電纜托架大小設(shè)計(jì)仿真軟件的開發(fā)應(yīng)用

鄭楚忠

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 511462）

1 前言

在電氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，電氣設(shè)計(jì)人員對于電纜托架的選取往往是參考電纜總截面積與電纜通道截面積之比，以電纜占有率為依據(jù)選擇合適的電纜托架，這種僅考慮占比的設(shè)計(jì)方法具有一定的局限性，無法涵蓋所有電纜的實(shí)際拉放情況。例如：在大電纜的拉放、動(dòng)力、信號(hào)電纜分開敷設(shè)的情況，如果單純以電纜的截面積來計(jì)算托架的大小會(huì)導(dǎo)致托架偏大或偏小，由此產(chǎn)生后期的修改造成成本浪費(fèi)。

本文通過電纜直徑、托架大小、電纜綁扎間距等一系列參數(shù)，設(shè)計(jì)出一種可視化模擬電纜敷設(shè)軟件，能夠準(zhǔn)確直觀地反映出電纜在托架上的敷設(shè)情況，并結(jié)合軟件的計(jì)算得出托架的占比，提供設(shè)計(jì)人員參考，減少電纜托架的修改率，最終達(dá)到降本增效的作用。

2 軟件介紹

本軟件采用Microsoft Visual Basic 6.0 開發(fā)，在Windows 操作系統(tǒng)和安裝Autocad 2015 以下版本，通過運(yùn)行該軟件，導(dǎo)入電纜通道某一節(jié)點(diǎn)的電纜冊，將電纜外形等效為同等直徑的截面圓，托架等效為長方形，將圓在長方形的橫截面上按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算排布，并自動(dòng)調(diào)用AUTOCAD 軟件生成仿真圖，同時(shí)在軟件界面顯示托架的占有率；軟件生成效果，能夠直觀地模擬電纜實(shí)際敷設(shè)的狀態(tài)，給設(shè)計(jì)人員提供直觀準(zhǔn)確的參考模型。

2.1 主要功能

1）仿真電纜成束布置綁扎

該軟件通過匹配SPD 導(dǎo)出的電纜節(jié)點(diǎn)以及預(yù)先設(shè)定的托架屬性，將一定數(shù)量的電纜在該托架上進(jìn)行排列組合，模擬成束，同時(shí)按照設(shè)定的間隙等距布置；電纜的成束綁扎，可以根據(jù)設(shè)計(jì)人員的假想進(jìn)行多種綁扎仿真，以便找出最合理且滿足要求的托架大小。

2）計(jì)算托架的占有率

在完成對電纜敷設(shè)仿真后，可計(jì)算電纜的橫截面積占托架的百分比，其中將電纜截面積等效為以直徑為邊長的正方形或?qū)嶋H圓形橫截面。當(dāng)占有率介于20%～25%之間時(shí)，占有率文本框?qū)⒆兂牲S色背景警示；占有率超過25%后，占有率文本框?qū)⒊霈F(xiàn)紅色背景警示；占有率低于20%時(shí)正常顯示。

3）自動(dòng)生成CAD 布置模擬圖

通過界面對托盤各參數(shù)的設(shè)置，將電纜冊導(dǎo)入后進(jìn)行仿真，軟件將自動(dòng)模擬每根電纜在托架上的坐標(biāo)以及大小，最后通過CAD 生成整個(gè)橫截面的布置圖，直觀地預(yù)估托架電纜的布置和占有比率；同時(shí)，通過CAD 圖紙對節(jié)點(diǎn)仿真圖進(jìn)行保存，方便查看。

2.2 軟件界面

軟件界面使用了與Windows 格式一樣的界面，操作單及參數(shù)簡單化設(shè)計(jì)，主要界面分為三個(gè)區(qū)域：電纜冊導(dǎo)入?yún)^(qū)域；托架的屬性定義區(qū)域；計(jì)算后相關(guān)參數(shù)的托架的面積占用比顯示區(qū)域。

2.3 軟件運(yùn)行邏輯

《托架電纜成束綁扎仿真》軟件操作簡單，將節(jié)點(diǎn)電纜冊按照相應(yīng)的模版導(dǎo)入軟件，在點(diǎn)擊仿真按鈕后會(huì)自動(dòng)對電纜進(jìn)行排布，生成相應(yīng)的文件及結(jié)果，其運(yùn)行控件邏輯如圖1 所示。

圖1 軟件的運(yùn)行邏輯

2.4 軟件的算法設(shè)計(jì)

為了減少運(yùn)行時(shí)間及減少計(jì)算機(jī)的資源占用，采取了等效法進(jìn)行計(jì)算，即在電纜冊導(dǎo)入完成后，所有電纜的橫截面積也隨之確定，而托架的截面積在其設(shè)定后固定不變，即電纜在所布置托架上的橫截面面積占有率為定值，所以在導(dǎo)入電纜冊后，軟件并不按最優(yōu)冒泡法尋找最優(yōu)組合，而是將電纜按直徑大小由大向小進(jìn)行排序，然后把事先設(shè)定的綁扎高度和寬度相乘得出的面積進(jìn)行等效劃分，將電纜的排列按照由大到小的順序?qū)γ吭拿娣e進(jìn)行填充，直至滿足第一束綁扎完成的條件后，繼續(xù)向后面的電纜束進(jìn)行填充，方式如圖2 所示。

圖2 電纜排列方式

2.5 軟件的程序設(shè)計(jì)

托架電纜成束綁扎仿真V1.0 基于VB6.0 設(shè)計(jì)，使用VB 中的Dictionary 對象，將每一條電纜視為為一個(gè)項(xiàng)目，在每個(gè)項(xiàng)目中存放所需計(jì)算的電纜直徑、電纜牌、x 軸坐標(biāo)、y 軸坐標(biāo)、電纜綁扎的次序和每束電纜的偏移值。軟件的總體框架設(shè)計(jì)邏輯，如圖3 所示。

圖3 總體框架設(shè)計(jì)邏輯

軟件的核心計(jì)算在于確定每束中的每根電纜之間的關(guān)系，即確定他們是否綁扎在一起，軟件的編程采用了計(jì)算兩圓相切的坐標(biāo)和三圓相互外切的坐標(biāo)的方案：

1）位于托架底部第一層的電纜，按照從左往右的順序，每一束的第一根電纜為固定位置，接著的每一根電纜按與前一根電纜的相切關(guān)系進(jìn)行累加，直至整層電纜束的外徑之和受限于軟件設(shè)置的電纜扎寬，以此類推直至完成底層電纜的鋪排。

如圖4 所示，右側(cè)電纜的中心坐標(biāo)為：

圖4 底層電纜計(jì)算方法

將x1、R 迭代為前一個(gè)圓的x 軸坐標(biāo)和半徑，即可得出底層電纜的中心坐標(biāo)。

2）第二層電纜的敷設(shè)模型，使用了方位角的方法。如圖5 所示，其坐標(biāo)的模型算法如下：

圖5 方位角求坐標(biāo)

3）同理，運(yùn)用該方法采用迭代的方式，即可求出底層往上每一層的電纜敷設(shè)的坐標(biāo)。

2.6 軟件部分主要源代碼

因篇幅所限，此略。

3 操作說明

根據(jù)軟件設(shè)置托架的參數(shù)及電纜敷設(shè)綁扎的要求，該區(qū)域共有下列參數(shù)需要設(shè)置：

托架大?。涸O(shè)定的托架寬度；

電纜扎寬：每束電纜綁扎的寬度；

電纜扎高：每束電纜的高度；

電纜捆間隔：每束電纜間的間隔要求；

托架高度：用于敷設(shè)電纜托架凈高度。

托架屬性設(shè)置完成后，從SPD 節(jié)點(diǎn)中導(dǎo)出電纜數(shù)據(jù)，將電纜數(shù)據(jù)生成EXCEL 表格，將序號(hào)、電纜代號(hào)、直徑分別從EXCEL 表格A、B、F 列及第4 行開始寫入，A 列為序號(hào)項(xiàng)，B 列為電纜牌，F(xiàn) 列為電纜直徑。其中，序號(hào)和電纜代號(hào)不能出現(xiàn)重復(fù)，同時(shí)表格中需要顯示全部內(nèi)容，不能含有隱藏?cái)?shù)據(jù)，否則生成結(jié)果將與實(shí)際不一致；直徑的單元格格式應(yīng)為數(shù)字，不能為文本格式；所有數(shù)據(jù)均從第4 行開始往下填寫，中間不能有空行，如出現(xiàn)空行軟件會(huì)自認(rèn)為數(shù)據(jù)結(jié)束。

在軟件的電纜冊區(qū)域點(diǎn)擊加載，在彈出的對話框上選擇需要加載的excel 文件。

最后點(diǎn)擊仿真按鈕，軟件將自動(dòng)進(jìn)行電纜綁扎仿真，并在CAD 圖中繪制該節(jié)點(diǎn)處托架的橫截面仿真圖，如圖6 所示。

圖6 仿真圖

圖6 所標(biāo)注的外層矩形是由托架的寬度和托架的高度組成的托架仿真空間，中間為由電纜直徑形成的橫截面組合而成的電纜束，其高度、寬度、間隔由托架屬性欄輸入決定。

面積比是計(jì)算所有電纜的橫截面積占托架面積的比例，有兩種計(jì)算方法，可以實(shí)現(xiàn)切換：

托架面積 S=托架大小 托架高度

電纜總截面積Sc=（r 為電纜半徑）

電纜等效方形截面積Ss=（d 為電纜直徑)

托架占有率=Ss/S 或Sc/S

4 仿真測試及效果

本次測試數(shù)據(jù)取自完工的某集裝箱船機(jī)艙區(qū)域E3065 節(jié)點(diǎn)中的電纜預(yù)算，該節(jié)點(diǎn)共有電纜52 根，通過軟件對該節(jié)點(diǎn)所設(shè)置的托架進(jìn)行仿真。

4.1 設(shè)置參數(shù)

對E3 065 節(jié)點(diǎn)采用400 寬的托架進(jìn)行仿真，設(shè)置軟件參數(shù)。

4.2 導(dǎo)入電纜冊

導(dǎo)入E3 065 節(jié)點(diǎn)中的電纜，用軟件加載該電纜冊自動(dòng)生成相關(guān)CAD 電纜敷設(shè)示意圖（見圖7），并顯示托架占有率為18.47%，基本滿足使用要求；從模擬出來的成束結(jié)果，該電纜冊共52 根電纜，采用400 寬的托架敷設(shè)較為理想美觀且略有余量。

圖7 400 寬托架電纜敷設(shè)仿真圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證采用400 寬的托架敷設(shè)該電纜冊，將此電纜節(jié)點(diǎn)采用300 寬的托架進(jìn)行仿真敷設(shè)，由該仿真圖（見圖8）可以看出，使用300 寬的托架顯得有點(diǎn)擁擠，其顯示占有率達(dá)24.6%，盡管占有率并未超標(biāo)，但由于該節(jié)點(diǎn)的電纜較多，在考慮部分電纜分開敷設(shè)的情況，在成束的情況下中間束明顯層數(shù)太多，不符合相應(yīng)的敷設(shè)工藝要求，所以該節(jié)點(diǎn)的電纜托架采用400 寬的托架進(jìn)行敷設(shè)較為理想。

圖8 300 寬托架電纜敷設(shè)仿真圖

4.3 仿真敷設(shè)與實(shí)際敷設(shè)效果比較

該節(jié)點(diǎn)的敷設(shè)效果比效理想，基本滿足要求。盡管實(shí)際綁扎成束的效果與仿真圖有些區(qū)別，但此節(jié)點(diǎn)處的電纜無論是占有率還是最終排列效果都與軟件的生成圖達(dá)到了一個(gè)較高的契合度，仍舊是4 束敷設(shè)，且電纜綁扎后的效果比較理想，滿足相應(yīng)的工藝要求。

5 總結(jié)

通過該軟件的仿真，可以最大程度地減少托架布置的差錯(cuò)，其主要的優(yōu)點(diǎn)是：1）直觀化：1:1 仿真電纜成束敷設(shè)綁扎，直觀準(zhǔn)確；2）靈活性：通過參數(shù)的設(shè)置，能最大限度的取優(yōu)布置；3）高效性：打破以往人工手繪或憑經(jīng)驗(yàn)布置的方式，大大提高了布置效率；4）降本增效：降低托架鐵舾件的修改率。

后期進(jìn)行改進(jìn)，可以在該軟件的基礎(chǔ)上，明確動(dòng)力電纜及信號(hào)電纜的不同標(biāo)識(shí)，并進(jìn)行分開敷設(shè)以達(dá)到更加的完善。