基于CATIA汽車線束三維設計的初期準備與相關應用

白健宇

（長春一汽富晟李爾汽車電器有限公司，吉林 長春130000）

目前，汽車線束制造企業與汽車制造企業聯合進行汽車線束研發已成為主流。在前期線束設計中為了清晰、快捷、真實地得到汽車線束在空間走向和尺寸，以使線束在整車中布置得更合理，通常采用三維軟件仿真模擬布線。現行業內主流的三維線束布線軟件有CATIA、PROE、UG等［1］，由于不同的汽車主機廠家對線束開發所采用的線束軟件各不相同，故線束制造廠家的工程師熟練地掌握與應用主機廠所采用的線束三維布線軟件已成為必備的技能。CATIA在線束3D設計中操作便捷，數據結構樹簡潔明了，線束路徑清晰易調整，故CATIA在線束仿真領域甚至整個汽車行業內都得到了廣泛的采納并應用，如：大眾、寶馬、上汽、紅旗、奔騰、江淮等汽車主機廠均采用CATIA軟件。CATIA（Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application）是上世紀70年代法國達索宇航公司開發的，并應用于航空工業。經過多年的推廣，現已經深度應用于機械、電子、航空航天、化工、建筑等行業。同時CATIA亦是CAD/CAE/CAM一體化的軟件，完全滿足企業設計的需求，具備有效地減輕設計人員的勞動強度、縮短設計周期、優化設計方案、加強設計標準化等作用。該軟件從應用到目前為止經歷了數個版本，目前大部分主機廠和供應商都使用V5R20或者V5R21這兩個版本［2］。

使用CATIA開發汽車線束的基本流程，如圖1所示。

圖1 基于CATIA軟件的汽車線束開發流程圖

1 CATIA線束設計模塊與數據庫的準備

1.1 線束設計所需模塊

基于CATIA軟件的線束3D建模的專屬設計模塊有：Electrical Assembly Design（電氣裝配設計），Electrical Part Design（電氣零件設計），Electrical Harness Assembly（電氣線束裝配），Electrical Harness Installation（電氣線束安裝），Electrical Wire Routing（電氣信號線排布），Electrical Harness Flattening（電氣線束展平），Electrical 3D Design Assembly（電氣3D設計裝配），Electrical 3D Design Part（電氣3D設計零件）。這些設計模塊在軟件中的位置如圖2所示。

圖2 線束模塊在CATIA中的位置

當前，國內外大部分主機廠在開發汽車線束時，主要會使用“Electrical Part Design”和“Electrical Harness Assembly”這兩個模塊。“Electrical Part Design”用來對插接器、卡釘、橡膠件、塑料支架等零部件定義電氣屬性；“Electrical Harness Assembly”用來創建包含所有線束幾何圖形集的產品總成，并通過此應用創建、修改或者刪除線束數模。其中“Electrical Harness Flattening”主要是用來對三維數模進行展平從而得到平整的二維布局和線束段尺寸。其它模塊用于將線束的電路原理和線束三維數據相結合，使線束數模具有電氣屬性。由于CAITA的電氣原理附上線束實物的做法和步驟非常繁瑣，因此目前一般很少用得到，而是通過其它專門的線束整合軟件與CAITA結合起來完成的，例如Elena，E3，CHS等。除此之外還會用到“Part Design”和“Generative Shape Design”模塊，用以卡釘或者支架等物料的建模，以及“Assembly Design”模塊來完成裝配設計任務。

1.2 線束相關零件電氣屬性的設置

圖3 某SUV車型車身線束實物圖

汽車線束產品主要由插接器、卡釘、橡膠件、扎帶、塑料支架、線束保護物、端子、搭鐵、電線、雨塞、盲堵、導向殼、背扣、熱縮管、扭矩保護器、防水泥、聚氨酯發泡等構成，圖3為某車型車身線束總成。在線束三維模型中，通常不體現電線、端子、雨塞、盲堵和防水泥等，其它的與線束存在直接接觸的零件需要賦予電氣屬性，目的是①指示出線束與電氣件模型的連接點；②體現電氣件數模識別點，為之后的展平或者整合提供參考測量點；③實現自動裝配，免去手動調節線束與電氣件相鏈接的操作過程，此操作既利于設計，又提高了整體線束三維數據的精確性、統一性和穩定性。插接器、卡釘等數據模型普遍來自于國內外各大線束公司或其供應商，線束開發人員須在項目的前期或者初、中期搜集整理并分類好模型數據并賦予其電氣屬性。

1）插接器的電氣屬性設置

插接器電氣屬性設置需要進入“Electrical Part Design”設計模塊，首先通過此模塊下“Define Connector”命令將三維數模賦予插接器屬性，并設置此插接器的類型（Type：Single Insert Connector）；零件號（Part Number）及孔位數量 （Number of Terminations），如圖4所示。然后通過“Define Bundle Connection Point”命令定義插接件線束電氣連接點，此處需要分別設置連接點的名稱（Name）、代表位置（Representation）、具體位置（Point）和線束的垂直方向（Initial Condition），如圖5、6所示。

此操作過程同樣適用于搭鐵端子電氣屬性的添加。

圖4 賦予數模插接器屬性

圖5 設置電氣連接點

2）卡釘與支架的電氣屬性設置

圖6 電氣連接點位置與參考面示意圖

卡釘的電氣屬性設置同樣需要在“Electrical Part Design”設計模塊下進行，通過此模塊中的“Define Support Part”命令，定義線束與卡釘之間的裝配規則，如圖7所示。①首先編輯卡釘數模的名稱（Name）；②然后設定線束在卡釘上的入線位置，即線束的中心線要經過的第一個點（以下統稱屬性點）的位置（Point.1）并選擇這個點所在的平面（Plane），線束會與這個平面保持垂直的形態劃入卡釘；③之后掠過卡釘支撐面（Base Plane Definition：Plane2），線束外緣會與此支撐面始終保持相切狀態，但此平面又為非必選項，因為有些卡釘或者管箍無支撐平面，如圖8所示；④最后線束垂直地從卡釘的出線面（Second Plane Definition：Plane1）劃出，確認“OK”完成定義，圖9為參考點與平面示意圖。

值得注意的是，雖然事先已經設定好了屬性點的具體位置，但它并非一成不變，它會隨著線束直徑的粗細變化而沿著支撐面（Base Plane Definition：Plane2）的垂直方向做出相應的位移，因為軟件會優先保證線束外緣與支撐面的相切約束設定。

橡膠件與塑料支架的電氣屬性設置與卡釘大體相同，不同的地方在于屬性點數量不同。因為橡膠件、塑料支架與線束的接觸面積遠遠大于卡釘，所以為了提高數據的仿真程度，增強設計的規范性與高效性，一般會設置兩個以上的屬性點，如圖10、11所示。

圖7 定義裝配規則

圖8 無線束支撐平面的緊固件

圖9 電氣屬性點位置與參考面示意圖

圖10 橡膠件屬性點分布示意圖

圖11 塑料支架屬性點分布示意圖

3）線束保護物的創建

汽車線束的外保護物一般有膠帶、波紋管、編織管、熱縮管、套管、袖套、魔術貼等，其中膠帶在整車線束中應用比例最大，占90%以上，且膠帶的種類與纏繞方式也各有所不同。實際應用中，常見的有纖維膠帶、布基膠帶、防磨膠帶、天鵝絨膠帶、PVC膠帶、銅箔膠帶、鋁箔膠帶、海綿膠帶等；膠帶的纏繞方式主要分3種：花纏、密纏和點纏。在CATIA三維數據中，不同的零件號代表不同的膠帶種類，不同的纏繞方式一般會通過不同的顏色來進行區分。

線束保護物的創建同樣需要在“Electrical Part Design”設計模塊下進行，并通過此模塊中的“Define Protection Part”命令，完成創建與屬性信息錄入的全過程。保護物的屬性信息包括零件號（Name），類型（Type），寬 度（Width），厚度（Thickness），彎曲半徑（Bend radius），單位長度質量（Linear mass），直線類型（Line type），幾何結構（Light type），如圖12所示。最后再通過3種不同的顏色來區分3種不同的纏繞方式，如圖13所示。

1.3 數據庫的建立

所有零件數模定義好電氣屬性之后，須將其分類歸納于零件庫文件夾中，并創建“CatalogDocument”庫文件，如圖14所示，保存于庫文件夾內，再將所有零件數模通過“Store Device”命令與庫文件直接相連，如圖15所示。數據庫的建立可以極大地幫助線束設計人員查詢、預覽、調用所需零部件，既提高了設計效率［4-5］，又可以完善三維設計體系。

圖12 保護物屬性創建

圖13 不同纏繞方式的數模

圖14 庫文件的設置

圖15 零件與庫文件鏈接

2 CATIA軟件的環境設置

使用CATIA進行線束設計之前，需要對軟件進行環境設置。目的：①使三維數據狀態和建模過程更加復合線束設計的要求；②使軟件的運行速度更快，提高工作效率。

2.1 保持與所選對象的關聯性（keep link with selected object）

為了保持線束與個電氣件之間的鏈接關系，使線束能夠根據電氣件的位置變化而自動更新，便于修改線束分支。此設置需要進入“Tools”下拉菜單里的“Options”功能窗口，勾選在“Part Infrastructure”層級中“General”項目下“keep link with selected object”的設定，以及將在“Electrical Harness Installation”層級中“Contextual Links”條目里的“keep link with selected object”選項調整為“always”設定，如圖16、17所示。

圖16 保持與所選對象的關聯性1

圖17 保持與所選對象的關聯性2

2.2 開啟高速緩存（Work with the cache system）

基于CATIA的汽車線束三維數據所占空間一般比較大，文件本身屬于總成（Product）類文件，其內部鏈接包含插接器、卡釘、支架、膠帶等所有線束零部件，文件大小一般在10M與4GB之間。所以為了提高工作站的運行速度，需要使用“高速緩存管理”功能，提高工作站的運行速度。此設置同樣需進入“Tools”下拉菜單里的“Options”功能窗口，在“Product Structure”層級中的“Cache Management”項目下勾選“Work with the cache system”設定；然后設置“Path to the local cache”，將緩存文件（.cgr）保存于電腦本地空間較大的存儲盤中（除系統盤C盤外）；最后勾選“Cache Size”并盡可能錄入最大值，一般為“999999999”MB以應對未知的較大的整車數據，如圖18所示。

圖18 高速緩存設置

2.3 取消自動激活（Do not activate default shapes on open）

在打開線束三維數據總成（Product）時，軟件的初始狀態會自動激活所有數據，并且將其轉換為設計模式。此過程同樣會消耗大量的時間，解決這一問題需要進入“Tools”下拉菜單里“Options”功能窗口，將在“Product Structure”層級中的“Product Visualization”項目下的“Do not activate default shapes on open”設定改為勾選狀態，如圖19所示。這樣就把“激活數據”和“轉入設計模式”的過程改成了手動操作，操作命令如圖20所示。此設置既可以按照線束設計者的意圖來決定數據的開啟狀態又在很大程度上節省了時間。

圖19 打開時不要激活數據設置

圖20 手動激活數據及進入設計模式

3 三維數據結構樹的常規設定

汽車線束包含的物料繁多，為了能夠清晰完整地體現和管理這些物料，也為了能夠在項目的整個開發周期甚至整個生命周期內更好地維護三維數據，必須合理地分類歸納好數據總成（Product）以下所有的子集，以應對數量眾多的設計變更。一般地，汽車線束三維模型總成中包含的數據有：插接器、卡釘、線束幾何路徑和線束保護物等，這4類數據為線束產品的自身物料數據，應歸納入【線束總成】；根據不同主機廠的要求，有時線束三維數據還可能要求包括非線束自身物料數據，比如：金屬支架，標準件，配電盒等，因而，線束總成與非線束自身物料數據便可合并成一個總成，為【線束邏輯總成】；將所有區域的【線束邏輯總成】集合到一起，組成【整車線束邏輯總成】，如圖21所示。值得注意的是，“Wire Harness Routing”層級需要提前被定義為幾何線束組，通過“Electrical HarnessAssembly”設計模塊中的“Geometrical Bundle”命令，用來專門存放所有的電氣線束路徑。

圖21 三維線束數據標準結構樹

4 檢測三維數據的連通性與干涉情況

在線束三維設計的過程中反復進行干涉分析檢查，對提高設計品質尤為重要，同時CATIA可與其他第三方軟件建立接口，進行各種信息和文件的輸出，這就要求整個線束數據不能出現中斷點，所以連通性的檢查亦變得不可或缺。

4.1 線束路徑連通性檢測

從線束三維數據本身的品質角度來講，數據整體應該是一個閉環的、無斷點、無殘缺的完整數據，所以每一段中間路徑都要保證與前后路徑首尾相連，每一處終端分支都應保證有插接器、端子或者熔斷絲盒等收尾。同時不論是想要通過CATIA軟件自身展平功能還是通過任何一種線束整合軟件來獲取二維圖紙信息，都要求三維數據本身必須是一個連通的整體。

CATIA軟件通過“Search”（Control+F）功能來檢測線束數據的連通性，首先打開“Search”設置界面，進入“Advance”工作臺，選擇“Workbench”下拉菜單內的“Electrical”；“Type”下 拉 菜 單 的“Bundle Segment”；“Attribute”下拉菜單的“fully connected”，將彈出的話框“Attribute Criterion”的結果選項設定為“FALSE”，最后確認“Search”，如圖22所示。在彈出的對話框內可以看到所有斷鏈接的分支，如圖23所示，如無極特殊情況，須逐條調整直至全部消除。

圖22 三維線束數據標準結構樹

4.2 數據的干涉檢測

從實際裝車情況與線束三維設計品質兩方面角度來講，保證線束產品在裝配完成后，不與車身發生干涉碰撞或磨損割傷的現象，是檢驗產品是否合格的重要標志之一，也是線束三維工程師要遵守的關鍵設計原則之一。所以，在設計階段要經常性地反復檢驗線束數據與車身數據是否存在干涉，以保證避免此類失效形式的發生。

檢查干涉需要進入軟件“Assembly Design”的模塊，通過工具欄里“Analyze”選項內“Clash”的功能進行。在“Check Clash”功能表中，需要定義干涉條目（Name：Interference.1）；干涉形式（Type：Contact+Clash）以及干涉類型（Eg：Between two selections）并選擇要檢測的項目（Selection 1：1 product & Selection 2：2 product），如圖24所示。確認“Apply”并預覽干涉情況，如圖25所示，如無特定情況，須逐條調整直至全部消除。

圖23 三維線束數據連通性檢查結果

圖24 干涉檢查設置

5 結語

合格地、嚴謹地做好線束三維設計初期的準備工作是必不可少的，最大限度地發揮軟件的輔助設計與檢測功能也是將來線束開發的必經之路，規范化數據的建模結構以及軟件的環境設置可以很大程度地提高線束整個開發階段的設計及維護效率，避免時間的浪費，縮短產品的設計周期。只有打下堅實的基礎，才能鑄就牢固的上層建筑，也只有這樣才能滿足現代飛速發展的汽車產業對線束設計的要求。

圖25 干涉檢查結果