基于Capital與CATIA的電氣系統協同設計方法

竇明佳 方偉家 陳敏

摘 ?要：本文介紹了Capital與CATIA在整車電氣系統設計中的數據交互過程以及如何運用Capital和CATIA各自的優勢進行車輛電氣系統的協同設計，并結合實際項目經驗著重闡述運用Capital 進行原理設計、拓撲設計、自動合成導線的方法以及運用CATIA進行3D線束設計的注意事項，最后闡述了如何在Capital HarnessXC通過橋接輸入3D數據以及同步拓撲數據形成2D線束圖紙。該設計方法是目前飛機、汽車行業先進的電氣系統設計方法，在實現ECAD與MCAD數據交互的同時保證了設計的準確性以及設計效率的提高。

關鍵詞：Capital;CATIA;數據交互;協同設計

中圖分類號：U463.62 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2021）03-0035-06

The Collaborative Design Method of electrical System Based on Capital and CATIA

DOU Ming-jia， FANG Wei-jia， CHEN Min

（ VOYAH Automobile Technology Company，Wuhan 430056， China ）

Abstract： This Paper introduces the Capital and CATIA data interaction in the process of vehicle electrical system design，and how to use Capital and CATIA their advantages to collaborative design，and combined with actual project experience focuses on scheme design，topology design，automatic synthesis method，and using CATIA 3D of the wire harness design considerations，finally elaborated how to bridge in 3D Data from CATIA and Synchronization data from Topology in Capital HarnessXC.The design method is an advanced electrical system design method for aircraft and automobile industries at present.It not only realizes ECAD and MCAD data interaction，but also ensures the accuracy and efficiency of the design.

Key Word： ?Capital; CATIA; Data Interaction; Collaborative Design

竇明佳

畢業于華北水利水電大學，學士學位。現就職于嵐圖汽車科技公司，任工程師，主要研究電子電氣架構，已發表論文5篇。

1 ? ?引言

車輛電氣系統的設計分為電氣原理設計、3D線束布置設計以及線束2D圖紙工程設計，在電氣原理設計的過程中需要校核關鍵用電器的回路壓降，避免電源回路壓降過大對電器性能造成影響，同時導線回路壓降校核需要的關鍵信息-導線長度需要來自3D物理布線。而對于3D線束布置設計為了在設計階段早期發現干涉、安裝空間狹小等問題則需要相對準確的線束截面直徑信息，而線束截面直徑的大小則由通過該線束端的導線數量及導線規格決定，導線數量及規格信息通常來源與電氣原理設計及電氣拓撲設計階段。另外在2D圖紙設計階段，需要原理設計的整車導線回路信息以及3D線束布置的線束長度、固定件位置信息。因此為了保證電氣系統設計的質量，電氣原理設計、3D線束布置設計以及線束2D圖紙設計過程需要不斷的數據交互，而目前多數公司依靠人工統計導線回路長度、依靠Excel表計算線束截面，設計師手動將3D數據轉化到2D圖紙中，數據不能復用，人工統計計算工作量大，無法滿足不斷縮短的整車開發周期要求。

因為Mentor Graphics 公司的Capital產品在車輛電氣系統設計領域的領先性，大型OEM普遍采用Capital進行整車電氣原理設計、線束2D圖紙設計，而3D線束布置設計通常由Dassault公司的CATIA電氣模塊完成，本文介紹的自動化線束設計方法結合了Capital和CATIA各自的優勢進行電氣系統的協同設計，保證了設計的準確性及可靠性，實現數據的有效復用，縮減設計師的工作量，同時縮短了整車電氣系統的開發周期。

2 ? ?Capital與CATIA電氣系統協同設計流程

Capital與CATIA 電氣系統協同設計流程如圖一所示。

該設計流程首先依據企業的圖紙風格及設計約束規則在Capital中進行定制化設置，該設置可應用于企業所有整車平臺電氣系統開發，然后通過Capital Library搭建企業的線束零部件數據庫，實現企業內部數據管理及共享，有利于平臺化的開展縮減零件種類及開發成本，接下來可按照項目劃分在Capital Logic中繪制各項目的電氣系統原理圖，然后將Capital Logic繪制的原理圖中的電器設備通過Capital Integrator映射到物理線束拓撲上，接下來可在Capital Integrator中進行整車所有導線的路徑規劃及整車線束種類（Harness Level）的生成，同時自動生成焊接點、自動導線合成，自動生成2D導線回路表，從而保證原理設計數據復用，原理到線束數據一致，無需人工輸入導線回路，從而使設計人員主要關注功能實現原理而避免重復簡單的勞動。3D線束設計主要使用CATIA 電氣設計模塊Electrical Part Design（EPD）進行線束零件3D數據電氣屬性的添加及維護，同時通過CATIA的目錄編輯器（Catalog Editor）可進行線束零件3D數據的管理。接下來通過Electrical Assembly Deisgn（EAD）進行電器設備的安裝及線束零件的安裝，然后通過Electrical Harness Installation（EHI）模擬物理線束的敷設，完成線束敷設的初版數據可以通過Capital與CATIA的數據橋接接口導入Capital Integrator中展平調整后形成物理線束拓撲，用于導線的路徑規劃。在Capital Integrator完成導線的合成及線束等級的生成后可導入CATIA在Electrical Wire Routing（EWR）將導線在物理線束中進行路由[1]，依據CATIA中內嵌的算法計算線束段的截面直徑并自動更新3D線束。最后可將CATIA中3D線束的分支長度、節點位置、卡扣、包覆物等信息導入Capital HarnessXC，同時將Capital Integrator中設計完成的導線回路、焊接點、線束種類等信息導入Capital HarnessXC中調整布局可形成線束2D圖紙。

2.1 ? Capital ?Logic電氣原理設計

原理設計根據ICD（Interface control Document） 中定義的接口以及架構輸出的功能邏輯圖繪制信號（Net）連接圖，標識了各電器模塊之間依靠導線進行功能實現的原理。因為目前客戶定制化需求的逐步增加，車輛的功能配置也逐步復雜，在原理設計時要合理的劃分子系統原理、合理設置原理中設備的配置選型（Option），這對于后續自動合成導線的準確性至關重要。

2.2 ? CATIA 3D線束布置

在進行3D線束布置之前可通過EPD（Electrical Part Design）模塊進行線束連接器定義、支撐固定件定義、包覆物定義并通過Catalog（目錄編輯器）數據庫管理工具進行零件的分類管理，同時在建立3D零件名稱及零件號時要和Capital Library中對應零件的名稱和零件號保持一致，然后在Electrical 3D Design Assembly模塊進行焊接點的定義，然后在Electrical Assembly Design模塊將連接器、支撐固定件安裝在整車環境里，接下來可通過Electrical Harness Assembly和Electrical Harness Installation模塊進行線束的走向布置，值得注意的是在創建幾何線束的時候，幾何線束的結構樹盡量按照線束附件種類分類（如圖2），每個零部件存放在相應的部件類下，一個線束總成的所有線束分支要放置在一個多分支結構樹下[2]，線束直徑可根據經驗粗略輸入，待后期導線路由后再自動精確計算。

2.3 ? Capital Integrator自動導線合成

該模塊是Capital生成式設計的核心模塊，可通過將CATIA繪制的3D線束導入Capital Integrator中創建整車線束拓撲，拓撲圖中包含整車用電器的2D平面位置，線束分段（根據裝配工藝分開的線束零件），導線路由通道（Bundle）長度、節點連接器位置及型號等信息。根據3D線束布局創建完整車拓撲后，可通過生成列表關聯Capital Logic繪制的電氣原理圖，設置規則自動將原理中電器設備放在在整車拓撲中，自動整理接地設備，然后根據整車配置表進行車型配置定義，最后通過Capital Integrator中CWS（Composite Wiring Synthesis）自動導線合成、焊接點生成、線束等級生成。值得注意的時在Capital Integrator中輸入的車型配置定義要和企劃部門輸入的整車配置表對應，同時，自動合成導線的約束規則設置要結合企業知識庫，并根據企業知識庫定制開發相應的約束規則。另外，在Capital Integrator中進行自動合成導線操作后，第一次并不能生成完美的設計，需要運用工具的DRC（Design Rule Check）進行設計檢查，對于暴露的問題按照指引逐個解決，從而重新執行自動導線生成操作，在進行多次上述操作后，保證DRC檢查無任何錯誤則可進行發布。

2.4 ? CATIA導線路由與線束截面計算

2.4.1 Capital接線數據導入CATIA

Capital Integrator自動合成的整車導線可通過CATIA與Capital的接口插件導入CATIA，CATIA與Capital的交互模式分為兩種：“線上傳輸模式”和“線下導入導出模式”，“線上傳輸模式”快捷且減少中間環節出錯的概率，因此可在Capital Integrator中橋接選型設置CATIA V5接線數據連接狀態，同時將CATIA Electrical Assembly Design模塊中Capital Project Management對話框Capital Data Access處于Connected狀態，在Capital Integrator中點擊Bridge out命令則CATIA中自動出現接收到拓撲數據對話框（如圖3），點擊確定則Capital中接線數據自動傳遞至CATIA。

2.4.2 Caital與CATIA數據關聯

通過Capital-CATIA Links Management對話框可實現Capital中線束連接器與CATIA中線束連接器自動關聯，自動關聯的前提是Capital中連接器的名稱及零件號要與CATIA零件屬性中定義的實例名稱及零部件編號一致，同時還需要將Capital自動合成導線生成的焊接點放在在物理線束上，放置焊接點的過程可依據Capital Integrator中自動生成的焊接點在2D線束拓撲中的位置手動放置在3D線束分支上，在Capital-CATIA Links Management對話框選擇需要放置的焊接點此時在Capital Integrator 拓撲中對應高亮相應的焊接點（如圖4），從而便于設計人員同時看到同一焊接點在兩個設計軟件的狀態，提高了放置焊接點操作的便利性。

2.4.3 導線自動路由

在完成焊接點的放置后可在Electrical Wiring Routing模塊進行導線的自動路由，自動路由后通過自動路由報告可分析導線的路由情況（如圖5），同時所有的3D線束段變紅，更新線束段后導線的直徑、截面會根據該線束段路由的導線規格及數量通過CATIA內置的算法自動計算。導線路由會顯示部分導線不能成功路由，此時可能是CATIA 3D線束段未連接，可通過NetWork Assistant檢查線束的連接狀態。

CATIA計算線束截面有兩種算法：標準算法和FLEX算法，為了更準確的反應實際物理線束形態通常選擇FLEX算法，FLEX有限元算法考慮線束防護、內部焊接點、導線和導線組[3]，當完成導線在線束端的布線后線束端的硬度及彎曲半徑會根據所通過導線和導線組的特性變化。對于線束端放置有焊接點時，FLEX算法會考慮在CATIA Electrical Library中定義的焊接點長度及等效厚度信息。

2.5 ? Capiatl HarnessXC 2D線束圖紙設計

2.5.1 CATIA 3D線束導入到Capital HarnessXC進行展平

在Capital HarnessXC橋接連接特性選擇CATIA 線束橋接，為了保證數據傳遞的便利性及一致性通常選擇“線上傳輸模式”，在CATIA中通過Capital HarnessXC Interface接口導出線束數據，此時Capital HarnessXC變更管理對話框會同時顯示已接收到的數據，通過在Capital Project設置MCAD數據變更策略可控制CATIA線束數據中同步到Capital HarnessXC 2D線束圖紙中的信息，通常會選擇只同步CATIA 3D線束的線束段長度、節點位置、防護層的起止點等信息，而導線回路及焊接點等電氣信息可從Capital Integrator中同步過來。通過變更管理對話框可管理外部MCAD數據更新到Capital的過程，實現數據更改的過程控制，從而避免未被設計人員識別到的數據更改。

2.5.2 Capital Integrator電氣信息導入Capital HarnessXC

在完成CATIA 3D數據導入后，需要將Capital Integrator拓撲中合成的導線信息、焊接點信息、線束等級信息同步到Capital HarnessXC中，在生成列表添加要同步的源拓撲以及接收拓撲數據的線束圖紙，設置電氣信息的變更策略，通過同步線束設計對話框可將Capital Integrator中設計數據同步到線束圖紙中。在項目實際開展過程中原理變更后數據同步到線束2D圖紙中可通過模擬同步，從而在不改變圖紙的情況下通過同步詳情對話框查看數據變化的內容，設計人員在識別所有的變化是正確的情況下，再使用同步線束設計將變更數據更新到2D線束圖紙。

2.5.3 Capital HarnessXC 線束2D圖紙圖面調整

將CATIA 3D線束數據和Capital Integrator中電氣信息導入Capital Harness 2D圖紙后，檢查圖紙中每個節點是否都放置連接器、連接器導線回路表，同時選擇卡扣視圖方向、安裝方向等，然后通過設置規則一鍵自動放置焊接點，從而優化焊接點在線束上的放置位置，然后通過平衡焊接點可自動計算連接焊接點的導線出現方向，焊接點放置后可根據導線路徑自動計算導線回路表中每根導線的長度，然后通過零部件選擇可對導線、多芯線、焊接點、熱縮管 膠帶、套管等線束附件調用Capital Library庫零件，同時可通過孔位部件管理可自動選擇連接器內匹配的端子、盲堵、防水栓零件號，而這些零件的類型及匹配關系需要事先在Capital Library中進行建立。然后通過圖紙風格設置可以在圖面顯示導線回路總表、多芯線表、物料清單以及衍生線束配置表等信息，最后進行DRC（設計規則檢測）將檢查出的錯誤更改后可打印輸出PDF/DXF/CGM/SVG格式圖紙文件指導下游線束供應商進行線束的生產制作。

3 ? ?具體車型電氣系統設計

目前在某款新能源輕卡車型的電氣系統設計過程中根據車型配置情況將整車電氣系統劃分為23個子系統原理，這23個子系統原理圖在Capital logic中繪制完畢并通過軟件驗證通過后，可由生成列表（Bulid List）傳遞至下游。

在Capital Integrator中通過橋接將CATIA繪制的車架3D線束導入Capital展平形成車架線束拓撲（如圖7），接下來關聯原理設計，將上述23個子系統原理中的電器設備、接地根據預先設置的規則自動放置到拓撲對應插槽中，然后輸入該平臺車型的三個實例化車型配置，執行自動合成導線操作，生成721條導線，142個焊接點，車架線束生成3個線束等級分別適配三個車型的不同配置需求。

最后將CATIA完成的車架線束3D數據通過橋接端口導入Capital HarnessXC中調整重疊部分，優化分支布局，同時將Capital Integrator中自動合成的導線及焊接點等信息同步到Capital Harness中，放置回路表，放置焊接點，放置衍生線束配置表，自動關聯Capital Library定義的線束零件數據庫，選擇適配的零件，通過上述操作可形成車架線束的2D圖紙（如圖8）。

4 ? ?總結

本文介紹了基于Capital與CATIA實現汽車電氣系統協同設計的流程及方法，結合Capital生成式設計在EAD設計領域的先進性以及CATIA 在MCAD設計中運用的廣泛性，從而實現了汽車電氣系統設計原理專業、3D專業以及2D圖紙專業的協同。該設計流程摒棄了傳統設計依靠2D制圖軟件存在的弊端，傳統設計方法電氣原理設計、3D設計以及2D線束圖紙設計之間數據傳遞依靠人工轉化，數據檢查依靠設計人員制作龐大的Excel表進行數據校核，設計人員工作負荷高、設計周期長同時數據的準確性及一致性不能得到保證。

在目前智能化、電氣化以及網聯化的新形勢下，汽車電氣系統的復雜度的增加以及設計周期的縮短迫切需要新的設計流程及方法，而上述基于Capital和CATIA的電氣系統協同設計流程正好契合了當下的需求。

參考文獻：

[1]張志龍.Mentor Capital電氣系統設計指[M].北京：清華大學出版社，2020.5.

[2]HB 7756.14-2014.基于CATIA建模要求-第14部分：線束敷設.

[3]Dassault Systems. Electrical wire Routing user，s Guide[Z].