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虚拟环境下基于物理属性的线缆布局与装配仿真技术

作　者: 王志斌
导　师: 刘检华
学　校: 北京理工大学
专　业: 机械工程
关键词: 线缆物性模型布局设计装配仿真多分支弹簧质点模型
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

线缆是复杂产品机电系统中连接电气元器件、电气设备或控制装置的电线线束的总称。线缆在产品电气系统中起到控制动力传输的作用，因而其连接的可靠性将直接影响产品的性能和可靠性。目前，线缆的数字化布局设计及敷设仿真方法主要从几何特性出发，很少关注线缆本身的物理属性例如重力、弯曲特性造成的柔性线缆变形姿态，影响了线缆数字化布局结果的真实性和取样长度的准确性。本文研究建立了线缆的物理特性模型，并对虚拟环境下基于物理特性的线缆的布局设计和装配仿真技术进行了研究，通过在线缆布局设计与装配仿真中系统地考虑线缆的物理特性，使线缆布局结果和敷设仿真的形态更具真实性，其数字取样长度更加准确。论文的主要研究工作概括如下：(1)分析了线缆在复杂机电产品中的广泛应用与重要作用以及存在的问题，总结出由于落后的布局设计方法以及装配工艺规划方法导致了这些问题。同时指出根据线缆物理属性进行布局设计和装配仿真的必要性，对国内外相关领域的研究现状进行了综述，并阐述了研究的背景和意义。(2)指出得到虚拟环境中的较真实的线缆形态，必须建立基于线缆物理属性的物性模型。提出了两种线缆物性模型，分别用于线缆的布局设计和线缆装配仿真。分别介绍了能量曲线模型和多分支弹簧质点模型的建立过程，并分析了这两个模型的适用领域以及约束添加方法。(3)介绍了基于物理属性的线缆布局设计流程，重点讲述了能量曲线模型所包含的线缆物理属性，并对模型进行求解，最后根据线缆特点对该模型进行约束添加，使其形态更加符合线缆特点。(4)提出一种多分支弹簧质点模型作为线缆的物性模型实现线缆的装配仿真，解释了该模型中各线缆物理属性的含义，重点阐述了该模型的求解策略和方法以实现虚拟环境中的实时性要求；最后对模型进行约束的添加以符合线缆运动时特点，同时构造线缆的碰撞检测模型，实现了虚拟环境中线缆实时碰撞检测。(5)在本文所述研究内容的基础上，设计并开发了相关的原型系统，介绍了该系统的开发概况、开发背景、体系结构、功能模块、接口规范、实现方法和运行实例，并结合实例对提出的方法和技术进行了验证。最后，对全文进行总结，并对相关研究工作的后续发展进行了展望。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-24
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-21
    1.2.1 线缆布局设计技术  13-15
    1.2.2 线缆物性建模与实时装配仿真技术  15-20
    1.2.3 存在的问题  20-21
  1.3 项目来源及研究意义  21-22
    1.3.1 项目来源  21
    1.3.2 研究意义  21-22
  1.4 论文的研究内容与结构安排  22-24
第二章线缆物性模型建模方法  24-38
  2.1 线缆模型  24-28
    2.1.1 几何模型  25-26
    2.1.2 物性模型  26-28
  2.2 能量曲线模型  28-31
    2.2.1 能量曲线模型在线缆布局设计中的优势  28-29
    2.2.2 采用能量优化造型法建立线缆的物性模型  29-30
    2.2.3 基于能量曲线的线缆物性模型中约束条件的添加  30-31
  2.3 多分支弹簧质点模型  31-34
    2.3.1 多分支弹簧质点模型在线缆装配仿真中的优势  31-32
    2.3.2 使用多分支弹簧质点模型建立线缆的物性模型  32-33
    2.3.3 基于多分支弹簧质点模型的约束条件添加  33-34
  2.4 两种物性模型的对比与适用领域  34-36
  2.5 本章小结  36-38
第三章基于物理属性的线缆布局设计  38-52
  3.1 前言  38
  3.2 基于物理属性的线缆布局设计技术  38-42
    3.2.1 线缆布局设计的任务  38-40
    3.2.2 基于物性的线缆布局设计流程  40-42
  3.3 快速布线技术  42-47
    3.3.1 非均匀 B 样条  42-44
    3.3.2 型值点反求算法  44-45
    3.3.3 线缆弯曲属性的约束  45-47
  3.4 能量曲线模型求解  47-51
    3.4.1 能量优化算法  48-49
    3.4.2 端点切线方向约束  49-50
    3.4.3 线缆固定、捆扎约束  50-51
  3.5 本章小结  51-52
第四章基于物性模型的线缆装配仿真方法  52-70
  4.1 前言  52
  4.2 基于物性的线缆装配仿真技术  52-54
    4.2.1 线缆装配仿真的意义  52-53
    4.2.2 基于物性的线缆装配仿真流程  53-54
  4.3 物性模型求解  54-57
    4.3.1 求解策略与流程  54-55
    4.3.2 方程求解  55-56
    4.3.3 分支点受力分析  56-57
  4.4 约束处理  57-61
    4.4.1 定长约束  57-60
    4.4.2 定点约束  60-61
    4.4.3 端点切线方向约束  61
  4.5 柔性线缆的碰撞检测  61-66
    4.5.1 线缆碰撞模型  62
    4.5.2 线缆与其他物体的碰撞检测流程  62-63
    4.5.3 碰撞位置的获取  63-65
    4.5.4 碰撞冗余剔除  65-66
  4.6 几种模型效果对比  66-68
  4.7 本章小结  68-70
第五章系统开发及实例验证  70-86
  5.1 系统概述  70-71
    5.1.1 系统的开发和运行环境  70
    5.1.2 系统开发的总体目标  70-71
  5.2 系统分析  71-74
    5.2.1 系统业务分析  71-72
    5.2.2 系统功能模块  72-73
    5.2.3 系统体系架构  73-74
  5.3 系统设计  74-76
    5.3.1 系统面向对象建模设计  74-75
    5.3.2 数据接口设计  75-76
  5.4 系统实现及实例验证  76-84
    5.4.0 系统基本界面  76-77
    5.4.1 基于物性的线缆布局设计  77-83
    5.4.2 基于物性的线缆装配仿真  83-84
  5.5 本章小结  84-86
第六章总结与展望  86-88
  6.1 全文总结  86-87
  6.2 展望  87-88
参考文献  88-92
攻读学位期间发表论文与研究成果清单  92-94
致谢  94

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