基于CATIA汽車線束仿真中自適應扎帶的參數化設計

白健宇 鐘慈 劉君

【摘? 要】汽車電器系統中，線束是至關重要的組成部分。在汽車線束的開發設計過程中，三維仿真設計又是極其復雜關鍵的環節之一（此外還有原理設計和工程圖設計等），三維數模的仿真程度直接影響最終線束產品的設計高效性、安裝可靠性和使用安全性能等。為了最大程度上提高三維數模和線束產品實物的一致性，本文針對汽車線束三維仿真設計過程中，基于CATIA線束設計模塊，介紹自適應參數化扎帶的設計和應用方法。

【關鍵詞】汽車線束；CATIA仿真；參數化；自適應扎帶

中圖分類號：U463.62? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）04-0018-05

【Abstract】In the automotive electrical system，wiring harness is a crucial component. In the processof automobile harness design，3D simulation design is one of the most complex and critical links（in addition to system design and engineering drawing design）. The 3D data simulation degree directly affects the design efficiency，installation reliability and use safety of the final harness product. In order to improve the consistency of 3D data and harness products to the greatest extent possible，based on CATIA harness design module. In this paper，the design and application methods of adaptive parametric ties in 3D simulation design of automobile wire harness are introduced in detail.

【Key words】vehicle wiring harness；CATIA simulation；parameterization；self-adaptive tie

1? 前言

在前期汽車線束設計中，為了方便、科學、快捷地獲得汽車線束在空間上的走向和尺寸，使線束在整車中布置合理，尺寸準確以及縮短開發周期等，各大汽車制造廠都采用三維軟件來仿真模擬布線[1]。目前，常用的三維線束布線軟件有CATIA、UG、PROE等，由于CATIA軟件的線束設計模塊具有較為突出的優勢，如操作簡單、界面清晰、功能強大且能夠適應各類形態的線束路徑等優點，深受設計人員及國內外各大汽車主機廠的青睞[2]，如：紅旗、長城、比亞迪、小鵬、蔚來、理想、大眾、寶馬等均采用此軟件進行線束的開發和維護工作。圖1為CATIA軟件下的整車線束示意圖。

一套完整的汽車線束產品所包含的零件種類，大致可以分為以下幾種：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[3]。基于CATIA軟件而言，其中可以在三維數據上體現的有：插接器、線束路徑、卡釘、橡膠件、扎帶、塑料支架、熔斷絲盒，分線盒、搭鐵端子、扭矩保護器等。在這些零部件中，除了扎帶和線束路徑的三維數模需要隨著設計的需求而變化之外，其它均可由供應商提供無參但尺寸精確的數模，仿真度極高，基本可以視為數模即實物，直接裝配到數據中使用即可。而扎帶和某些帶扎帶的緊固件在普遍的設計理念中，由于條件、技術、習慣或人員意識等限制，并不能做到數模即實物的狀態，如果不加以特定的設置和調整，裝車驗證時很容易造成線束干涉磨損或裝配困難，甚至更嚴重的失效模式。因此為了避免這些潛在的因設計貽誤而產生的風險，在項目前期，規劃制定好扎帶和線束路徑的技術要求，對于保證線束三維仿真設計的高效性和安裝可靠性至關重要。

近些年汽車外形的發展逐漸趨向年輕化，流線型、緊湊型、運動型的車身在年輕消費群體中炙手可熱，因而今后的汽車車身留給線束的布置空間會更加的局促，對線束三維數模的仿真程度要求也就越來越高，精準化設計是不可避免的大趨勢。

2? 自適應可變參數扎帶的設定以及零件庫的創建和應用

目前各主機廠在線束設計過程中，普遍的設計理念是忽略扎帶的外緣對設計效果的影響。在數模中，扎帶要么直接不體現，要么采用冗余式設計，如圖2所示，兩種狀態下的數模均與實際情況存在較明顯的差異，尤其是冗余式設計的扎帶不但限制了線束直徑的變化范圍，還會與周邊環境數據造成無意義的干涉，影響整車數據的仿真效果。扎帶本身的厚底一般在1～2mm，如果忽略不計，會對線束最外緣的直徑評估造成誤差。在日益狹窄的布線空間和嚴格的距離限制要求之下，扎帶外緣不但要真實體現在三維數據上以更加精確地展現出其與周邊件之間最近距離的測量點，還要滿足設計通用性原則，能夠自動適應不同線束直徑的變化，如圖3所示。

2.1? 扎帶數模的重新創建

從供應商那里得到的是扎帶舒展狀態下的無參數模，首先需將扎帶部分去除，只留下卡釘頭部分，如圖4所示，然后進行重新的繪制并設定參數。

預使扎帶的扎緊直徑可以隨著設計需求隨意變化又不改變整體形貌特征，那么在草圖的設計階段，就要對一些特殊的尺寸進行額外限制和公式的加持。以圖4中展示的扎帶外型為例，建立草圖的位置及具體內容如圖5所示。草圖（Sketch）所在平面Plane1，要建立在扎帶底座的兩側平面之間。草圖的繪制要在外型和性能兩個方面盡可能地還原出扎帶真實的狀態，具體如圖6所示。其中，扎帶的捆扎部分為圓弧形；同時由于受到較大的拉緊力，扎帶與線束和卡釘頭體存在兩處懸空部分，這兩處為直線；扎帶在進入鎖緊嚙合部分之前還有一段過渡區域，這部分也可視為圓弧形。以上這4個部位的尺寸會隨著扎帶捆扎半徑的改變而隨之發生聯動變化。由于扎帶特殊的結構設計，不論捆扎線束的直徑如何改變，其橫截面的中心，也是扎帶的捆扎中心O始終會保持在卡釘頭的中軸線上來回變化，所以扎帶的圓心O點一定要固定到中軸線上，如圖7所示，R為扎帶的捆扎半徑。這樣只要將捆扎半徑R的值賦予參數化公式，其它3個部位的尺寸就可隨之發生有效合理的聯動變化。

之后通過凸臺命令（Pad），繪制扎帶的實體，寬度與厚度可根據實際而定，一般可以設置為寬度5.2mm和厚度1.2mm，如圖8所示。

2.2? 自適應扎帶參數的設定

為了能夠使扎帶的輪廓可以隨著線徑的不同而發生自適應的變化，而非人為手動去更改，需要為數模設置并賦予參數。首先通過Formula功能命令，編輯扎帶直徑變化所需要的參數公式，如圖9所示，將New Parameter of Type按鍵后面的公式屬性選項設置為Length，參數屬性設為Single Value；然后點擊New Parameter of Type，在Edit name or value of the current parameter的命令框下將原有的“length.1”改成 “ELEC-SUPPORT-RADIUS”；后面的數值代表此參數的初始數值，即扎帶的初始半徑，這里設置為10mm，最后點擊OK。

此時，需要將設定好的參數賦加在草圖捆扎半徑的尺寸上，以控制其變化。如圖10所示，先給扎帶半徑約束一個值R10，雙擊此值，右鍵Radius展開功能列表，選擇Edit formula，彈出公式編輯器，如圖11所示。雙擊Members of Length下之前編輯好的參數公式：“ELEC-SUPPORT-RADIUS”。單擊OK結束。這時便可以在結構樹上看到設置好的參數與公式，如圖12所示。

2.3? 定義扎帶的電器屬性

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13所示。首先編輯卡釘數模的名稱（Name）；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1個點的位置，在First Plane Definition 功能項下的Point內點選Point.1，并選擇這個點所在的平面，Plane內點選Plane.1；最后線束垂直地從卡釘的出線面劃出，出線的平面即Second Plane Definition功能項下的Plane，點選Plane.2，最后一項Base Plane Definition，不選（No Selection），確認OK完成定義。

2.4? 參數化扎帶零件庫的創建

不同類型的扎帶，只要將捆扎半徑的值設為主變量，都可以按照以上的方法對其進行參數化的設定，如圖14所示。但此時還不能實現CATIA線束設計模塊（Electrical Harness Assembly）下自適應扎帶的應用，還要對這些參數化設定好的零部件數模建立特殊定義的數據庫。首先新建CatalogDocument數據庫文件并通過Add Family命令建立CLIP的分組，用來容納所有的參數化緊固件，再通過Add Keyword命令對此分組重新設定關鍵詞，如圖15所示，Name標題欄中輸入 InstantiateAsNew，Type標題欄選擇Boolean，Default Value標題欄選擇true，單擊OK確認。最后可通過Add Componment命令將所有卡丁與扎帶一一加入到CLIP分組中。

2.5? 參數化扎帶零件的調用

當需要調用庫里整理好的扎帶進行線束設計并且同一零件多次選用時，要通過Catalog Browser命令，鏈接剛剛建好的庫文件（catalog），找到要選用的扎帶或卡釘，右鍵點擊并點選Instantiate As New Component選項，如圖16所示。此外，值得注意的是，要想實現扎帶參數化自適應的變化，CATIA軟件本身的環境設置要設定為：始終保持裝配約束（Always with the assembly constraints），如圖17所示。

3? 總結

參數化自適應扎帶設計的過程中，有兩處關鍵的屬性命名設置尤為重要，一處是扎帶的參數屬性命名：“ELEC-SUPPORT-RADIUS”；另一處是數據庫分組的關鍵詞命名：“InstantiateAsNew”，必須一字不差。

使用參數化自適應扎帶進行汽車線束三維仿真設計的優點：其不僅彌補了以往設計習慣中產生的遺漏點，使三維數據的仿真程度更加逼真、完整，同時極大地增強了設計的精準和可靠性，降低了潛在的干涉風險。缺點：在最終線束數據保存時，每一個相同型號但捆扎半徑不同的扎帶數據都會被重新生成并存儲，增加了數據的占用空間。但與其優點相比，這一瑕疵完全可以通過提升設備性能的方式來克服，這對于當前普遍的汽車廠商并不是一件難事，所以整體來說，參數化自適應扎帶的應用是一種一勞永逸、值得推廣的設計理念。

參考文獻：

[1] 安 賀，張震華，王龍波，等. 汽車線束3D仿真布線設計與技巧[J]. 汽車電器，2013（2）：19-25.

[2] 王盈旭，趙瑞俊，李兆杰，等. 基于CATIA的后處理系統三維布線技術應用研究[J]. 汽車電器，2021（4）：75-76.

[3] 白健宇. 基于CATIA汽車線束三維設計的初期準備與相關應用[J]. 汽車電器，2022（8）：54-60.

（編輯? 楊? 景）