[发明专利]一种虚拟环境下多分支电缆网的物理建模和布线仿真方法

说明书

一种虚拟环境下多分支电缆网的物理建模和布线仿真方法，其特征主要包括：以主干段及分支段描述多分支电缆网，建立多分支电缆网的几何模型及物理模型；通过多分支电缆网在分支点处的约束分类电缆结构典型类型；多分支电缆网通过离散电缆中心线对位姿进行求解并给出多分支电缆网的布线仿真步骤。本发明的实施例准确的对多分支电缆网进行物理建模，从而使得柔性电缆网仿真更加符合实际，进而在一定程度上为多分支电缆网布线提供技术参考。

技术领域

本发明涉及一种虚拟环境下多分支电缆网的物理建模和布线仿真方法，具体的说是通过建立多分支电缆网的几何及物理模型并描述其在仿真过程中位姿。根据多分支电缆网的结构特征确定其在分支点处的几何约束及分支段和主干段之间的物理参数的变化，以此求解出多分支电缆网动态仿真的位姿变化过程及其布线过程，从而为多分支电缆网实际布线提供参考。

背景技术

电缆作为连接电气元器件、电气设备或控制装置的零件，其在车辆、船舶以及航空航天产品领域中占有举足轻重的地位。机电产品中的电缆有着复杂的拓扑结构，尤其是电缆网包含着多个分支，使得其形态各异。电缆网在装配过程中由于装配空间小及会受到不同的空间约束，使得电缆网的装配成为难题。目前电缆网的装配多以人工装配为主，其严重依赖于经验，并具有滞后性。伴随着计算机的不断发展，传统的制造业也发生更迭，虚拟装配技术为电缆网的装配提供了新的解决方案。建立合适准确的电缆网模型是电缆网虚拟装配的基础所在，考虑电缆网多分支结构所建立的电缆网模型与实际更加相符，同时对于柔性电缆网实际装配更加具有指导意义。

柔性电缆网的建模包含电缆的几何建模和物理建模。几何模型包含着电缆网的几何形态和拓扑信息，物理模型考虑了电缆网的抗拉、抗弯、抗扭刚度及各种约束，使其动态仿真形态更加符合电缆网的实际形态。J.Linn[Linn J,Stephan T.Simulation ofquasistatic deformations using discrete rod models[M].Franuhofer-Institut furTechno-und Wirtschaftsmathematik,Fraunhofer(ITWM),2008.]利用截面及中心线的位姿的方法描述电缆，这一方法认为柔性电缆的空间几何形态可以通过中心线与截面形态来联合描述。其中，电缆的中心线形态可通过空间曲线描述，而刚性截面形态由位于离散点处截面的扭转决定。Tomas Hermansson(Hermansson T,Bohlin R,Carlson J S,etal.Automatic assembly path planning for wiring harness installations[J].Journal of manufacturing systems,2013,32(3):417-422.)基于Cosserat理论提出电缆自动路径规划方法，以装配路径为目标，通过最小能量法并引入边界条件对电缆空间位姿实时性求解。对求解出的电缆控制点的坐标进行平滑化处理，此模型在单根电缆的路径规划中成功应用。大连海事大学的度红望[度红望.柔性电缆物性建模与几何形态仿真[D].大连海事大学,2014.]分别分析了在理想和复杂约束下的电缆的Kirchhoff方程。分别在理想状态下和复杂约束下建立电缆的平衡方程并求解。北京理工大学的刘检华[刘检华,林海立等.一种基于科瑟拉弹性杆模型的线缆的建模方法及装置[P].北京:CN104992025A,2015-10-21.]提出一种基于Cosserat弹性杆的电缆建模方法及其装置，将电缆中心线进行离散化处理，描述弹性势能与离散电缆中心线段中点的四元数和每段端点空间坐标之间的关系式，其中包含拉伸变形能关系式和弯曲、扭转变形能关系式。以罚函数的形式引入约束条件，通过非线性最小二乘法求得弹性势能和罚函数之和的最小值，从而求解出端点坐标。

由以上可知，以往的电缆弹性杆模型问题在于：目前柔性电缆装配仿真多以单根电缆为研究对象，而在实际装配过程中是对电缆束进行装配操作。对柔性电缆装配形态仿真时由于其形态复杂多变，在装配过程中会受到不同的空间约束作用使得其形态难以准确描述。这就需要对多分支电缆进行建模，于此建立出的电缆模型更加符合实际。

发明内容