電纜托架大小設計仿真軟件的開發應用

鄭楚忠

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 511462）

1 前言

在電氣生產設計中，電氣設計人員對于電纜托架的選取往往是參考電纜總截面積與電纜通道截面積之比，以電纜占有率為依據選擇合適的電纜托架，這種僅考慮占比的設計方法具有一定的局限性，無法涵蓋所有電纜的實際拉放情況。例如：在大電纜的拉放、動力、信號電纜分開敷設的情況，如果單純以電纜的截面積來計算托架的大小會導致托架偏大或偏小，由此產生后期的修改造成成本浪費。

本文通過電纜直徑、托架大小、電纜綁扎間距等一系列參數，設計出一種可視化模擬電纜敷設軟件，能夠準確直觀地反映出電纜在托架上的敷設情況，并結合軟件的計算得出托架的占比，提供設計人員參考，減少電纜托架的修改率，最終達到降本增效的作用。

2 軟件介紹

本軟件采用Microsoft Visual Basic 6.0 開發，在Windows 操作系統和安裝Autocad 2015 以下版本，通過運行該軟件，導入電纜通道某一節點的電纜冊，將電纜外形等效為同等直徑的截面圓，托架等效為長方形，將圓在長方形的橫截面上按照設定的參數進行計算排布，并自動調用AUTOCAD 軟件生成仿真圖，同時在軟件界面顯示托架的占有率；軟件生成效果，能夠直觀地模擬電纜實際敷設的狀態，給設計人員提供直觀準確的參考模型。

2.1 主要功能

1）仿真電纜成束布置綁扎

該軟件通過匹配SPD 導出的電纜節點以及預先設定的托架屬性，將一定數量的電纜在該托架上進行排列組合，模擬成束，同時按照設定的間隙等距布置；電纜的成束綁扎，可以根據設計人員的假想進行多種綁扎仿真，以便找出最合理且滿足要求的托架大小。

2）計算托架的占有率

在完成對電纜敷設仿真后，可計算電纜的橫截面積占托架的百分比，其中將電纜截面積等效為以直徑為邊長的正方形或實際圓形橫截面。當占有率介于20%～25%之間時，占有率文本框將變成黃色背景警示；占有率超過25%后，占有率文本框將出現紅色背景警示；占有率低于20%時正常顯示。

3）自動生成CAD 布置模擬圖

通過界面對托盤各參數的設置，將電纜冊導入后進行仿真，軟件將自動模擬每根電纜在托架上的坐標以及大小，最后通過CAD 生成整個橫截面的布置圖，直觀地預估托架電纜的布置和占有比率；同時，通過CAD 圖紙對節點仿真圖進行保存，方便查看。

2.2 軟件界面

軟件界面使用了與Windows 格式一樣的界面，操作單及參數簡單化設計，主要界面分為三個區域：電纜冊導入區域；托架的屬性定義區域；計算后相關參數的托架的面積占用比顯示區域。

2.3 軟件運行邏輯

《托架電纜成束綁扎仿真》軟件操作簡單，將節點電纜冊按照相應的模版導入軟件，在點擊仿真按鈕后會自動對電纜進行排布，生成相應的文件及結果，其運行控件邏輯如圖1 所示。

圖1 軟件的運行邏輯

2.4 軟件的算法設計

為了減少運行時間及減少計算機的資源占用，采取了等效法進行計算，即在電纜冊導入完成后，所有電纜的橫截面積也隨之確定，而托架的截面積在其設定后固定不變，即電纜在所布置托架上的橫截面面積占有率為定值，所以在導入電纜冊后，軟件并不按最優冒泡法尋找最優組合，而是將電纜按直徑大小由大向小進行排序，然后把事先設定的綁扎高度和寬度相乘得出的面積進行等效劃分，將電纜的排列按照由大到小的順序對每扎的面積進行填充，直至滿足第一束綁扎完成的條件后，繼續向后面的電纜束進行填充，方式如圖2 所示。

圖2 電纜排列方式

2.5 軟件的程序設計

托架電纜成束綁扎仿真V1.0 基于VB6.0 設計，使用VB 中的Dictionary 對象，將每一條電纜視為為一個項目，在每個項目中存放所需計算的電纜直徑、電纜牌、x 軸坐標、y 軸坐標、電纜綁扎的次序和每束電纜的偏移值。軟件的總體框架設計邏輯，如圖3 所示。

圖3 總體框架設計邏輯

軟件的核心計算在于確定每束中的每根電纜之間的關系，即確定他們是否綁扎在一起，軟件的編程采用了計算兩圓相切的坐標和三圓相互外切的坐標的方案：

1）位于托架底部第一層的電纜，按照從左往右的順序，每一束的第一根電纜為固定位置，接著的每一根電纜按與前一根電纜的相切關系進行累加，直至整層電纜束的外徑之和受限于軟件設置的電纜扎寬，以此類推直至完成底層電纜的鋪排。

如圖4 所示，右側電纜的中心坐標為：

圖4 底層電纜計算方法

將x1、R 迭代為前一個圓的x 軸坐標和半徑，即可得出底層電纜的中心坐標。

2）第二層電纜的敷設模型，使用了方位角的方法。如圖5 所示，其坐標的模型算法如下：

圖5 方位角求坐標

3）同理，運用該方法采用迭代的方式，即可求出底層往上每一層的電纜敷設的坐標。

2.6 軟件部分主要源代碼

因篇幅所限，此略。

3 操作說明

根據軟件設置托架的參數及電纜敷設綁扎的要求，該區域共有下列參數需要設置：

托架大小：設定的托架寬度；

電纜扎寬：每束電纜綁扎的寬度；

電纜扎高：每束電纜的高度；

電纜捆間隔：每束電纜間的間隔要求；

托架高度：用于敷設電纜托架凈高度。

托架屬性設置完成后，從SPD 節點中導出電纜數據，將電纜數據生成EXCEL 表格，將序號、電纜代號、直徑分別從EXCEL 表格A、B、F 列及第4 行開始寫入，A 列為序號項，B 列為電纜牌，F 列為電纜直徑。其中，序號和電纜代號不能出現重復，同時表格中需要顯示全部內容，不能含有隱藏數據，否則生成結果將與實際不一致；直徑的單元格格式應為數字，不能為文本格式；所有數據均從第4 行開始往下填寫，中間不能有空行，如出現空行軟件會自認為數據結束。

在軟件的電纜冊區域點擊加載，在彈出的對話框上選擇需要加載的excel 文件。

最后點擊仿真按鈕，軟件將自動進行電纜綁扎仿真，并在CAD 圖中繪制該節點處托架的橫截面仿真圖，如圖6 所示。

圖6 仿真圖

圖6 所標注的外層矩形是由托架的寬度和托架的高度組成的托架仿真空間，中間為由電纜直徑形成的橫截面組合而成的電纜束，其高度、寬度、間隔由托架屬性欄輸入決定。

面積比是計算所有電纜的橫截面積占托架面積的比例，有兩種計算方法，可以實現切換：

托架面積 S=托架大小 托架高度

電纜總截面積Sc=（r 為電纜半徑）

電纜等效方形截面積Ss=（d 為電纜直徑)

托架占有率=Ss/S 或Sc/S

4 仿真測試及效果

本次測試數據取自完工的某集裝箱船機艙區域E3065 節點中的電纜預算，該節點共有電纜52 根，通過軟件對該節點所設置的托架進行仿真。

4.1 設置參數

對E3 065 節點采用400 寬的托架進行仿真，設置軟件參數。

4.2 導入電纜冊

導入E3 065 節點中的電纜，用軟件加載該電纜冊自動生成相關CAD 電纜敷設示意圖（見圖7），并顯示托架占有率為18.47%，基本滿足使用要求；從模擬出來的成束結果，該電纜冊共52 根電纜，采用400 寬的托架敷設較為理想美觀且略有余量。

圖7 400 寬托架電纜敷設仿真圖

為進一步驗證采用400 寬的托架敷設該電纜冊，將此電纜節點采用300 寬的托架進行仿真敷設，由該仿真圖（見圖8）可以看出，使用300 寬的托架顯得有點擁擠，其顯示占有率達24.6%，盡管占有率并未超標，但由于該節點的電纜較多，在考慮部分電纜分開敷設的情況，在成束的情況下中間束明顯層數太多，不符合相應的敷設工藝要求，所以該節點的電纜托架采用400 寬的托架進行敷設較為理想。

圖8 300 寬托架電纜敷設仿真圖

4.3 仿真敷設與實際敷設效果比較

該節點的敷設效果比效理想，基本滿足要求。盡管實際綁扎成束的效果與仿真圖有些區別，但此節點處的電纜無論是占有率還是最終排列效果都與軟件的生成圖達到了一個較高的契合度，仍舊是4 束敷設，且電纜綁扎后的效果比較理想，滿足相應的工藝要求。

5 總結

通過該軟件的仿真，可以最大程度地減少托架布置的差錯，其主要的優點是：1）直觀化：1:1 仿真電纜成束敷設綁扎，直觀準確；2）靈活性：通過參數的設置，能最大限度的取優布置；3）高效性：打破以往人工手繪或憑經驗布置的方式，大大提高了布置效率；4）降本增效：降低托架鐵舾件的修改率。

后期進行改進，可以在該軟件的基礎上，明確動力電纜及信號電纜的不同標識，并進行分開敷設以達到更加的完善。