CN113420469B - 基于有限元的布线设计方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于有限元的布线设计方法，包括：基于初始设计输入计算一个或多个线束的初始三维空间构型，其中将每个线束视为由多个梁单元连接而成；计算初始三维空间构型的布局评价参数；响应于确定布局评价参数不满足布局评价要求，优化三维空间构型，直到满足布局评价要求，并将此时的优化后三维空间构型作为最终布线方案。

Description

基于有限元的布线设计方法

技术领域

本公开涉及一种基于有限元的布线设计的方法、装置和程序，尤其涉及一种基于有限元快速优化布线设计的方法、装置和程序。

背景技术

通常，在车辆或类似的设备上，安装有多个电气设备，并且电气设备通过线束进行连接。通常，线束布线设计是以OEM(原始设备制造商)提供的功能需求和环境数据为依据，根据经验进行初始设计。在设计出平面图纸和三维模型后制作样线，测试安装以便进行性能验证。如果出现问题，再根据经验进行布线调整或者与OEM协商进行工程更改。整个流程往往需要多次进行更改。不论是二维图纸还是三维模型都无法准确描述线束在空间的准确形状，无法对线束与周围构件的最小间隙、线束变形、卡钉约束力等因素进行准确预测。工程更改也无法得到最优的改动方案，并且费时费力，无法适应当前行业内产品开发周期不断缩短的趋势。

发明内容

本公开的一个方面提供了一种基于有限元的布线设计方法，包括：基于初始设计输入计算一个或多个线束的初始三维空间构型，其中将每个线束视为由多个梁单元连接而成；计算初始三维空间构型的布局评价参数；响应于确定布局评价参数不满足布局评价要求，优化三维空间构型，直到满足布局评价要求，并将此时的优化后三维空间构型作为最终布线方案。

在一个示例实施例中，初始设计输入为二维图纸，包括各个线束和卡钉的位置信息和材料信息。

在一个示例实施例中，布局评价参数可以包括布局空间曲率、变形能或者卡钉约束力。

在一个示例实施例中，布局评价要求可以包括布局空间曲率达到一定评价周期内的最小值、变形能达到一定评价周期内的最小值或者卡钉约束力达到一定评价周期内的最小值中的一者或多者。

在一个示例实施例中，布局评价要求可以包括布局空间曲率、变形能或者卡钉约束力中的一者或多者不高于预先确定的阈值。

在一个示例实施例中，优化三维空间可以包括变更卡钉的空间坐标、线束的节点坐标、对线束的约束类型和方向中的一者或多者，使得布局空间曲率、变形能和卡钉约束力中的一者或多者减小。

在一个示例实施例中，优化三维空间可以包括改变线束的材料参数。

附图说明

图1示出了根据实施例的线束的示意轮廓图。

图2示出了用于支撑线束的有代表性的支撑元件与约束自由度之间的相互关系的图标。

图3(A)示出了线束外观的视图。

图3(B)示出了将图3(A)的线束数字化的情况视图。

图3(C)是通过梁单元和节点标识图3(A)的线束的视图。

图4是用于说明通过梁单元和节点所表示的线束的自由度的图表。

图5(A)是通过三个梁单元标识线束的图表。

图5(B)是示出了将图5(A)的三个梁单元结合的情况的图表。

图6(A)是示出测量惯性矩和纵向弹性模量的情况视图。

图6(B)是示出测量极惯性矩和横向弹性模量的情况视图。

图7示出根据实施例的示例布线设计方法的流程图。

图8(A)到图8(F)是以单个线束为例表示线束模型的计算结果的示意图。

具体实施方式

在以下描述中，陈述了众多特定细节。然而，应当理解，可在没有这些特定细节的情况下实践本发明的实施例。在其他实例中，未详细示出公知的电路、结构和技术，以免使对本描述的理解模糊。

说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用表明所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但是每个实施例不一定都包括该特定的特征、结构或特性。此外，此类短语不一定是指同一个实施例。此外，当结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，认为结合无论是否被明确描述的其他实施例而影响此类特征、结构或特性是在本领域技术人员的知识范围之内的。

出于本公开的目的，短语“A和/或B”意指(A)、(B)或(A和B)。出于本公开的目的，短语“A、B、和/或C”意指(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或(A、B和C)。

下面将参考附图解释本发明的实施例。首先，将参考图1和图2给出作为构成设计的一个目标的布线结构的线束整体形状和有代表性的支撑元件。图1示出了根据实施例的构成设计的一个目标的线束的整体形状轮廓的视图。图2示出了用于支撑线束的有代表性的支撑元件与约束自由度之间的相互关系的图表。

在图1所示的示例实施例中，线束1与四个连接器2a、2b、2c、2d连接，这四个连接器的两个末端部分都与未示出的电气设备连接，线束1在其中间部分与各种卡钉3a、3b、3c和3d连接，并被提供有分支点4。线束1相应的分支线上主要提供有不同数量和种类的相应的构成线条纹元素，因此，为相应的分支线提供了不同的醒目程度、长度、弹性、刚性和类似的特性。

相应的连接器2a、2b、2c和2d可连接并可拆卸地固定在预定位置，该预定位置与相对侧的连接器在电气设备侧边上的固定位置和安装方向相对应，以完全束缚住线束的末端部分。此外，相应的卡钉3a、3b、3c和3d完全束缚或可转动地将线束的预定部分束缚在电气设备的机壳、撑杆或类似物的预定位置上。

这里，对常见的卡钉进行说明。卡钉中主要有长孔卡钉和圆孔卡钉。圆孔卡钉也称作可转动卡钉，由一个支持着线束的基座部分和一个在撑杆或类似物处插入圆孔形的连接孔中的支撑腿构成。圆孔卡钉可绕Z轴(在正交于连接部分的方向上)转动。

长孔卡钉也称为固定卡钉，由一个支持线束的基座部分和一个在撑杆或类似物处插入长孔形的连接孔中的支撑腿构成。支撑腿的截面形状是与连接孔的形状基本上相同的长孔形。长孔卡钉不能绕Z轴转动。

此外，在长孔卡钉和圆孔卡钉中，有可绕X轴(在线束的纵向方向上)转动的波状长孔卡钉和波状圆孔卡钉。在相应的轴方向上和绕相应轴的相应卡钉的约束自由度如图2所示。

在图2中，X轴、Y轴和Z轴在线束相应的节点处，在右旋局部坐标系中对应于三个轴彼此正交。尽管，例如，使Z轴与卡钉轴线重合，但确定轴线的方法可以根据使用的功能进行相应地改变。此外，在附图中，也示出了用于参考的分支点的约束自由度。此外，尽管这里没有说明，但不同于上述束缚点，在线束上任意设定的节点基本上是完全自由的。在进行有限元分析之前，对相应的节点相应地设定约束自由度。

接下来，为便于理解，参考图3到图6对线束分析的一种情况进行说明。图3(A)是示出了示例线束外观的视图，图3(B)是示出了将示例线束数字化的情况视图，和图3(C)是示出了通过梁单元和节点模拟图3(A)的示例线束的视图。图4是用于说明通过梁单元和节点所示出的示例线束的自由度的视图。图5(A)是示出了通过三个梁单元表示的示例线束的视图，图5(B)是示出了将图5(A)的三个梁单元结合的情况视图。此外，图6(A)是示出了测量惯性矩和纵向弹性模量的情况视图，图6(B)是示出了测量极惯性矩和横向弹性模量的情况视图。

首先，在一个示例实施例中，在设计线束时应用有限元法中，可以假设线束由多个梁单元连接而成。此外，还可以进一步做如下假设：

(1)假设线束是弹性体。

(2)假设每个梁单元维持线性。

(3)假设线束的截面是圆形。

基于上述示例假设，尝试对线束进行有限元分析。

在示例实施例中，首先，将线束数字化。也就是，如图3(A)所示，可以将线束1看作一个连续体，在该线束1内通过一个带子12或类似物的保护元件捆扎有多条电线11。接下来，如图3(B)所示，将线束1分割成(数字化成)若干个梁单元C1、C2、C3......。也就是说，由于线束像一根单独的绳，因此，线束可以被看作由有限个梁单元连接而成。

因此，如图3(C)所示，可以通过由多个节点N1、N2、N3......将多个梁单元C1、C2、C3......连接起来表示线束。梁单元所需的特征值可以包括：长度l(参考图3(B))、截面积A(参考图3(B))、惯性矩I、极惯性矩J、密度ρ、纵向弹性模量E、横向弹性模量G，等等。

此外，在说明中，长度l和截面积A属于形状特征，惯性矩I、极惯性矩J、密度ρ、纵向弹性模量E和横向弹性模量G属于材料特征。

如图4所示，每个梁单元C(C1，C2，C3，......)包括节点α和节点β的两个节点。在三维空间中，节点α包括3个平动分量和3个转动分量，因此，节点α总共包括6个自由度。此外，对于节点β也是一样。因此，梁单元C包括12个自由度。

这里，在附图中，

F_xi：在第i个单元的xi轴方向上的力；

F_yi：在第i个单元的yi轴方向上的力；

F_zi：在第i个单元的zi轴方向上的力；

M_xi：绕第i个单元的xi轴的力矩；

M_yi：绕第i个单元的yi轴的力矩；

M_zi：绕第i个单元的zi轴的力矩；

U_xi：在第i个单元的xi轴方向上的位移；

U_yi：在第i个单元的yi轴方向上的位移；

U_zi：在第i个单元的zi轴方向上的位移；

θ_xi：在第i个单元的xi轴方向上的角位移；

θ_yi：在第i个单元的yi轴方向上的角位移；

θ_zi：在第i个单元的zi轴方向上的角位移；

符号α表示在左边的节点，符号β表示在右边的节点。

公知的，如下面所示的由公式(1)表示的胡克定律建立在通过一个静力而产生的结构的位移上，该静力在一个弹性区域内不振动。

Kx＝F...(1)

其中K：弹簧常数，x：位移，F：力。

胡克定律在图4中所示的梁单元C上同样成立。但是，如上文所述，梁单元C包括12个自由度，因此，力和位移之间的关系可以通过一个12行和12列的矩阵以及12行的向量来表示，如通过下面示出的公式(2)所显示的。

(公式2)

这里将给出对相容条件和平衡条件的说明。这里，为了简化，如图5(A)所示，线束由3个梁单元C1、C2、C3来表示。这种情况下，梁单元C1的节点1β和梁单元C2的节点2α的位移彼此相等，并且施加到两个节点上的力也是平衡的。同样，梁单元C2的节点2β和梁单元C3的节点3α的位移也是彼此相等的，并且施加到两个节点上的力也是平衡的。因此，梁单元C1和C2以及梁单元C2和C3可以如图5(B)所示通过合适的连续位移和平衡条件来连接起来。

此外，在附图中，

F_xi：在第i个单元的xi轴方向上的力；

F_yi：在第i个单元的yi轴方向上的力；

F_zi：在第i个单元的zi轴方向上的力；

M_xi：绕第i个单元的xi轴的力矩；

M_yi：绕第i个单元的yi轴的力矩；

M_zi：绕第i个单元的zi轴的力矩；

U_xi：在第i个单元的xi轴方向上的位移；

U_yi：在第i个单元的yi轴方向上的位移；

U_zi：在第i个单元的zi轴方向上的位移；

θ_xi：在第i个单元的xi轴方向上的角位移；

θ_yi：在第i个单元的yi轴方向上的角位移；

θzi：在第i个单元的zi轴方向上的角位移；

并且，i＝1α、1β、2α、2β、3α、3β。

此外，当图5(B)中所示的梁单元C1、C2、C3的连续位移和平衡力用与上文提到的公式(2)相同的方式来表示，则可得到如下的公式(3)。

(公式3)

这里，公式(3)中12行和12列的矩阵M1、M2和M3与公式(2)中所示的相同。但是，在矩阵M1、M2和M3彼此交叠的位置M12和M13处，相应矩阵的相应组成元素被加在一起。

此外，可以类似地处理4个或以上的梁单元。这样，可以形成被分成任意个梁单元的线束的方程式。

顺便指出，公式(3)被简单地表示成如下形式。

{K}{x}＝{F}......(4)

因此，例如，假设卡钉连接到每个节点上，当事先确定好施加到卡钉上的力时，根据上文提到的公式(4)，通过计算位移向量{x}，就可计算出线束的路径，也就是线束的形状。与此相反，当确定好路径时，就可计算出在每个节点上的力向量{F}。基于思考的基本方式，就可计算出线束的预测的路径和张力、压力、反作用力、力矩和类似的特征。对于不知道的位移向量{x}和力向量{F}，其解决办法是可以通过公知的牛顿—拉福森法、弧长法等方法进行计算。

这里，介绍计算用于梁单元的相应特征值的示例方法。首先，在形成构成本发明目标的线束，并通过利用圆规、量器、重量计量装置和类似物测量出长度l、直径D和质量之后，就可以通过简单的计算来计算长度l、截面积A和密度ρ。

此外，当进行如图6(A)中所示的测量方法时，可以通过如下所示的公式(5)表示出纵向弹性模量E。

E＝FL³/3XI......(5)

此外，由于如上文提到的，假设线束是由一个圆形截面构成，因此，可以通过如下所示的公式(6)表示出惯性矩I。

I＝πD⁴/64......(6)

因此，结合公式(5)可以得到以下公式(7)。

E＝64FL³/3XπD⁴......(7)

根据测量，可以通过如下所示的公式而测量得到F和x之间的关系。

E＝(F/X)×(64L³/3πD⁴)

同时，当进行如图6(B)所示的测量方法时，可以通过如下所示的公式(8)表示出横向弹性模量G。

G＝(IL/θJ)×2......(8)

由于假设线束是由圆形截面构成的，因此可以通过如下所示的公式(9)计算出极惯性矩J。

J＝πD⁴/32......(9)

此外，如下述表示出扭力。

F＝FS......(10)

因此，可以通过下面的公式测量出F和θ之间的关系。

G＝(32FSL/θπD⁴)×2＝(F/θ)(32SL/πD⁴)×2......(11)

上述的测量方法仅作为示例，相应的值可以通过不同于上述测量方法例子的方法而得到。此外，可以事先测量典型的线束，以形成一个数据库，并可以适当地应用该数据库。

基于上述分析方法，可以建立由多条线束和(多个)卡钉构成的线束三维有限元模型。对于各种类型的卡钉，参照例如图2所示的约束自由度对相应节点施加约束即可。

接下来，参考图8对根据实施例的布线设计方法进行说明。图7是示出根据本实施例的示例布线设计方法的流程图。图8(A)到图8(F)是以单个线束为例表示线束模型的计算结果的示意图。

在步骤S1中，提供初始设计输入。初始设计输入包含用于构建初始三维模型的信息，例如可以是将三维模型在平面内展开而得到的二维图纸，该二维图纸可以包括各个线束和卡钉的位置信息和材料信息。作为示例，二维图纸可以包括各段线束类型、长度、包覆层信息、分支位置、卡钉类型、卡钉位置、卡钉朝向、各段线束的线表信息、接插件信息等信息。在一些实施例中，可以先根据整车场提供的环境数据和需求凭经验建立三维布线模型，再将三维模型在平面内展开成二维模型。二维图纸还可以包括连接器的位置信息。线束类型可以反映线束的材料特征，例如惯性矩I、极惯性矩J、密度ρ、纵向弹性模量E和横向弹性模量G等，材料特征可以通过上文所述的方法测量得到。卡钉的种类可作为设定运动约束的依据。卡钉的空间坐标可用于确定由梁结构模拟得到的线束的两端节点(图4所示的节点α和节点β)的位置。

在步骤S2中，利用有限元软件根据步骤S1中获得的初始设计输入计算线束的初始三维空间构型。

为便于理解，先对单个线束的建模进行说明。首先，根据步骤S1中提供的初始设计输入计算初始形状。图8(B)示出所计算的初始形状33的一个示例。作为用于得到初始形状33的初始值，例如如图8(A)所示，使用约束位置31a、31z和约束方向32a、32z，还使用最小弯曲半径或者类似限定，由此提供初始形状33，该初始形状33是沿约束方向经过约束位置的一个曲线，并具有比最小弯曲半径或类似的大的弯曲半径。在一些实施例中，可以使用连接到线束中间部分的卡钉的坐标和约束方向等。此外，最小弯曲半径是依赖于线束的材料特性的一个值，并且假设通过操作者的普通力不能将线束弯曲到最小弯曲半径，上述操作者的普通力是用于操作将线束组合起来。因此，可行的是通过使用一个可以由操作者的普通力弯曲的弯曲半径而不是最小弯曲半径来提供该初始形状33。弯曲半径变成一个或多或少大于最小弯曲半径的弯曲半径，上述最小弯曲半径依赖于材料特性，并可以事先通过试验等来得到相应典型线束的弯曲半径。此外，约束方向是一个特殊的方向，沿该方向，从约束位置延伸线束的方向被一个支撑元件限制或约束住。

应理解，计算初始形状33的方法不局限于这样的一个方法，而可以使用其它的方法。对于布局内的其他线束，也可以采用同样或者其他方法进行建模，由此得到线束布局的初始三维空间构型。

接下来，在步骤S3中，对步骤S2中得到的初始三维空间构型进行有限元分析，输出布局评价参数。布局评价参数可以包括布局空间曲率、变性能和卡钉约束力。布局空间曲率和变性能可以表征线束变形程度。卡钉约束力可以表征线束变形的集中程度。

在步骤S4中，判断步骤S3中输出的布局评价参数是否满足布局评价要求。布局评价要求例如包括布局空间曲率是否低于某一预先确定的阈值、变形能是否低于某一预先确定的阈值、卡钉约束力是否低于某一预先确定的阈值，等等。此外，布局评价要求还可以包括线束之间的间隙是否过小等。

在一些实施例中，布局评价要求可以是布局空间曲率达到一定评价周期内的最小值、布局空间曲率达到一定评价周期内的最小值、布局空间曲率达到一定评价周期内的最小值、或者它们的组合。

若在步骤S4中判断步骤S3中输出的布局评价参数不满足布局评价要求，例如布局空间曲率、变形能和卡钉约束力中的一者或多者过大、或者未达到定评价周期内的最小值时，则进入步骤S5，对三维空间构型进行优化。优化例如可以包括：改变卡钉的坐标、一个或多个线束的节点坐标、约束类型和方向中的一者或多者，使得局部或整体的布局空间曲率、变形能和卡钉约束力中的一者或多者降低。作为示例，优化过程可以以线束上最大曲率、变形能或者卡钉中的一者或多者作为优化目标，以例如单个卡钉或多个卡钉的扭转角度为优化变量，通过在一定范围内调节优化变量的值。在一些实施例中，优化可以针对布局空间曲率、变形能或者卡钉约束力较大的部分。例如，当某一线束的变形能较高时，可以使调整该线束的端点位置使得彼此进一步远离，调整的方向可以考虑周围其他线束的端点位置，使得造成周围其他线束的变形能的增加总量最小。替代地，也可以调整该线束的内部节点的位置以减小曲率。替代地，还可以调整该线束的材料参数以降低变形能。

在完成优化后，返回到步骤S3，再次输出布局评价参数，然后在步骤S4中判断所输出的布局评价参数是否符合布局评价要求。步骤S3至S5的过程可以多次迭代，从而逐渐对线束的三维空间构型进行优化。因此，在步骤S5中的优化可以逐节点地进行，不要求在一次优化过程中达到布局评价要求。

若在步骤S4中判断步骤S3中输出的布局评价参数满足布局评价要求，则进入步骤S6，将此时的三维空间构型确定为最终布线方案。

步骤S3～S5可以执行多次。例如，优化过程可以以线束上最大曲率、变形能或者卡钉中的一者或多者作为优化目标，以例如单个卡钉或多个卡钉的扭转角度为优化变量，通过在一定范围内调节优化变量的值，进行多组有限元计算(步骤3)，根据优化目标和优化变量之间的关系得到最优的优化变量组合。

这样，根据本实施例，能够获得线束在空间的真实构型，并且自动计算诸如线束曲率、变形程度和卡钉约束力之类的布局评价参数，为设计方案和生产装配提供参考。此外，本公开能自动产生优化方案为改进布线设计提供参考，而且空间构型计算和优化方便快捷，比传统流程效率明显提升。

本文中所公开的机制的实施例可被实现在硬件、软件、固件或此类实现方式的组合中。本发明的实施例可实现为在可编程系统上执行的计算机程序或程序代码，该可编程系统包括至少一个处理器、存储系统(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)、至少一个输入设备以及至少一个输出设备。

至少一个实施例的一个或多个方面可由存储在机器可读介质上的表示处理器中的各种逻辑的表示性指令来实现，该表示性指令在由机器读取时使得该机器制造用于执行本文中所描述的技术的逻辑。

此类机器可读存储介质可以包括但不限于通过机器或设备制造或形成的物品的非暂态的有形安排，其包括存储介质，诸如：硬盘；任何其他类型的盘，包括软盘、光盘、只读光盘存储器(CD-ROM)、可读写光盘存储器(CD-RW)以及磁光盘；半导体器件，诸如只读存储器(ROM)、诸如动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)之类的随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)；相变存储器(PCM)；磁卡或光卡；或适于存储电子指令的任何其他类型的介质。

以上详细描述了本发明的优选实施方式。但应当理解为本发明在不脱离其广义精神和范围的情况下可以采用各种实施方式及变形。本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本领域技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应属于由本发明的权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于有限元的布线设计方法，包括：

基于初始设计输入计算包括多个线束和多个卡钉的初始三维空间构型，其中将每个所述线束视为由多个梁单元连接而成；

计算所述初始三维空间构型的布局评价参数，所述布局评价参数包括布局空间曲率、变形能以及卡钉约束力；

响应于确定所述布局评价参数不满足布局评价要求，优化所述三维空间构型，直到满足所述布局评价要求，并将此时的优化后三维空间构型作为最终布线方案，

其中，优化所述三维空间包括变更所述卡钉的空间坐标、所述线束的节点坐标、对所述线束的约束类型和方向中的一者或多者，使得与所调整的线束或卡钉相对应的布局空间曲率、所述变形能和所述卡钉约束力中的一者或多者减小，并且造成周围其他线束的布局空间曲率、所述变形能和所述卡钉约束力的增加总量最小。

2.如权利要求1所述的布线设计方法，其特征在于，所述初始设计输入为二维图纸，包括各个线束和卡钉的位置信息和材料信息。

3.如权利要求1所述的布线设计方法，其特征在于，所述布局评价要求包括所述布局空间曲率达到一定评价周期内的最小值、所述变形能达到一定评价周期内的最小值或者所述卡钉约束力达到一定评价周期内的最小值中的一者或多者。

4.如权利要求1所述的布线设计方法，其特征在于，所述布局评价要求包括所述布局空间曲率、变形能或者卡钉约束力中的一者或多者不高于预先确定的阈值。

5.如权利要求1所述的布线设计方法，其特征在于，优化所述三维空间包括改变所述线束的材料参数。

6.一种用于基于有限元的布线设计装置，包括处理器，所述处理器被编程以用于执行如权利要求1至5中任一项所述的方法。

7.一种非瞬态计算机可读存储介质，其上存储有指令，所述指令能被处理器执行，以致使所述处理器执行如权利要求1至5中任一项所述的方法。

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