基于質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的電纜虛擬裝配仿真研究.pdf

1、隨著復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的信息化程度的增加，電纜在汽車、船舶、飛機(jī)等復(fù)雜機(jī)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(fù)雜，可裝配空間小，在實(shí)際的裝配過程中極易造成錯(cuò)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(zhì)量及效率，是企業(yè)所面臨的重要問題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為電纜產(chǎn)品設(shè)計(jì)安裝提供了一種新思路和方法。本文對(duì)電纜虛擬裝配技術(shù)相關(guān)理論、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，并以船用分油機(jī)中的電纜為例，進(jìn)行了虛擬裝配的實(shí)現(xiàn)。

2、論文的主要研究工作包括以下幾個(gè)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(chǔ)上，根據(jù)虛擬裝配系統(tǒng)的要求，假設(shè)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(shè)電纜沒有原始曲率和撓率。在此基礎(chǔ)上將電纜的幾何形態(tài)簡(jiǎn)化為若干質(zhì)點(diǎn)相連的一維對(duì)象，進(jìn)行了基于質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的電纜建模研究。電纜的形態(tài)由質(zhì)點(diǎn)位置控制，質(zhì)點(diǎn)空間位置變化引起電纜形態(tài)改變。質(zhì)點(diǎn)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(jì)算質(zhì)點(diǎn)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(huì)發(fā)生長(zhǎng)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(shí)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(jì)算框架。虛擬裝配仿真要求電纜變形的計(jì)算時(shí)間要盡量短，同時(shí)物理特性表現(xiàn)真實(shí)。為此，使用Newmark-β算法求解電纜運(yùn)動(dòng)方程。與顯式積分相比，隱式的Newmark-β算法的時(shí)間步長(zhǎng)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(chǔ)上證明了數(shù)值計(jì)算框架的穩(wěn)定性和收斂性。
　　(3)對(duì)虛擬環(huán)境中的建模技術(shù)進(jìn)行了研究。一方面虛擬平臺(tái)本身不具備復(fù)雜零件的建模能力，另一方面電纜在裝配中還會(huì)發(fā)生形態(tài)改變。因此將虛擬裝配場(chǎng)景中的零件根據(jù)裝配時(shí)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(dá)模式和描述方式，并提出了基于零件層有向圖的剛?cè)彡P(guān)聯(lián)模型，將剛性零件和柔性零件在零件層上進(jìn)行

5、關(guān)聯(lián)，形成完整的場(chǎng)景模型。深入研究了STEP中性文件格式和虛擬平臺(tái)中實(shí)體表達(dá)方法，以STEP的格式為中間文件，完成了商用CAD模型到虛擬場(chǎng)景的零件信息的轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)。
　　(4)對(duì)虛擬環(huán)境下電纜裝配過程進(jìn)行了研究。提出了虛擬環(huán)境下分層遞進(jìn)的碰撞檢測(cè)算法，將檢測(cè)過程分為初步檢測(cè)、詳細(xì)檢測(cè)和精確檢測(cè)三大步?；贠BB的層次包圍盒模型用來進(jìn)行初步檢測(cè);在詳細(xì)檢測(cè)階段為了提高計(jì)算效率使用基于粒子群算法的隨機(jī)碰撞檢測(cè)以進(jìn)一步縮小碰撞可能發(fā)生的