1.為什么要進行柔性線纜仿真

《中國制造2025》以促進制造業創新驅動發展為主題，以提質增效為中心、綠色發展、人才為本的基本方針，實現制造業由大變強的轉型升級；以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以智能制造為主攻方向；全面實現產品智能化、裝備智能化、生產智能化、服務智能化、管理智能化。產品智能化、裝備智能化的進程， 伴隨著更豐富的功能，更智能的用戶體驗，這就意味著更加復雜的電氣系統。

線束開發和管路設計難度不斷增加，與剛性結構不同，線束和管線具有柔性特征，其在外力作用及自身重力影響下的形變和受力狀態，很難依靠經驗進行判斷和確定。同時，這些錯綜復雜的線束和管路還被要求在更為有限的空間中完成，新舊問題和矛盾不斷凸顯。對傳統線束開發提出了更大的挑戰。

2.傳統線束開發面臨的挑戰

傳統線束開發，通常使用CAD軟件對線束走向進行布置，制造物理樣機進行線束的實驗驗證，導致研發周期長、效率低、成本高，而且無法適應產品更新換代的速度和市場的需求。

圖1 傳統線束開發流程

由于CAD軟件沒能夠充分考慮線束自身的材料剛度，扭轉情況及重力對其走向的影響，導致CAD設計走向與實際走向存在巨大差異，無法準確估算實際用線長度；

• 無法準確預測線束的小動態間隙、小彎曲半徑、大端部拉扯力、應力分布、扭轉情況、動態包絡等動態表現；

• 設計時無法模擬制造公差、安裝公差對實際安裝的影響；

• 設計時無法準確預測線束上卡箍對安裝的影響；

• 不能實現實時優化；

圖2 汽車電氣系統

3.IPS Cable Simulation（柔性線纜仿真）解決方案

IPS Cable Simulation是德國FleXstructuresGmbH公司的工業路徑解決方案IPS(Industrial Path Solution)軟件平臺中專門用于柔性管線分析優化的模塊，是由歐洲應用研究組織弗勞恩霍夫協會（FraunhoferResearch）中專門致力于數字化仿真工程算法研究的ITWM和FCC兩家研究機構共同研究和開發的旗艦類軟件產品。

IPS Cable Simulation在工業中的軟管、電纜和復雜線束的設計優化及質量控制中得到了廣泛的應用，尤其是在汽車、和航空等領域中已得到了成功的應用和驗證。

圖3 IPS Cable Simulation

IPS Cable Simulation能夠仿真外力作用及重力條件下，管線的撓性運動路徑；可對運動部位的管線實時仿真，動態展示管線的空間變形、彎扭狀態以及應力應變分布；能進行高頻振動及疲勞分析，公差分析，掃掠體積模型，生成運動路徑包絡線和容差包絡線；實時優化與修改，優化后的數據能夠返回三維軟件，支持與三維軟件的數據橋接，能夠根據設計規則，實現管線自動布置。

IPS柔性線纜仿真應用于線束開發的三個階段：設計階段、驗證階段、裝配階段。

圖5 應用流程

3.1 設計階段

依靠經驗在CAD軟件中進行線束系統的設計，但是真實材料剛度及重力的影響并未考慮，同時，一旦周邊數模發生設計變更，所有走向需要重新設計。

• 自動布置線束走向；

• 實時交互進行走向變更；

• 早期預測風險；

• 運動部件的安裝空間監測；

• 公差、間隙和運動分析；

圖6 設計優化

3.2 驗證階段

進行早期驗證能減少實物樣機的次數，進而節省時間和成本，采用IPS進行虛擬驗證，不僅可以實時監測諸如拉伸力、小彎曲半徑及動態間隙等風險因素，還能夠根據監測結果進行實時優化。

• 基于真實物理環境的實時仿真；

• 實時監測彎曲半徑、扭轉、拉伸和動態間隙等風險因素；

• 可引入公差分析；

• 包絡計算；

圖7 驗證分析

3.3 裝配階段

線束系統等柔性件的組裝問題是一大挑戰，不僅因為生存空間狹窄，還需要考慮充足的安裝空間，并且，需要預留合適的長度來保證安裝過程以及安裝后不存在風險。

• 對線束在安裝過程以及安裝完成后的應力進行分析；

• 基于組裝分析的結構驗證；

• 交互優化，實時更改線束長度、材料以及卡箍類型；

圖8 虛擬裝配

4. V+R沉浸式的驗證體驗

TechViz公司提供專業的3D虛擬現實可視化協同解決方案，與IPS軟件平臺達成深度的合作，TechViz與IPS相結合，可以為用戶提供沉浸式的驗證體驗。

• 支持示設備，包括HMD、CAVE、平面、平鋪式、球幕、被動/主動/自動立體、多顯示屏等；

• 直接對IPS數據進行1:1沉浸式立體評審，無需數據轉換或導入導出操作；

• 實時顯示IPS里的數據，在IPS里修改之后，可立即同步至沉浸式環境中；

• 直觀的使用界面，操作簡單，學習成本低；

• 高幀率顯示超大3D CAD模型；

5.柔性線纜仿真的價值

線束開發過程是一個多方合作、多學科交叉的復雜過程，從研發需求的提出到產品的生產制造和測試，將經過多個階段和多次迭代。在線束研發階段引入柔性線纜仿真驗證，不僅能夠及早發現和消除潛在的設計問題，在問題發生之前就將其消除，阻斷這些問題向下游流程的傳遞，從而避免造成更大的損失。同時也能夠幫助設計人員對設計結果進行多項優化，篩選更佳方案，縮短設計結果的迭代過程，提高設計效率與準確率。

• 在數字化的世界中減少物理試驗的次數；

• 輔助獲取線纜正確的安裝長度及設計空間；

• 在物理樣車制造之前輔助找到正確的布置方式；

方案素材來自IPS Cable Simulation