CN117034496B - 一种基于Grasshopper的电缆参数化建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于Grasshopper的电缆参数化建模方法，涉及三维建模技术领域，本发明首先，通过对电缆结构进行分析并结合电缆制造工艺，确定电缆绞合层级与电缆的关键参数；接着，在Grasshopper内根据电缆的基础结构，建立出基本功能模块工具箱；最后，利用这些基本功能模块，根据电缆的关键参数建立出多级绞合线，并根据绞合线和截面参数分别构建出电缆的整体三维模型。该方法将能够实现对电缆进行准确三维模型构建，并为后续的仿真分析提供可靠的基础。本发明将对电缆设计与分析领域产生积极的影响，并为电缆的优化设计和性能提升提供有力支持。
Description
技术领域
本发明涉及三维建模技术领域，尤其涉及一种基于Grasshopper的电缆参数化建模方法。
背景技术
电缆是供电系统和控制系统中的关键硬件设施之一。在各个领域，电缆都扮演着重要的角色，作为电力和控制信号传输的必要部件。针对电缆的仿真分析，可以有效地揭示电缆设计中的不合理之处，并对改进电缆设计以及分析电缆损伤特性具有重要意义。而要进行准确的仿真分析，必须首先精确构建电缆的三维模型，因此电缆三维模型的构建具有重要的工程意义。
然而，在现有技术中，主要采用基于控制离散点或基于弹性杆力学模型的电缆建模方法，这些方法存在着极其复杂繁琐的建模过程。而且，它们极大地简化了电缆结构，忽略了电缆导体制造工艺对其工作性能的影响。因此，这些方法并不能简单、高效、准确地对电缆进行参数化建模。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于Grasshopper的电缆参数化建模方法，旨在简化建模过程，同时兼顾电缆结构的复杂性和制造工艺对工作性能的影响。该方法将能够实现对电缆进行准确三维模型构建，并为后续的仿真分析提供可靠的基础。本发明将对电缆设计与分析领域产生积极的影响，并为电缆的优化设计和性能提升提供有力支持。
一种基于Grasshopper的电缆参数化建模方法，包括以下步骤：
步骤1：分析电缆结构，确定绞合层级，并根据电缆制造工艺确定每层级电缆结构参数；
所述电缆结构具体包括动力线芯导体、动力线芯绝缘层、地线芯导体、控制线芯导体、控制线芯绝缘层、控制线芯编织层、控制线芯包覆层以及外护套；
所述电缆结构参数包括电缆线芯数、线芯类别、尺寸、以及位置；
所述绞合层级包括一级绞合曲线至N级绞合曲线，一级绞合曲线为绕电缆轴线旋转的动力线中心线，二级绞合曲线为绕在一级绞合曲线的绞合线，N级绞合曲线为绕在N-1级绞合曲线的绞合线；
步骤2：构建出增加绞合线功能块、C#阵列功能块、编织层功能块、圆形扫掠功能块、异形截面扫掠功能块；
所述增加绞合线功能块用于，输入上一级绞合线并将上级绞合线离散化，在上一级绞合线离散点处建立法平面，新的一级绞合线离散点分布在法平面上，每个新的一级绞合线离散在相应法平面上的坐标为(u，v)＝(R*sin(l/L)，R*cos(l/L))，其中R为新一级绞合线的绞合半径，l为法平面原点沿上一级绞合线距离上一级绞合线开始点的距离，L为新一级绞合线的节距，求解出新一级绞合线离散点后将离散点拟合成曲线所得到曲线即为新一级绞合线；
所述C#阵列功能块用于，输入目标数量、阵列目标绞合线的离散点集合和对应离散点所在的上一级绞合线法平面集合，将离散点在对应法平面上一级绞合线法平面上绕原点均匀圆周阵列n次，获得m个点集，每个点集由n个点构成，其中m为离散点数量，n为阵列目标数量，然后将整体点集输入到C#程序块处理后输出n个点集，每个点集由m个点构成，最后将n个点集分别拟合成曲线，获得n条曲线，完成阵列；
所述编织层功能块用于，输入编织层整体轴线，按照编织层节距和绞合半径构建出正向绞合线和反向绞合线并分别阵列所有绞合线，求出绞合线所有相交点，过每个交点向上一级绞合线作垂线，每个垂足和每个交点构成一个方向向量，其中编织层由上下交错绞合方向相反的两层绞线组成，分别沿正方向绞合线和反方向绞合线将所得到的交点每隔一个点向此点对应方向向量正方向偏移r，r为编织层细丝的线半径，其余点向点对应方向向量反方向偏移r，分别将偏移后的点拟合成曲线获得一组上下交错的曲线即为编织层细丝的中心线；
所述圆形扫掠功能块和异形截面扫掠功能块通过绞合线扫掠出圆形和异形的曲面，其中圆形扫掠功能块直接通过建模工具“pipe”实现，异形截面扫掠功能块首先将输入曲线离散化，用每个离散点向输入曲线的上一级绞合线作垂线，每个垂足和对应离散点构成一个方向向量，过每个离散点以对应方向向量为y轴作法平面，然后将所需截面形状用点线方式绘制在每个法平面上，最后将每个法平面上的曲线通过loft工具拟合成曲面，完成异形曲面扫掠；
步骤3：根据步骤1获得的绞合层级和每层级电缆结构参数，利用增加绞合线功能块、C#阵列功能块、编织层功能块构建出并逐层绘制出所有绞线的中心线；
步骤4：确定每一根绞线、绝缘层、和编织层的截面属性，根据每根绞线的中心线和截面属性利用圆形扫掠功能块、异形截面扫掠功能块分别绘制出每根绞线，完成电缆参数化建模；
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提供一种基于Grasshopper的电缆参数化建模方法，能够高效地对电缆进行三维建模，并实现对电缆参数的控制。可以根据不同需求快速生成各种规格、尺寸和结构的电缆模型，极大地提高了建模的灵活性和效率。同时，由于方法中融入了制造工艺的信息，建模结果更加准确可靠，有助于优化电缆设计并提升其性能。本方法结合电缆制造工艺，根据电缆的绞线层级、绞合半径、外径等参数来确定电缆的各级绞合线。通过确定截面属性，利用各绞合线扫描出电缆的各部分，从而实现简单、高效、准确、且可参数化的对电缆进行三维建模。通过本发明的方法，电缆的绞合线等关键参数可以根据实际需求进行灵活调整，从而快速生成不同规格、尺寸和结构的电缆模型。这使得电缆建模过程更为高效和灵活，有助于满足不同应用场景的特定需求。
附图说明
图1是本发明一种基于Grasshopper的电缆参数化建模方法“增加绞合线功能块”流程图；
图2是本发明一种基于Grasshopper的电缆参数化建模方法“C#阵列功能块”流程图；
图3是本发明一种基于Grasshopper的电缆参数化建模方法“编织层功能块”流程图；
图中(a)为生成正向和反向绞合线的流程图；(b)求取交点、偏移交点和拟合细丝轴线的流程图；
图4是本发明一种基于Grasshopper的电缆参数化建模方法“异形截面扫掠功能块”；
图中(a)为以对应方向向量为y轴作法平面的流程图，(b)为绘制截面形状与拟合曲面流程图；
图5是利用本发明方法建立的两级绞合线缆三维模型；
图6是利用本发明方法建立的编织层模型；
图7是利用本发明方法以一种矿用电缆为例建立的三维模型整图；
图8是利用本发明方法以一种矿用电缆为例建立的三维模型端面局部放大图。
图中：1、二级绞合线缆；2、编织层；3、编织层内部绞线；4、动力线导体；5、动力线绝缘层；6、控制线芯导体；7、控制线芯绝缘层；8、外护套；9、地线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
下面以某型号采煤机电缆结构作为实施例对本发明的具体方式进行说明。
一种基于Grasshopper的电缆参数化建模方法，包括以下步骤：
步骤1：分析电缆结构，确定绞合层级，并根据电缆制造工艺确定每层级电缆结构参数；
所述电缆结构具体包括动力线芯导体、动力线芯绝缘层、地线芯导体、控制线芯导体、控制线芯绝缘层、控制线芯编织层、控制线芯包覆层以及外护套；
所述电缆结构参数包括电缆线芯数、线芯类别、尺寸、以及位置；
所述绞合层级包括一级绞合曲线至N级绞合曲线，一级绞合曲线为绕电缆轴线旋转的动力线中心线，二级绞合曲线为绕在一级绞合曲线的绞合线，N级绞合曲线为绕在N-1级绞合曲线的绞合线；
本实施例中具体的，电缆结构包括动力线芯导体1、二级绞合线缆；编织层2；编织层内部绞线3；动力线导体4；动力线绝缘层5；控制线芯导体6；控制线芯绝缘层7；外护套8；地线9；
步骤2：构建出增加绞合线功能块、C#阵列功能块、编织层功能块、圆形扫掠功能块、异形截面扫掠功能块；
所述增加绞合线功能块如图1所示,用于，输入上一级绞合线并将上级绞合线离散化，在上一级绞合线离散点处建立法平面，新的一级绞合线离散点分布在法平面上，每个新的一级绞合线离散在相应法平面上的坐标为(u，v)＝(R*sin(l/L)，R*cos(l/L))，其中R为新一级绞合线的绞合半径，l为法平面原点沿上一级绞合线距离上一级绞合线开始点的距离，L为新一级绞合线的节距，求解出新一级绞合线离散点后将离散点拟合成曲线所得到曲线即为新一级绞合线；
所述C#阵列功能块如图2所示,用于，输入目标数量、阵列目标绞合线的离散点集合和对应离散点所在的上一级绞合线法平面集合，将离散点在对应法平面上一级绞合线法平面上绕原点均匀圆周阵列n次，获得m个点集，每个点集由n个点构成，其中m为离散点数量，n为阵列目标数量，然后将整体点集输入到C#程序块处理后输出n个点集，每个点集由m个点构成，最后将n个点集分别拟合成曲线，获得n条曲线，完成阵列；
所述编织层功能块如图3所示,用于，输入编织层整体轴线，按照编织层节距和绞合半径构建出正向绞合线和反向绞合线并分别阵列所有绞合线，求出绞合线所有相交点，过每个交点向上一级绞合线作垂线，每个垂足和每个交点构成一个方向向量，其中编织层由上下交错绞合方向相反的两层绞线组成，分别沿正方向绞合线和反方向绞合线将所得到的交点每隔一个点向此点对应方向向量正方向偏移r，r为编织层细丝的线半径，其余点向点对应方向向量反方向偏移r，分别将偏移后的点拟合成曲线获得一组上下交错的曲线即为编织层细丝的中心线；
所述圆形扫掠功能块和异形截面扫掠功能块如图4所示,通过绞合线扫掠出圆形和异形的曲面，其中圆形扫掠功能块直接通过建模工具“pipe”实现，异形截面扫掠功能块首先将输入曲线离散化，用每个离散点向输入曲线的上一级绞合线作垂线，每个垂足和对应离散点构成一个方向向量，过每个离散点以对应方向向量为y轴作法平面，然后将所需截面形状用点线方式绘制在每个法平面上，最后将每个法平面上的曲线通过loft工具拟合成曲面，完成异形曲面扫掠；
步骤3：根据步骤1获得的绞合层级和每层级电缆结构参数，利用增加绞合线功能块、C#阵列功能块、编织层功能块构建出并逐层绘制出所有绞线的中心线；
本实施例中在步骤2、3中，根据线缆参数和线缆制造工艺，在Grasshopper中建立基本功能工具块并利用工具块各个线芯的轴线；
步骤4：确定每一根绞线、绝缘层、和编织层的截面属性，根据每根绞线的中心线和截面属性利用圆形扫掠功能块、异形截面扫掠功能块分别绘制出每根绞线，完成电缆参数化建模；
在步骤4中，利用圆形扫掠功能块和异形截面扫掠功能块根据各个线芯的轴线和截面扫掠出各个线芯，如图5所示为扫掠后生成的二级绞合线缆。
如图7所示，以一种矿用电缆为例，地线放置在缆芯中央、控制单元作为第四芯与3根动力线一起成缆，各线芯中心到缆芯距离相等、线芯间夹角为90°，最外层为电缆外护套；其中，动力线芯导体由3+8+14结构束线按一定绞向、节径比复绞而成，地线芯导体由4+10结构束线按一定绞向、节径比复绞而成。控制单元由4根控制线按一定绞向、节径比复绞而成。控制线芯导体包括编织层和内部股线，编织层由14根钢丝上下交错编织而成，内部股线包含7根股线，按一定方向和节径比相互绞合。每根股线由1+6+13根细丝按一定绞向、节径比复绞而成。
如图6、7以及图8所示，根据电缆参数和加工工艺，导体绞向、导体内、外层节径比、内、外层绞合外径等参数，以电缆轴线(世界坐标系x轴)为一级螺旋线，利用“增加绞合线功能块”绘制出控制单元中心线，利用“C#阵列功能块”阵列出三根动力线芯的中心线。以三根动力线中心线作为输入利用“增加绞合线功能块”和“C#阵列功能块”分别建立出三层动力线芯股线的中心线。以控制单元中心线作为输入利用“增加绞合线功能块”和“C#阵列功能块”分别建立出4根控制线的中心线。同理，基于控制线的中心线利用“增加绞合线功能块”、“C#阵列功能块”和“编织层功能块”建立出控制线导体中每根细丝的中心线。最后利用“圆形扫掠功能块”和“异形截面扫掠功能块”根据电缆各部分截面属性扫掠出各部分。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于Grasshopper的电缆参数化建模方法，具体步骤如下：首先，对电缆结构进行分析，然后构建基本功能块。接着，利用这些基本功能块结合电缆的参数和制造工艺来构建电缆各部分的中心线。最后，基于电缆各部分的中心线，利用这些基本功能块构建出电缆的各个部分。这种方法能够简单、高效、准确，并且可以参数化地对采煤机电缆进行三维建模。
通过本发明的方法，我们能够根据实际需要快速生成不同规格、尺寸和结构的电缆模型。利用Grasshopper的特性，我们能够直观地进行可视化编程，简化了电缆建模的过程。同时，结合电缆的参数和制造工艺，确保了建模结果的准确性和可靠性。
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (2)
1.一种基于Grasshopper的电缆参数化建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：分析电缆结构，确定绞合层级，并根据电缆制造工艺确定每层级电缆结构参数；
步骤2：构建出增加绞合线功能块、C#阵列功能块、编织层功能块、圆形扫掠功能块、异形截面扫掠功能块；
所述增加绞合线功能块用于，输入上一级绞合线并将上级绞合线离散化，在上一级绞合线离散点处建立法平面，新的一级绞合线离散点分布在法平面上，每个新的一级绞合线离散在相应法平面上的坐标为(u，v)＝(R*sin(l/L)，R*cos(l/L))，其中R为新一级绞合线的绞合半径，l为法平面原点沿上一级绞合线距离上一级绞合线开始点的距离，L为新一级绞合线的节距，求解出新一级绞合线离散点后将离散点拟合成曲线所得到曲线即为新一级绞合线；
所述C#阵列功能块用于，输入目标数量、阵列目标绞合线的离散点集合和对应离散点所在的上一级绞合线法平面集合，将离散点在对应上一级绞合线法平面上绕原点均匀圆周阵列n次，获得m个点集，每个点集由n个点构成，其中m为离散点数量，n为阵列目标数量，然后将整体点集输入到C#程序块处理后输出n个点集，每个点集由m个点构成，最后将n个点集分别拟合成曲线，获得n条曲线，完成阵列；
所述编织层功能块用于，输入编织层整体轴线，按照编织层节距和绞合半径构建出正向绞合线和反向绞合线并分别阵列所有绞合线，求出绞合线所有相交点，过每个交点向上一级绞合线作垂线，每个垂足和每个交点构成一个方向向量，其中编织层由上下交错绞合方向相反的两层绞线组成，分别沿正方向绞合线和反方向绞合线将所得到的交点每隔一个点向此点对应方向向量正方向偏移r，r为编织层细丝的线半径，其余点向点对应方向向量反方向偏移r，分别将偏移后的点拟合成曲线获得一组上下交错的曲线即为编织层细丝的中心线；
所述圆形扫掠功能块和异形截面扫掠功能块通过绞合线扫掠出圆形和异形的曲面，其中圆形扫掠功能块直接通过建模工具“pipe”实现，异形截面扫掠功能块首先将输入曲线离散化，用每个离散点向输入曲线的上一级绞合线作垂线，每个垂足和对应离散点构成一个方向向量，过每个离散点以对应方向向量为y轴作法平面，然后将所需截面形状用点线方式绘制在每个法平面上，最后将每个法平面上的曲线通过loft工具拟合成曲面，完成异形曲面扫掠；
步骤3：根据步骤1获得的绞合层级和每层级电缆结构参数，利用增加绞合线功能块、C#阵列功能块、编织层功能块构建出并逐层绘制出所有绞线的中心线；
步骤4：确定每一根绞线、绝缘层、和编织层的截面属性，根据每根绞线的中心线和截面属性利用圆形扫掠功能块、异形截面扫掠功能块分别绘制出每根绞线，完成电缆参数化建模。
2.根据权利要求1所述的一种基于Grasshopper的电缆参数化建模方法，其特征在于，步骤1中所述电缆结构包括动力线芯导体、动力线芯绝缘层、地线芯导体、控制线芯导体、控制线芯绝缘层、控制线芯编织层、控制线芯包覆层以及外护套；
所述电缆结构参数包括电缆线芯数、线芯类别、尺寸、以及位置；
所述绞合层级包括一级绞合曲线至N级绞合曲线，一级绞合曲线为绕电缆轴线旋转的动力线中心线，二级绞合曲线为绕在一级绞合曲线的绞合线，N级绞合曲线为绕在N-1级绞合曲线的绞合线。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Form Finding and Structural Optimisation of Tensile Cable Dome Using Parametric Modelling Tools;Iria Heitel 等;Structure Engineering International;20210519;第31卷(第2期);271-280 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117034496A (zh) | 2023-11-10 |
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