1.为什么要进行柔性线缆仿真

《中国制造2025》以促进制造业创新驱动发展为主题，以提质增效为中心、绿色发展、人才为本的基本方针，实现制造业由大变强的转型升级；以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以智能制造为主攻方向；全面实现产品智能化、装备智能化、生产智能化、服务智能化、管理智能化。产品智能化、装备智能化的进程， 伴随着更丰富的功能，更智能的用户体验，这就意味着更加复杂的电气系统。

线束开发和管路设计难度不断增加，与刚性结构不同，线束和管线具有柔性特征，其在外力作用及自身重力影响下的形变和受力状态，很难依靠经验进行判断和确定。同时，这些错综复杂的线束和管路还被要求在更为有限的空间中完成，新旧问题和矛盾不断凸显。对传统线束开发提出了更大的挑战。

2.传统线束开发面临的挑战

传统线束开发，通常使用CAD软件对线束走向进行布置，制造物理样机进行线束的实验验证，导致研发周期长、效率低、成本高，而且无法适应产品更新换代的速度和市场的需求。

图1 传统线束开发流程

由于CAD软件没能够充分考虑线束自身的材料刚度，扭转情况及重力对其走向的影响，导致CAD设计走向与实际走向存在巨大差异，无法准确估算实际用线长度；

• 无法准确预测线束的小动态间隙、小弯曲半径、大端部拉扯力、应力分布、扭转情况、动态包络等动态表现；

• 设计时无法模拟制造公差、安装公差对实际安装的影响；

• 设计时无法准确预测线束上卡箍对安装的影响；

• 不能实现实时优化；

图2 汽车电气系统

3.IPS Cable Simulation（柔性线缆仿真）解决方案

IPS Cable Simulation是德国FleXstructuresGmbH公司的工业路径解决方案IPS(Industrial Path Solution)软件平台中专门用于柔性管线分析优化的模块，是由欧洲应用研究组织弗劳恩霍夫协会（FraunhoferResearch）中专门致力于数字化仿真工程算法研究的ITWM和FCC两家研究机构共同研究和开发的旗舰类软件产品。

IPS Cable Simulation在工业中的软管、电缆和复杂线束的设计优化及质量控制中得到了广泛的应用，尤其是在汽车、和航空等领域中已得到了成功的应用和验证。

图3 IPS Cable Simulation

IPS Cable Simulation能够仿真外力作用及重力条件下，管线的挠性运动路径；可对运动部位的管线实时仿真，动态展示管线的空间变形、弯扭状态以及应力应变分布；能进行高频振动及疲劳分析，公差分析，扫掠体积模型，生成运动路径包络线和容差包络线；实时优化与修改，优化后的数据能够返回三维软件，支持与三维软件的数据桥接，能够根据设计规则，实现管线自动布置。

IPS柔性线缆仿真应用于线束开发的三个阶段：设计阶段、验证阶段、装配阶段。

图5 应用流程

3.1 设计阶段

依靠经验在CAD软件中进行线束系统的设计，但是真实材料刚度及重力的影响并未考虑，同时，一旦周边数模发生设计变更，所有走向需要重新设计。

• 自动布置线束走向；

• 实时交互进行走向变更；

• 早期预测风险；

• 运动部件的安装空间监测；

• 公差、间隙和运动分析；

图6 设计优化

3.2 验证阶段

进行早期验证能减少实物样机的次数，进而节省时间和成本，采用IPS进行虚拟验证，不仅可以实时监测诸如拉伸力、小弯曲半径及动态间隙等风险因素，还能够根据监测结果进行实时优化。

• 基于真实物理环境的实时仿真；

• 实时监测弯曲半径、扭转、拉伸和动态间隙等风险因素；

• 可引入公差分析；

• 包络计算；

图7 验证分析

3.3 装配阶段

线束系统等柔性件的组装问题是一大挑战，不仅因为生存空间狭窄，还需要考虑充足的安装空间，并且，需要预留合适的长度来保证安装过程以及安装后不存在风险。

• 对线束在安装过程以及安装完成后的应力进行分析；

• 基于组装分析的结构验证；

• 交互优化，实时更改线束长度、材料以及卡箍类型；

图8 虚拟装配

4. V+R沉浸式的验证体验

TechViz公司提供专业的3D虚拟现实可视化协同解决方案，与IPS软件平台达成深度的合作，TechViz与IPS相结合，可以为用户提供沉浸式的验证体验。

• 支持示设备，包括HMD、CAVE、平面、平铺式、球幕、被动/主动/自动立体、多显示屏等；

• 直接对IPS数据进行1:1沉浸式立体评审，无需数据转换或导入导出操作；

• 实时显示IPS里的数据，在IPS里修改之后，可立即同步至沉浸式环境中；

• 直观的使用界面，操作简单，学习成本低；

• 高帧率显示超大3D CAD模型；

5.柔性线缆仿真的价值

线束开发过程是一个多方合作、多学科交叉的复杂过程，从研发需求的提出到产品的生产制造和测试，将经过多个阶段和多次迭代。在线束研发阶段引入柔性线缆仿真验证，不仅能够及早发现和消除潜在的设计问题，在问题发生之前就将其消除，阻断这些问题向下游流程的传递，从而避免造成更大的损失。同时也能够帮助设计人员对设计结果进行多项优化，筛选更佳方案，缩短设计结果的迭代过程，提高设计效率与准确率。

• 在数字化的世界中减少物理试验的次数；

• 辅助获取线缆正确的安装长度及设计空间；

• 在物理样车制造之前辅助找到正确的布置方式；

方案素材来自IPS Cable Simulation