基于質點彈簧模型的電纜虛擬裝配仿真研究.pdf

1、隨著復雜機電產(chǎn)品的信息化程度的增加，電纜在汽車、船舶、飛機等復雜機電產(chǎn)品中所占的比重越來越大。由于電纜種類繁多，形態(tài)復雜，可裝配空間小，在實際的裝配過程中極易造成錯裝、漏裝、布局不合理或者發(fā)生干涉現(xiàn)象。因此，如何提高電纜產(chǎn)品裝配質量及效率，是企業(yè)所面臨的重要問題。虛擬現(xiàn)實技術為電纜產(chǎn)品設計安裝提供了一種新思路和方法。本文對電纜虛擬裝配技術相關理論、關鍵技術和實現(xiàn)方法進行了深入細致的研究，并以船用分油機中的電纜為例，進行了虛擬裝配的實現(xiàn)。

2、論文的主要研究工作包括以下幾個方面:
　　(1)在深入研究柔性物體基于物理屬性的建模方法基礎上，根據(jù)虛擬裝配系統(tǒng)的要求，假設電纜截面為剛性截面，不發(fā)生變形、并始終與中心線正交;假設電纜沒有原始曲率和撓率。在此基礎上將電纜的幾何形態(tài)簡化為若干質點相連的一維對象，進行了基于質點彈簧模型的電纜建模研究。電纜的形態(tài)由質點位置控制，質點空間位置變化引起電纜形態(tài)改變。質點之間由三種不同類型的彈簧連接:拉伸彈簧、彎曲彈簧和邊界彈簧。拉伸彈簧為線

3、性彈簧，用來計算質點在變形過程中受到的彈性張力，保證電纜在變形過程中不會發(fā)生長度改變。彎曲彈簧為非線性彈簧，表示電纜的抗彎曲能力。邊界彈簧同樣為非線性彈簧，表示電纜安裝時候受到的邊界約束作用。
　　(2)提出了快速穩(wěn)定的電纜仿真數(shù)值計算框架。虛擬裝配仿真要求電纜變形的計算時間要盡量短，同時物理特性表現(xiàn)真實。為此，使用Newmark-β算法求解電纜運動方程。與顯式積分相比，隱式的Newmark-β算法的時間步長較大，迭代次數(shù)少，并且

4、系統(tǒng)穩(wěn)定性也較高。此外，在研究求解微分方程的單步收斂性與整體穩(wěn)定性分析的基礎上證明了數(shù)值計算框架的穩(wěn)定性和收斂性。
　　(3)對虛擬環(huán)境中的建模技術進行了研究。一方面虛擬平臺本身不具備復雜零件的建模能力，另一方面電纜在裝配中還會發(fā)生形態(tài)改變。因此將虛擬裝配場景中的零件根據(jù)裝配時是否發(fā)生變形分為剛性零件和柔性零件，分別給出了剛、柔零件的信息表達模式和描述方式，并提出了基于零件層有向圖的剛柔關聯(lián)模型，將剛性零件和柔性零件在零件層上進行

5、關聯(lián)，形成完整的場景模型。深入研究了STEP中性文件格式和虛擬平臺中實體表達方法，以STEP的格式為中間文件，完成了商用CAD模型到虛擬場景的零件信息的轉換與存儲。
　　(4)對虛擬環(huán)境下電纜裝配過程進行了研究。提出了虛擬環(huán)境下分層遞進的碰撞檢測算法，將檢測過程分為初步檢測、詳細檢測和精確檢測三大步?；贠BB的層次包圍盒模型用來進行初步檢測;在詳細檢測階段為了提高計算效率使用基于粒子群算法的隨機碰撞檢測以進一步縮小碰撞可能發(fā)生的