柔性电缆变形仿真方法技术

本发明专利技术的柔性电缆变形仿真方法包括：1）采用管理属性、显示属性和力学属性描述电缆；2）根据管理属性、显示属性和力学属性之间的映射关系，实现电缆的变形显示。本发明专利技术的柔性电缆变形仿真方法可在虚拟装配环境中对电缆进行实时交互式动态调整，避免了电缆设计中实际物理样机上的反复试安装，从而节省了产品研发周期和成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及武器系统虚拟装配设计领域，具体涉及一种柔性电缆变形仿真方法。
技术介绍
电缆作为导弹武器系统的神经，是传输电气以及通讯信号的重要元器件。现有的商业化计算机辅助设计软件，只能将柔性电缆视为刚体，缺少柔性电缆建模方法和支持电缆动态实时调整的模块，导致只能通过加工实际的导弹物理样机，供工艺人员进行反复试安装，将试安装信息反馈给设计人员完成初始设计修改。由于现有技术中电缆设计无法实现实时交互式设计，无法脱离实际物理样机上的反复试安装，从而导致产品研发周期和成本大幅增加。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种柔性电缆变形仿真方法，可在虚拟装配环境中对电缆进行实时交互式动态调整，避免电缆设计中实际物理样机上的反复试安装，从而节省产品研发周期和成本。为了达到上述的目的，本专利技术提供一种柔性电缆变形仿真方法，包括：1）采用管理属性、显示属性和力学属性描述电缆；显示属性，采用面片层、截面层和分支层构成的层次结构显示电缆；面片层，以三角面片为基本单元；截面层，以三角面片组成的圆柱面为基本单元；分支层，通过圆柱面端截面相连接而成；力学属性，采用弹簧质点模型描述电缆受力变形特性；质点的运动位移和速度由如下微分方程确定：式中，质点为端截面圆心，为质点所受的内力，为质点所受的外力，为质点的质量；其中，，为弹簧的弹性系数，和分别为质点和质点的位置向量，为弹簧的原长，表示弹簧力的单位矢量，为阻尼器的阻尼系数，和分别为质点和质点的速度向量，为与质点相连的质点数目；，为模拟操作力的弹簧的弹性系数，和分别为拖拽电缆过程中鼠标的前、后位置；使用欧拉积分法对上述微分方程进行求解，获得电缆变形后质点在三维空间的位置以及速度；2）根据管理属性、显示属性和力学属性之间的映射关系，实现电缆的变形显示；根据变形前后质点位置计算平移量，根据计算旋转量，得到变形前后质点所在端截面顶点的空间位置变换矩阵，和分别为变形前后质点所在端截面的法向矢量；根据空间位置变换矩阵完成面片层三角面片的更新，从而实现电缆的变形显示。上述柔性电缆变形仿真方法，其中，所述管理属性包括电缆基本信息和接插件信息。上述柔性电缆变形仿真方法，其中，所述电缆基本信息中电缆材质决定了力学属性中的质点弹簧系数、和。上述柔性电缆变形仿真方法，其中，所述显示属性还包括电缆的几何信息以及拓扑信息。本专利技术的柔性电缆变形仿真方法采用面片层、截面层和分支层构成的层次结构显示电缆，并利用力学属性与显示属性之间的映射关系实现电缆的变形显示，从而实现了虚拟装配环境中电缆实时动态调整，这就避免了电缆设计中实际物理样机上的反复试安装，节省了产品研发周期和成本。附图说明本专利技术的柔性电缆变形仿真方法由以下的实施例及附图给出。图1是本专利技术的柔性电缆变形仿真方法的示意图。图2是本专利技术中管理属性、显示属性和力学属性示意图。图3是本专利技术中连接两个质点的弹簧–阻尼器示意图。图4是本专利技术中弹簧质点系统中相邻质点数目示意图。图5是本专利技术中模拟操作力的弹簧系统示意图。图6是本专利技术中电缆变形前后三角面片更新示意图。图7是本专利技术中电缆操作方式示意图。具体实施方式以下将结合图1～图7对本专利技术的柔性电缆变形仿真方法作进一步的详细描述。参见图1，本专利技术的柔性电缆变形仿真方法包括：1）采用管理属性、显示属性和力学属性描述电缆；（1）管理属性，指与电缆零件管理相关的信息，可以归纳为电缆基本信息和接插件信息；电缆基本信息包括电缆ID、电缆名称、物理属性、电气属性等，用于电缆的标识；接插件信息主要描述电缆零件所包含的接插件的信息，如接插件编号、型号、针数、端接方式和出线方式等；一方面，管理属性用于指导显示属性完成电缆及接插件的显示效果；另一方面，管理属性中的电缆基本信息将用于建立力学属性中电缆受力变形模型；（2）显示属性，采用面片层、截面层和分支层构成的层次结构显示电缆；如图2所示，（a）面片层：以三角面片1为基本单元，其基本属性包括三角面片的ID、顶点坐标、法向矢量等；（b）截面层：两个电缆截面圆之间的圆柱面，以三角面片组成的圆柱面2为基本单元，其基本属性包括圆柱面ID、端截面3ID、端截面3圆心坐标、端截面3法向矢量等；（c）分支层：截面层圆柱面之间存在邻接关系，通过圆柱面端截面相连接而成分支层，分支层的基本属性包括分支段ID、分支段两端ID，分支段两端截面圆心坐标、分支段两端截面法向矢量等；采用面片层、截面层和分支层构成的层次结构仿真电缆使得仿真电缆可柔性化，使得电缆变形仿真成为可能；显示属性还包括电缆的几何信息以及拓扑信息；几何信息包括电缆的截面形状、弯曲半径、所经过的关键路径点和电缆空间位置等；拓扑信息主要描述组成电缆的元素之间的拓扑组织关系，如主干电缆与分支电缆的拓扑关系等；（3）力学属性，采用弹簧质点模型描述电缆受力变形特性；具体如下：假设质点的位置即为截面层端截面圆心，电缆的力学变形满足以下微分方程（1）其中，为质点在三维空间中的位置向量，为质点的速度向量，为施加在电缆上的总作用力，为质量矩阵；对电缆上任一质点，满足以下力学方程（2）其中，为质点的质量，为质点的加速度；为质点所受的合力，为质点所受的内力，为质点所受的外力；内力由弹簧力和阻尼力组成，引入阻尼力是为了防止强张力下质点出现不规则振动，连接两个质点和的弹簧–阻尼器示意图如图3，根据胡克定律，对弹簧力进行计算，有（3）其中，为弹簧的弹性系数，由管理属性中的电缆基本信息（物理属性）给出；和分别为质点和质点的位置向量；为弹簧的原长；表示弹簧力的单位矢量；阻尼力可根据质点和的速度差计算，有（4）其中，为阻尼器的阻尼系数，也由管理属性中的电缆基本信息（物理属性）给出；和分别为质点和质点的速度向量；除了弹簧力和阻尼力，质点上的内力还与质点的相邻质点数有关，如图4中，、、的相邻质点数分别为3、2、1，因此，内力计算如下（5）其中，为与质点相连的质点数目；操作过程中电缆所受外力包括电缆本身重力、舱段内壁支撑力以及操作施加的虚拟力，由于重点考虑电缆的变形特性，因此默认电缆本身在重力以及舱段内壁支撑力作用下处于力平衡状态，仅考虑拖拽电缆时施加的操作力；本专利技术使用弹簧力近似模拟该操作力，如附图5，计算如下（6）其中，为模拟操作力的弹簧的弹性系数，也是由管理属性中的电缆基本信息给出，和分别为拖拽电缆过程中鼠标的前、后位置，用于计算拖拽过程中鼠标的移动量；由此，作用在质点上的外力为：（7）综合式（1）~式（7），对于质点的运动位移和速度可由如下微分方程确定：（8）使用欧拉积分法对式（8）进行求解，就可以获得电缆变形后质点在三维空间的位置以及速度；2）根据管理属性、显示属性和力学属性之间的映射关系本文档来自技高网...

【技术保护点】
柔性电缆变形仿真方法，其特征在于，包括：1）采用管理属性、显示属性和力学属性描述电缆；显示属性，采用面片层、截面层和分支层构成的层次结构显示电缆；面片层，以三角面片为基本单元；截面层，以三角面片组成的圆柱面为基本单元；分支层，通过圆柱面端截面相连接而成；力学属性，采用弹簧质点模型描述电缆受力变形特性；质点的运动位移和速度由如下微分方程确定：式中，质点位于圆柱面端截面圆心处，为质点所受的内力，为质点所受的外力，为质点的质量；其中，，为弹簧的弹性系数，和分别为质点和质点的位置向量，为弹簧的原长，表示弹簧力的单位矢量，为阻尼器的阻尼系数，和分别为质点和质点的速度向量，为与质点相连的质点数目；，为模拟操作力的弹簧的弹性系数，和分别为拖拽电缆过程中鼠标的前、后位置；使用欧拉积分法对上述微分方程进行求解，获得电缆变形后质点在三维空间的位置以及速度；2）根据管理属性、显示属性和力学属性之间的映射关系，实现电缆的变形显示；根据变形前后质点位置计算平移量，根据计算旋转量，得到变形前后质点所在端截面顶点的空间位置变换矩阵，和分别为变形前后质点所在端截面的法向矢量；根据空间位置变换矩阵完成面片层三角面片的更新，从而实现电缆的变形显示。...

【技术特征摘要】
1.柔性电缆变形仿真方法，其特征在于，包括：
1）采用管理属性、显示属性和力学属性描述电缆；
显示属性，采用面片层、截面层和分支层构成的层次结构显示电缆；面片层，以三角面片为基本单元；截面层，以三角面片组成的圆柱面为基本单元；分支层，通过圆柱面端截面相连接而成；
力学属性，采用弹簧质点模型描述电缆受力变形特性；
质点的运动位移和速度由如下微分方程确定：
式中，质点位于圆柱面端截面圆心处，为质点所受的内力，为质点所受的外力，为质点的质量；
其中，，为弹簧的弹性系数，和分别为质点和质点的位置向量，为弹簧的原长，表示弹簧力的单位矢量，为阻尼器的阻尼系数，和分别为质点和质点的速度向量，为与质点相连的质点数目；
，为模拟操作力的弹簧的弹性系数，和分别为拖拽电缆过程中鼠标的前、后位置；
使...

【专利技术属性】
技术研发人员：周来，高森，郑丹力，吴钧，李宇，邹诗苑，
申请(专利权)人：上海机电工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31