基于变分原理的柔性电缆数字化设计

• 作 者: 吕昊
• 出 处: 大连海事大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 柔性电缆 数字化设计 物性建模 Cosserat理论 非线性优化

随着机电产品愈发向着自动化及机电一体化的发展,电缆作为机电产品中电力信号传输的介质,其比重越来越大,电缆布局的质量将直接影响到产品的寿命和可靠性。但是,由于其复杂大变形的力学特性,电缆的布局优化设计一直是一个挑战性的课题。在目前的机电产品开发中,仍然大量依靠物理样机和人工经验的方式进行电缆的布局设计,不仅导致生产周期长且成本高。针对这一问题,本文基于电缆物性建模的思想,在针对复杂产品中电缆数字化布线设计的相关方法和技术进行了较为深入的探讨和研究,兼顾考虑数字化设计过程效率及精度的要求,提出了一种新颖的人机交互式电缆数字化布线设计方法,旨在为复杂机电产品的数字化设计奠定技术基础。本文的主要研究工作内容总结如下:(1)在总结国内外在一维柔性体上的力学建模、柔性电缆数字化设计方法等相关理论的研究进展的基础之上,分析了目前柔性电缆布局优化设计存在的问题,指出本文的研究目的与意义,并提出了本文的研究框架。(2)基于Cosserat弹性杆理论并结合变分思想中势能最小原理研究了柔性电缆的静力学建模方法,引入欧拉参数,考虑柔性电缆受复杂约束(端部、卡箍、捆扎带和柱面等)的数学表达方法建立了电缆静力学模型。基于有限元离散的思想,并采用非线性最优化方法进行电缆的中心线位置及截面姿态表达的数值解算。(3)考虑端部、卡箍、捆扎带和柱面约束条件,分别建立了最优化数学模型,采用原始对偶内点法实现了对电缆截面欧拉参数的解算,从而计算出电缆的几何形态。通过曲率和扭率变化曲线对电缆的弯曲扭转变形情况进行了分析,确定了重力、弯曲力和扭转力对柔性电缆的作用机理。(4)基于物性建模思想和虚拟装配系统实时性的要求,在综合考虑精度与效率的条件下,搭建了电缆数字化布线设计框架,采用参数样条曲线拟合方法提出了电缆长度快速获取算法,解决了布线设计框架输入和建模输入不一致的问题,基于开源几何内核系统OpenCascade,开发了电缆数字化布线设计仿真系统,开展了布线结果仿真与商业化软件布线仿真对比研究。电缆布局仿真与实验结果表明,本文提出的基于力学建模的柔性电缆数字化设计方法,可以有效降低电缆设计长度,解决目前商用布线软件中的电缆设计长度较长的问题,可以缩短产品研发时间,并提高产品设计的可靠性。