MakeReal3D 实时柔性线缆仿真

DAE专栏 / 04-11

线缆布线与敷设是机电产品设计中带有普遍性的难题，一般要求设计人员确定线缆在产品中的路由、长度以及线缆卡箍位置。工程上多是利用细铁丝代替真实线缆、胶布代替卡箍来进行产品实物样机模拟装配试验，进而确定线缆路由、长度及卡箍位置，这样做不仅增加了产品研发成本、延长了研制周期，而且未对线缆路由进行总体规划。

图1 航空布线
与普通机械零件相比，线缆是柔性件，进行计算机辅助线缆布线的关键是要解决好两个方面的问题：线缆路径规划和线缆形状仿真。线缆路径规划既要考虑空间约束，又要考虑电气性能要求如电磁兼容等，实际上是一类特殊的带性能约束的布局问题，其中待定参数多、可行空间复杂，传统的基于数学模型的优化布局方法无法对其进行求解，只有借助于人工智能、利用人机交互手段来解决。线缆形状仿真是在线缆路径规划后根据线缆卡箍位置基于力学原理计算线缆形状。虽然目前已有CAD 软件开始支持线缆路径规划，但在线缆形状模拟方面还不太理想。近年来，虚拟现实技术作为一种解决传统设计问题的有效手段，在可视化、人机交互等方面具有其它方法难以企及的优点，受到了广泛的重视，因此，将虚拟现实技术应用于线缆布线路径规划是许多设计人员追求的目标。在线缆形状仿真方法方面，有限元法显然是最有效的方法，但是有限元法计算量大，难以满足人机交互对实时性的要求。
图2 实时柔性线缆仿真

MakeReal3D柔性线缆仿真模块基于物理的线缆建模技术成功地解决了柔性线缆的几何形状仿真问题。基于物理的建模技术是将线缆看作具有质量，有弹性的连续弹性物体，在外力及边界约束作用下进行变形，变形过程服从物理定律。该方法依据力学原理建立物体的运动学方程，采用数值方法对方程求解，最终模拟到线缆变形的平衡状态。线缆基于物理属性的模型主要包括“质点-弹簧”系统和有限元模型。“质点-弹簧”系统的基本原理是将曲面离散为一系列没有体积的质点(也称粒子) ，质点之间通过一系列没有质量，长度不为零的弹簧来连接。采用牛顿力学定理建立质点的运动方程，通过求解微分方程模拟线缆的动态变形。MakeReal3D中的柔性线缆仿真模块将“质点-弹簧”系统进行了改进，首先定义连接相邻质点的弹簧为线性弹簧，用来计算质点在拉伸过程中所受到的弹性张力。同时用相邻两个弹簧的夹角定义一个扭曲弹簧，用来仿真线缆的弯曲刚度大小。它们采用隐式欧拉和共轭梯度法进行数值解析，并得到线缆受力后的平衡状态。

图3 柔性线缆间的实时刚体物理碰撞检测
MakeReal3D 柔性线缆仿真模块技术特征：1)    实时计算，刷新率达到30-80Hz；2)    支持柔性线缆与刚体间的物理碰撞检测；3)    柔性线缆之间能够实现实时物理碰撞检测；4)    支持柔性线缆交互和仿真；5)    基于物理属性的线缆定义（输入半径、密度、弹性模量及泊松比）；6)    支持节点合并，能够仿真线缆合并与分叉。

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