下一级分支(6)中的一个向上一级分支(3)回折一段距离后再向分支中心轴线分叉点(5)的下一级分支(6)延伸。

3.一种如权利要求2所述的集束线，其特征在于，当分支分叉角度(8)小于45度时设置回折部(16)。

4.一种集束线三维设计模型构建方法，对权利要求1-3之一所述的集束线采用计算机进行构建，具体包括如下步骤：

S1:选定多芯线模型为集束线三维设计模型的构建形式，确定线束线芯的连接关系，以及线束各分支的线芯种类与数量，构建多芯集束线的初始模型；

S2:根据集束线的制造工艺参数求解得出各分支线束的直径信息和物理属性信息，构建集束线中心轴线的空间曲线模型，具体还包括如下三个子步骤：

S2.1:根据集束线分支的线芯种类、数量、线束回折长度、集束线线芯根数、线束包覆物材料参数求解得出各分支线束的直径信息；

S2.2:根据集束线分支的线芯种类与数量和线束回折长度、导管线芯根数、线束包覆物材料等集束线的制造工艺方案求解得得出各分支线束的物理属性信息，包括抗拉伸刚度EA、抗弯曲刚度EI、抗扭转刚度GI_P；

S2.3：根据集束线分支长度、线束分支的分叉角度、线束安装固定位置信息的线束设计信息，构建集束线分支中心轴线的空间曲线初始模型

其中，i表示各个分支的编号，i＝0,1,2…t,t为具体的线束分支数量，

为集束线分支中心轴线的空间曲线求解函数,L_i为线束各分支长度，α_i为线束分支的分叉角度，Q_i为线束固定点的约束函数；

S2.4：对各个线束分支重复步骤S2.1至S2.3，从而得到集束线中心轴线空间曲线的初始模型

S3:基于集束线分支的直径信息、物理属性信息、各分支中心轴线的空间曲线模型构建集束线的能量函数模型，用于约束集束线中心轴线的空间曲线初始模型；

S4:当集束线能量函数取最小值时，求解得出集束线中心轴线空间曲线模型F_CA，并基于集束线的直径信息D在三维空间软件中构建集束线的三维设计模型M:

M＝M_C(F_CA,D)

其中，M_C为线束中心线模型与线束直径计算线束三维模型的运算函数，D为各分支的外径的集合。

5.根据权利要求4所述的集束线三维设计模型构建方法，其特征在于，在步骤S1中，集束线各分支采用实心圆柱体表示线芯；在线束末端、线束分叉处，采用线芯相切、线芯间相对位置固定，且各分支集束后的内切圆最小的方式进行集束线约束；采用内壁与捆扎约束线芯相切的圆柱壳体表示多芯集束线外层包覆物；采用外层包覆物壳体模型的轴线表示集束线各分支的中心轴线。

6.根据权利要求4所述的集束线三维设计模型构建方法，其特征在于，在步骤S2.1中，线束分支直径D具体计算公式为：

D＝f_D(D₁，D₂，D₃…D_k…，D_n，D_n+1，…D_n+s…D_n+m)+R

其中,f_D为线束分支直径求解函数，k＝0,1,2…n,s＝0,1,2…m，D_k为线束各分支的线芯直径，k表示线束分支线芯，代表第k根线芯，n为线束分支线芯的具体数量,s为线束分支回折线芯，代表第s根回折线芯，m为线束分支回折线芯的具体数量；D_n+s为线束分支回折处回折线芯的直径；R为集束线各分支的包覆物厚度信息，其由集束线分支的包覆材料决定，R≥0。

7.根据权利要求6所述的集束线三维设计模型构建方法，其特征在于，在步骤S2.2中，各分支的抗拉伸刚度EA、抗弯曲刚度EI、抗扭转刚度GI_P的采用下述方法进行计算：

其中，F为线束分支的拉伸刚度求解函数，EA_k为线束各分支线芯的抗拉伸刚度，EA_n+s为回折线芯的抗拉伸刚度；W为线束分支的弯曲刚度求解函数，EI_k为线束各分支线芯的抗弯曲刚度，EI_n+s为回折线芯的抗弯曲刚度；T为线束分支扭转刚度求解函数，

为线束各分支的抗扭转刚度，

为回折线芯的抗扭转刚度；γ、δ、ε分别为集束线分支抗拉伸刚度EA、抗弯曲刚度EI、抗扭转刚度GI_P的因集束线包覆物产生的修正系数，取值均≥1。

8.根据权利要求4所述的集束线三维设计模型构建方法，其特征在于，在步骤S2.3中，多芯集束线各分支长度L通过分支中心轴线积分得到：

另外，线束分支的分叉角度α计算方式为：

其中，

为夹角求解函数；

分别为集束线下一级分支与上一级分支在中心轴线分叉点处中心轴线的切向量；

线束安装固定信息的约束函数由线束约束位置的空间坐标和约束方向有关，计算公式为：

其中，Q为线束固定点的约束函数，(x,y,z)为线束固定点的空间坐标，

为固定点的约束方向。

9.根据权利要求8所述的集束线三维设计模型构建方法，其特征在于，在步骤S2.4中，集束线中心轴线的空间曲线的初始模型

其中，L_i为各线束各分支长度，α_i为各线束分支的分叉角度，Q_i为各线束固定点的约束函数。

10.根据权利要求7所述的集束线三维设计模型构建方法，其特征在于，在步骤S3中，集束线的能量函数为：

其中，

为集束线三维设计模型的物理能量，V_h为集束线三维设计模型的物理能量的运算函数。

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