汽車線束設計基于IPS模擬仿真的應用

韋思亮

（1.同濟大學汽車學院，上海 200092；2.昆山滬光汽車電器股份有限公司，江蘇 昆山 215326）

汽車線束作為汽車零配件里重要的一員，在傳統的設計開發過程中，設計工程師的經驗尤為重要。對于3D設計，目前主流的3D設計軟件有Catia， 以及NX.這些軟件的采用，極大地提高了設計的有效性。這些專業3D軟件，有一些模塊中有動態的DMU設計部分，這些DMU對于空間的把控，零配件的空間布局的調整起到很大的作用［1］。

但是這些DMU的運動仿真，只能描述零部件3D的數模在環境中的運動包絡。即某一個零部件在無重力環境下，本身運動所形成的一個體積空間。這種仿真方式無法有效地描述出零部件自身的材料剛度、扭轉情況，以及在有重力情況下自身的運動狀況。

本文主要針對線束設計過程中，結合使用專業的仿真驗證軟件IPS，對線束設計的前期驗證起到的作用進行論述。

1 傳統線束設計的流程

在汽車線束開發傳統設計中，主要是分為3個模塊：三維設計、原理設計、二維設計，如圖1所示。每個部門都各有側重點，且各自形成獨立的單元模塊。三維設計的定義信息主要包括線束尺寸、線束直徑、線束包裹物、插件型號、支架型號等；原理設計的定義信息主要包括插件型號、匹配的端子/防水塞/防水栓、導線型號、熔斷絲、連線邏輯圖、架構布局圖、配置表等；二維設計的定義信息主要包括掛點位置、掛點保護、包裹物寬度、波紋管內徑等。其中，三維設計主流使用的工具軟件是Catia、 NX、Pro-E等［2］；對于原理設計，主要有Capital、EB、 AutoCAD等方式；二維設計由于搭載的圖紙屬性不同，就直接在不同的圖紙格式上生成，目前主流使用的有Capital、Ldorado、 AutoCAD等。

圖1 傳統線束開發模塊圖

可以看到，目前線束的開發模塊中，并沒有包含有CAE的模擬仿真模塊，而對于很多二級零部件， CAE的應用已經很普及，且發揮了很大的作用［2-3］。

因此在線束行業上，是否同樣也可以引進CAE虛擬仿真驗證手段，在前期進行線束設計的時候，就將虛擬驗證進行應用。這不僅可以縮短線束的開發周期，也減少了在開發過程中，由于設計能力的不足，或者設計經驗的缺陷而導致二次驗證［4］。

2 結合仿真軟件進行線束設計的流程

昆山滬光汽車電器股份有限公司在2017年開始引進IPS軟件。在實際使用過程中，IPS發揮出了很大功效，在同客戶的同步開發線束設計過程中，引起很大反響，并受到好評。

2.1 IPS軟件的設計流程

IPS Cable Simulation是德國FleXstructures GmbH公司的工業路徑解決方案IPS（Industrial Path Solution）軟件平臺中專門用于柔性管線分析優化的模塊，是由歐洲最大應用研究組織——弗勞恩霍夫協會（FraunhoferResearch）中專門致力于數字化仿真工程算法研究的ITWM和FCC兩家研究機構共同研究和開發的旗艦類軟件產品。

IPS Cable Simulation在工業中的軟管、電纜和復雜線束的設計優化及品質控制中得到了廣泛應用，尤其是在汽車、軍工和航空等領域中已得到了成功的應用和驗證。

IPS Cable數據分析流程如圖2所示，該分析流程與傳統的CAE模擬仿真方式一致，也是基于CAD的數據模型，加上材料本身的特性，建立聯系后通過計算分析得出結果。

圖2 IPS Cable數據分析流程

而針對CAD數據部分，該軟件已能自動將Catia，NX， PTC主流的三維設計軟件的模型導入到IPS中，同時將三維設計軟件的motion文件導入。IPS Cable數據導入流程如圖3所示。

圖3 IPS Cable數據導入流程

對于材料試驗部分，該軟件主要需要導入3個參數特性：彎曲強度、拉伸強度、扭轉強度。目前昆山滬光通過自身努力，研發設計出該材料參數提取的設備，補充了該部分的數據缺失，且進一步提升滬光的研究深度。

2.2 仿真軟件與傳統線束設計流程的結合

在傳統的線束開發樣車驗證階段，基本上就車身本體進行驗證，即將線束搭載在實際的車身，結合相關的用電器進行設計驗證。該種方式耗時、耗力，無形中增加了線束開發的周期及試驗成本。傳統線束物理驗證的階段如圖4所示，汽車線束尤其ABS電器相關的關鍵零部件的驗證，必須等路試完成了以后才能將線束進行拆解，并就線束的零件狀態進行評估。

圖4 傳統線束物理驗證的階段

為了豐富線束設計的有效驗證手段，昆山滬光汽車電器股份有限公司在2017年初引進了IPS軟件，將該軟件的CAE仿真概念引入線束開發流程中。虛擬物理驗證的流程示意如圖5所示，在虛擬物理驗證過程中，打破了該驗證的時間周期安排，在每個線束設計階段，可以就每一個產品的過程進行驗證，有效地減少了更改的設計風險，并且加速了產品的設計驗證周期。

圖5 虛擬物理驗證的流程示意圖

同時，為加強虛擬驗證與線束開發的有效結合，在制定該設計驗證的流程上，作者結合滬光本身的公司特色，以及結合線束開發的特性，特制定線束產品開發流程圖。IPS與傳統線束設計的流程結合如圖6所示。

圖6 IPS與傳統線束設計的流程結合

為進一步豐富并完善滬光的CAE體系，作者及所帶領團隊制定了2018年規劃。滬光2018年CAE仿真建設規劃如圖7所示。目的是為了將CAE的驗證手段進一步與傳統的線束開發能完美結合。

圖7 滬光2018年CAE仿真建設規劃

2.3 IPS軟件在線束設計中應用的范圍

圖8 是IPS軟件在汽車線束開發過程中可以應用的區域。簡單來說，IPS可對線束的動態區域進行驗證，本身的驗證可以與其他動態零部件進行同步匹配工作，并且對動態的運動包絡進行驗證。比如前輪ABS線束、5門線束、收音機線束等區域。

圖8 IPS在汽車線束開發中可應用的區域

而在靜態的線束開發過程中，IPS可以就線束本身的制造公差以及線束的旋轉角度進行驗證。

3 總結

本文主要介紹昆山滬光汽車電器股份有限公司基于多年的線束開發經驗，迫切需要解決線束開發過程中的虛擬驗證問題，引進了先進的CAE仿真手段，同時介紹了IPS在線束開發過程中能解決的范圍進行討論。該軟件的應用，有效地解決了線束開發只能在臺架上進行的論斷，且可以縮短線束的開發周期，同時進一步提升公司的開發手段以及驗證手段。