基于CATIA汽車線束仿真中自適應(yīng)扎帶的參數(shù)化設(shè)計

白健宇 鐘慈 劉君

【摘? 要】汽車電器系統(tǒng)中，線束是至關(guān)重要的組成部分。在汽車線束的開發(fā)設(shè)計過程中，三維仿真設(shè)計又是極其復(fù)雜關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一（此外還有原理設(shè)計和工程圖設(shè)計等），三維數(shù)模的仿真程度直接影響最終線束產(chǎn)品的設(shè)計高效性、安裝可靠性和使用安全性能等。為了最大程度上提高三維數(shù)模和線束產(chǎn)品實物的一致性，本文針對汽車線束三維仿真設(shè)計過程中，基于CATIA線束設(shè)計模塊，介紹自適應(yīng)參數(shù)化扎帶的設(shè)計和應(yīng)用方法。

【關(guān)鍵詞】汽車線束；CATIA仿真；參數(shù)化；自適應(yīng)扎帶

中圖分類號：U463.62? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）04-0018-05

【Abstract】In the automotive electrical system，wiring harness is a crucial component. In the processof automobile harness design，3D simulation design is one of the most complex and critical links（in addition to system design and engineering drawing design）. The 3D data simulation degree directly affects the design efficiency，installation reliability and use safety of the final harness product. In order to improve the consistency of 3D data and harness products to the greatest extent possible，based on CATIA harness design module. In this paper，the design and application methods of adaptive parametric ties in 3D simulation design of automobile wire harness are introduced in detail.

【Key words】vehicle wiring harness；CATIA simulation；parameterization；self-adaptive tie

1? 前言

在前期汽車線束設(shè)計中，為了方便、科學(xué)、快捷地獲得汽車線束在空間上的走向和尺寸，使線束在整車中布置合理，尺寸準(zhǔn)確以及縮短開發(fā)周期等，各大汽車制造廠都采用三維軟件來仿真模擬布線[1]。目前，常用的三維線束布線軟件有CATIA、UG、PROE等，由于CATIA軟件的線束設(shè)計模塊具有較為突出的優(yōu)勢，如操作簡單、界面清晰、功能強大且能夠適應(yīng)各類形態(tài)的線束路徑等優(yōu)點，深受設(shè)計人員及國內(nèi)外各大汽車主機廠的青睞[2]，如：紅旗、長城、比亞迪、小鵬、蔚來、理想、大眾、寶馬等均采用此軟件進(jìn)行線束的開發(fā)和維護(hù)工作。圖1為CATIA軟件下的整車線束示意圖。

一套完整的汽車線束產(chǎn)品所包含的零件種類，大致可以分為以下幾種：插接器、卡釘、橡膠件、扎帶、塑料支架、線束保護(hù)物、端子、搭鐵、電線、雨塞、盲堵、導(dǎo)向殼、背扣、熱縮管、扭矩保護(hù)器、防水泥、聚氨酯發(fā)泡等[3]?；贑ATIA軟件而言，其中可以在三維數(shù)據(jù)上體現(xiàn)的有：插接器、線束路徑、卡釘、橡膠件、扎帶、塑料支架、熔斷絲盒，分線盒、搭鐵端子、扭矩保護(hù)器等。在這些零部件中，除了扎帶和線束路徑的三維數(shù)模需要隨著設(shè)計的需求而變化之外，其它均可由供應(yīng)商提供無參但尺寸精確的數(shù)模，仿真度極高，基本可以視為數(shù)模即實物，直接裝配到數(shù)據(jù)中使用即可。而扎帶和某些帶扎帶的緊固件在普遍的設(shè)計理念中，由于條件、技術(shù)、習(xí)慣或人員意識等限制，并不能做到數(shù)模即實物的狀態(tài)，如果不加以特定的設(shè)置和調(diào)整，裝車驗證時很容易造成線束干涉磨損或裝配困難，甚至更嚴(yán)重的失效模式。因此為了避免這些潛在的因設(shè)計貽誤而產(chǎn)生的風(fēng)險，在項目前期，規(guī)劃制定好扎帶和線束路徑的技術(shù)要求，對于保證線束三維仿真設(shè)計的高效性和安裝可靠性至關(guān)重要。

近些年汽車外形的發(fā)展逐漸趨向年輕化，流線型、緊湊型、運動型的車身在年輕消費群體中炙手可熱，因而今后的汽車車身留給線束的布置空間會更加的局促，對線束三維數(shù)模的仿真程度要求也就越來越高，精準(zhǔn)化設(shè)計是不可避免的大趨勢。

2? 自適應(yīng)可變參數(shù)扎帶的設(shè)定以及零件庫的創(chuàng)建和應(yīng)用

目前各主機廠在線束設(shè)計過程中，普遍的設(shè)計理念是忽略扎帶的外緣對設(shè)計效果的影響。在數(shù)模中，扎帶要么直接不體現(xiàn)，要么采用冗余式設(shè)計，如圖2所示，兩種狀態(tài)下的數(shù)模均與實際情況存在較明顯的差異，尤其是冗余式設(shè)計的扎帶不但限制了線束直徑的變化范圍，還會與周邊環(huán)境數(shù)據(jù)造成無意義的干涉，影響整車數(shù)據(jù)的仿真效果。扎帶本身的厚底一般在1～2mm，如果忽略不計，會對線束最外緣的直徑評估造成誤差。在日益狹窄的布線空間和嚴(yán)格的距離限制要求之下，扎帶外緣不但要真實體現(xiàn)在三維數(shù)據(jù)上以更加精確地展現(xiàn)出其與周邊件之間最近距離的測量點，還要滿足設(shè)計通用性原則，能夠自動適應(yīng)不同線束直徑的變化，如圖3所示。

2.1? 扎帶數(shù)模的重新創(chuàng)建

從供應(yīng)商那里得到的是扎帶舒展?fàn)顟B(tài)下的無參數(shù)模，首先需將扎帶部分去除，只留下卡釘頭部分，如圖4所示，然后進(jìn)行重新的繪制并設(shè)定參數(shù)。

預(yù)使扎帶的扎緊直徑可以隨著設(shè)計需求隨意變化又不改變整體形貌特征，那么在草圖的設(shè)計階段，就要對一些特殊的尺寸進(jìn)行額外限制和公式的加持。以圖4中展示的扎帶外型為例，建立草圖的位置及具體內(nèi)容如圖5所示。草圖（Sketch）所在平面Plane1，要建立在扎帶底座的兩側(cè)平面之間。草圖的繪制要在外型和性能兩個方面盡可能地還原出扎帶真實的狀態(tài)，具體如圖6所示。其中，扎帶的捆扎部分為圓弧形；同時由于受到較大的拉緊力，扎帶與線束和卡釘頭體存在兩處懸空部分，這兩處為直線；扎帶在進(jìn)入鎖緊嚙合部分之前還有一段過渡區(qū)域，這部分也可視為圓弧形。以上這4個部位的尺寸會隨著扎帶捆扎半徑的改變而隨之發(fā)生聯(lián)動變化。由于扎帶特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不論捆扎線束的直徑如何改變，其橫截面的中心，也是扎帶的捆扎中心O始終會保持在卡釘頭的中軸線上來回變化，所以扎帶的圓心O點一定要固定到中軸線上，如圖7所示，R為扎帶的捆扎半徑。這樣只要將捆扎半徑R的值賦予參數(shù)化公式，其它3個部位的尺寸就可隨之發(fā)生有效合理的聯(lián)動變化。

之后通過凸臺命令（Pad），繪制扎帶的實體，寬度與厚度可根據(jù)實際而定，一般可以設(shè)置為寬度5.2mm和厚度1.2mm，如圖8所示。

2.2? 自適應(yīng)扎帶參數(shù)的設(shè)定

為了能夠使扎帶的輪廓可以隨著線徑的不同而發(fā)生自適應(yīng)的變化，而非人為手動去更改，需要為數(shù)模設(shè)置并賦予參數(shù)。首先通過Formula功能命令，編輯扎帶直徑變化所需要的參數(shù)公式，如圖9所示，將New Parameter of Type按鍵后面的公式屬性選項設(shè)置為Length，參數(shù)屬性設(shè)為Single Value；然后點擊New Parameter of Type，在Edit name or value of the current parameter的命令框下將原有的“l(fā)ength.1”改成 “ELEC-SUPPORT-RADIUS”；后面的數(shù)值代表此參數(shù)的初始數(shù)值，即扎帶的初始半徑，這里設(shè)置為10mm，最后點擊OK。

此時，需要將設(shè)定好的參數(shù)賦加在草圖捆扎半徑的尺寸上，以控制其變化。如圖10所示，先給扎帶半徑約束一個值R10，雙擊此值，右鍵Radius展開功能列表，選擇Edit formula，彈出公式編輯器，如圖11所示。雙擊Members of Length下之前編輯好的參數(shù)公式：“ELEC-SUPPORT-RADIUS”。單擊OK結(jié)束。這時便可以在結(jié)構(gòu)樹上看到設(shè)置好的參數(shù)與公式，如圖12所示。

2.3? 定義扎帶的電器屬性

卡釘?shù)碾姎鈱傩栽O(shè)置同樣需要在“Electrical Part Design”設(shè)計模塊下進(jìn)行，通過此模塊中的“Define Support Part”命令，定義線束與卡釘之間的裝配規(guī)則，如圖13所示。首先編輯卡釘數(shù)模的名稱（Name）；然后設(shè)定線束在卡釘上的入線位置，即線束的中心線要經(jīng)過的第1個點的位置，在First Plane Definition 功能項下的Point內(nèi)點選Point.1，并選擇這個點所在的平面，Plane內(nèi)點選Plane.1；最后線束垂直地從卡釘?shù)某鼍€面劃出，出線的平面即Second Plane Definition功能項下的Plane，點選Plane.2，最后一項Base Plane Definition，不選（No Selection），確認(rèn)OK完成定義。

2.4? 參數(shù)化扎帶零件庫的創(chuàng)建

不同類型的扎帶，只要將捆扎半徑的值設(shè)為主變量，都可以按照以上的方法對其進(jìn)行參數(shù)化的設(shè)定，如圖14所示。但此時還不能實現(xiàn)CATIA線束設(shè)計模塊（Electrical Harness Assembly）下自適應(yīng)扎帶的應(yīng)用，還要對這些參數(shù)化設(shè)定好的零部件數(shù)模建立特殊定義的數(shù)據(jù)庫。首先新建CatalogDocument數(shù)據(jù)庫文件并通過Add Family命令建立CLIP的分組，用來容納所有的參數(shù)化緊固件，再通過Add Keyword命令對此分組重新設(shè)定關(guān)鍵詞，如圖15所示，Name標(biāo)題欄中輸入 InstantiateAsNew，Type標(biāo)題欄選擇Boolean，Default Value標(biāo)題欄選擇true，單擊OK確認(rèn)。最后可通過Add Componment命令將所有卡丁與扎帶一一加入到CLIP分組中。

2.5? 參數(shù)化扎帶零件的調(diào)用

當(dāng)需要調(diào)用庫里整理好的扎帶進(jìn)行線束設(shè)計并且同一零件多次選用時，要通過Catalog Browser命令，鏈接剛剛建好的庫文件（catalog），找到要選用的扎帶或卡釘，右鍵點擊并點選Instantiate As New Component選項，如圖16所示。此外，值得注意的是，要想實現(xiàn)扎帶參數(shù)化自適應(yīng)的變化，CATIA軟件本身的環(huán)境設(shè)置要設(shè)定為：始終保持裝配約束（Always with the assembly constraints），如圖17所示。

3? 總結(jié)

參數(shù)化自適應(yīng)扎帶設(shè)計的過程中，有兩處關(guān)鍵的屬性命名設(shè)置尤為重要，一處是扎帶的參數(shù)屬性命名：“ELEC-SUPPORT-RADIUS”；另一處是數(shù)據(jù)庫分組的關(guān)鍵詞命名：“InstantiateAsNew”，必須一字不差。

使用參數(shù)化自適應(yīng)扎帶進(jìn)行汽車線束三維仿真設(shè)計的優(yōu)點：其不僅彌補了以往設(shè)計習(xí)慣中產(chǎn)生的遺漏點，使三維數(shù)據(jù)的仿真程度更加逼真、完整，同時極大地增強了設(shè)計的精準(zhǔn)和可靠性，降低了潛在的干涉風(fēng)險。缺點：在最終線束數(shù)據(jù)保存時，每一個相同型號但捆扎半徑不同的扎帶數(shù)據(jù)都會被重新生成并存儲，增加了數(shù)據(jù)的占用空間。但與其優(yōu)點相比，這一瑕疵完全可以通過提升設(shè)備性能的方式來克服，這對于當(dāng)前普遍的汽車廠商并不是一件難事，所以整體來說，參數(shù)化自適應(yīng)扎帶的應(yīng)用是一種一勞永逸、值得推廣的設(shè)計理念。

參考文獻(xiàn)：

[1] 安 賀，張震華，王龍波，等. 汽車線束3D仿真布線設(shè)計與技巧[J]. 汽車電器，2013（2）：19-25.

[2] 王盈旭，趙瑞俊，李兆杰，等. 基于CATIA的后處理系統(tǒng)三維布線技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 汽車電器，2021（4）：75-76.

[3] 白健宇. 基于CATIA汽車線束三維設(shè)計的初期準(zhǔn)備與相關(guān)應(yīng)用[J]. 汽車電器，2022（8）：54-60.

（編輯? 楊? 景）