直升機(jī)電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)正向設(shè)計流程的改進(jìn)與優(yōu)化

摘要：分析與總結(jié)了目前國內(nèi)直升機(jī)電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計流程與技術(shù)，闡述了目前流程在工程應(yīng)用中的缺點(diǎn)和不足。借鑒其他主機(jī)所飛機(jī)設(shè)計流程的優(yōu)點(diǎn)，對現(xiàn)有直升機(jī)電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計流程進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化，提出了一種基于CATIA和Capital線束設(shè)計軟件的電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)正向協(xié)同設(shè)計流程，并總結(jié)了新設(shè)計流程的優(yōu)點(diǎn)，用于后續(xù)直升機(jī)電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計與工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電氣線路互聯(lián)系統(tǒng);正向設(shè)計流程;協(xié)同;優(yōu)化

中圖分類號：V242? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）11-0031-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.008

0? ? 引言

電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（簡稱EWIS）是指飛機(jī)上任何區(qū)域安裝的，用于在兩個或多個端點(diǎn)之間傳輸電能（包括數(shù)據(jù)和信號）的任何導(dǎo)線、線路裝置或其組合，包括端接裝置。2007年12月，適航規(guī)章制度FAR 25部中增加了H分部，將電氣線路互聯(lián)設(shè)計提升至系統(tǒng)級，并根據(jù)H分部的條款對EWIS進(jìn)行適航審查[1]。隨著直升機(jī)中電氣電子設(shè)備越來越多，線路的連接關(guān)系也越來越復(fù)雜，這就對電氣線路系統(tǒng)設(shè)計提出了越來越高的要求。從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行正向設(shè)計，對直升機(jī)電氣線束敷設(shè)的需求進(jìn)行分析與梳理，搭建全機(jī)的三維線束模型，定義系統(tǒng)間的邏輯關(guān)系，將二維邏輯圖與三維線束模型關(guān)聯(lián)，最終生成具有實(shí)際導(dǎo)線的物理線束，打通邏輯到物理的通路。

EWIS設(shè)計是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅要考慮導(dǎo)線的安裝敷設(shè)，更需考慮電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)的安全性、維護(hù)性、電磁兼容性與經(jīng)濟(jì)性及重量等多個維度[1]，涉及的系統(tǒng)多、協(xié)調(diào)工作量大、設(shè)計周期長、處理的數(shù)據(jù)量大，需進(jìn)行反復(fù)迭代設(shè)計。對于直升機(jī)而言，安裝的設(shè)備多，線束占位的空間很小，對線束的彎曲半徑和布置提出了更高要求，尤其是在穿過結(jié)構(gòu)框梁時，需準(zhǔn)確評估線束的直徑，以便能在結(jié)構(gòu)上開足夠尺寸的孔來滿足線束敷設(shè)的要求;直升機(jī)線束重量是另一個需要重點(diǎn)考慮的方面，直升機(jī)上線束重量重心的計算是一個復(fù)雜的工程，直升機(jī)線束包含很多導(dǎo)線，導(dǎo)線在CATIA三維空間上無法精確建模，只有每根線束的模型，故應(yīng)改進(jìn)計算方法，對線束的粗細(xì)精確建模，才能計算出準(zhǔn)確的重量重心;線束減重迭代工作也是一項(xiàng)費(fèi)時費(fèi)力的工作，工作量大，且需反復(fù)迭代才能有效實(shí)現(xiàn)減重優(yōu)化設(shè)計。

目前，直升機(jī)EWIS設(shè)計主要依靠CATIA與Captial兩款軟件來進(jìn)行三維線束打樣及原理圖、接線圖和線束分叉圖的設(shè)計，重復(fù)工作量大，自動化程度低，很多工作需要人工來完成，二維和三維設(shè)計存在嚴(yán)重的脫節(jié)。基于專業(yè)三維設(shè)計軟件和二維線束設(shè)計軟件的EWIS協(xié)同設(shè)計新流程，能在一定程度上解決傳統(tǒng)線束設(shè)計流程效率低下的問題[1]。使用虛擬技術(shù)自動規(guī)劃線束敷設(shè)最優(yōu)路徑能明顯改善線束敷設(shè)路徑規(guī)劃效果[2]。文獻(xiàn)[3]針對大飛機(jī)電氣系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計流程進(jìn)行優(yōu)化研究，在線束交互式設(shè)計流程基礎(chǔ)上提出集成管控的審簽流程，支撐各階段設(shè)計的仿真建模，優(yōu)化的系統(tǒng)布線設(shè)計和以滿足客戶定制需求為目標(biāo)的構(gòu)型管理等更完善的線束設(shè)計流程。國內(nèi)在航空電氣線路互聯(lián)設(shè)計流程上不斷探索與改進(jìn)，給直升機(jī)EWIS設(shè)計流程的改進(jìn)與優(yōu)化提供了思路與借鑒。電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計流程目標(biāo)在于全生命周期數(shù)據(jù)管理及高效的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計流程，故提出了一種基于CATIA線束設(shè)計模塊與Captial二維線束設(shè)計軟件的電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)正向協(xié)同設(shè)計流程，期望解決直升機(jī)線束設(shè)計綜合效率低、工作量大、迭代困難等問題。

1? ? 目前EWIS設(shè)計流程

目前，國內(nèi)直升機(jī)線束設(shè)計流程為傳統(tǒng)EWIS設(shè)計流程，具體設(shè)計流程框圖如圖1所示，采用Word文檔或Excel表格的形式統(tǒng)計系統(tǒng)需求及電氣接口（簡稱EICD），根據(jù)系統(tǒng)接口控制文件，由各系統(tǒng)完成系統(tǒng)原理圖;系統(tǒng)反饋接地需求和分離面需求，人工分配全機(jī)接地點(diǎn)和分離面針腳點(diǎn)位;再將接地和分離面分配的針腳灌入到接線圖中，完成接線圖的設(shè)計工作;線束設(shè)計人員根據(jù)全機(jī)設(shè)備布置，在CATIA軟件中完成全機(jī)線束主通道的三維打樣;將全機(jī)三維打樣數(shù)模導(dǎo)出拓?fù)鋱D，與系統(tǒng)接線圖結(jié)合，開展導(dǎo)線的敷設(shè)與線束分束，最終形成全機(jī)線束分束表;根據(jù)全機(jī)線束分束表，迭代更新CATIA中三維幾何線束;將更新后的三維線束數(shù)模導(dǎo)入Capital Harness模塊，與系統(tǒng)接線圖進(jìn)行同步，生成用于線束制作的二維線束分叉圖。

2? ? 傳統(tǒng)EWIS設(shè)計流程存在問題分析

分析與總結(jié)已有直升機(jī)型號設(shè)計工作的電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計流程，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的EWIS設(shè)計流程存在以下缺陷與不足：

1）采用Word文檔或Excel表格進(jìn)行需求統(tǒng)計與接口協(xié)調(diào)，人工統(tǒng)計工作量大，重復(fù)利用率低，不便于版本管理及狀態(tài)控制，無法實(shí)現(xiàn)EICD自動轉(zhuǎn)化成原理圖。

2）自動化程度不高，接線圖需要手動繪制并選型，在接線圖設(shè)計階段，設(shè)計人員需要按照設(shè)備在空間的大致布局，把原理圖和物理實(shí)際安裝位置關(guān)聯(lián)起來設(shè)計接線圖，所有設(shè)備的插頭、電線電纜的型號都需要手動指定，導(dǎo)致接線圖不僅設(shè)計效率低，而且極易出錯，嚴(yán)重制約了電氣線束設(shè)計效率的提高。

3）缺少完善的設(shè)計規(guī)則檢查，原理圖、接線圖中存在大量重名的設(shè)備代號和導(dǎo)線號，還有部分針腳重復(fù)使用，部分導(dǎo)線規(guī)格與連接器針腳不匹配等設(shè)計問題。

4）將三維線束圖與CHS接線圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)，生成用于線束制作的二維線束分叉圖、線束導(dǎo)線表和明細(xì)表，線束分叉圖、導(dǎo)線表和明細(xì)表中很多內(nèi)容需要人工調(diào)整與編輯，大大增加了設(shè)計人員的工作量。系統(tǒng)EICD與原理圖之間，原理圖與接線圖之間，接線圖、三維線束數(shù)模與線束分叉圖之間缺乏強(qiáng)關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致設(shè)計迭代重復(fù)工作量大，效率極低。

3? ? 改進(jìn)的EWIS設(shè)計流程

針對以上傳統(tǒng)EWIS設(shè)計流程的不足，采用交互式設(shè)計流程，提出了一種基于系統(tǒng)工程方法的電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)正向線束設(shè)計新流程，旨在提高EWIS設(shè)計的工作效率與設(shè)計質(zhì)量。新EWIS協(xié)同設(shè)計流程仍然基于CATIA三維線束設(shè)計模塊和Capital二維線束設(shè)計軟件，其設(shè)計流程框圖如圖2所示。

優(yōu)化的EWIS設(shè)計流程是以系統(tǒng)之間的需求與接口協(xié)調(diào)開始，各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)在設(shè)備ICD管理平臺上進(jìn)行，該管理平臺是完善的設(shè)備定義和管理平臺，支持設(shè)備的詳細(xì)定義和全壽命周期的管理，設(shè)備信息包括成品型號、針腳定義、所屬電連接器及接線端子等;該平臺具有版本管理及不同專業(yè)之間進(jìn)行接口協(xié)調(diào)的功能，可對設(shè)備按照預(yù)先定義的規(guī)則進(jìn)行自動編號，避免設(shè)備編號的重復(fù)，并且支持導(dǎo)入Word文檔或者Excel表格創(chuàng)建設(shè)備。通過設(shè)備定義和管理平臺能自動或手動將系統(tǒng)EICD導(dǎo)入到Capital Logic原理圖設(shè)計模塊中，自動生成系統(tǒng)原理圖。

線束設(shè)計人員依據(jù)系統(tǒng)EICD在CATIA三維線束設(shè)計模塊中完成全機(jī)三維線束主通道的初步打樣，將CATIA中的通道數(shù)模數(shù)據(jù)導(dǎo)入線束綜合設(shè)計平臺，將線束通道數(shù)模數(shù)據(jù)還原成3D通道模型，并定義通道隔離代碼、最大分支直徑等參數(shù)，軟件自動或手動構(gòu)建邏輯線束。

將Capital Logic模塊中的原理圖導(dǎo)出XML文件，XML文件中包含設(shè)備間信號連接關(guān)系，將設(shè)備間連接關(guān)系導(dǎo)入線束綜合設(shè)計平臺，綜合設(shè)計平臺根據(jù)邏輯線束自動對信號分束并創(chuàng)建出帶有信號連接關(guān)系的電纜，在此階段可以同步進(jìn)行接地綜合及分離面綜合設(shè)計，最終輸出帶有設(shè)備連接器和針腳信號等信息的電氣線束。在電氣線束設(shè)計過程中，能進(jìn)行系統(tǒng)需求建模，將線束信息導(dǎo)入仿真分析軟件，開展線束的熱仿真、壓降計算、電磁仿真等，驗(yàn)證線束設(shè)計可靠性、安全性和合理性，用于指導(dǎo)電氣線束的安裝與敷設(shè)。

根據(jù)設(shè)備庫預(yù)先定義的匹配規(guī)則，針對電氣線束中的電連接器、接線端子、死接頭、每根信號線，線束綜合設(shè)計平臺自動選擇連接器、接線端子、電線電纜等規(guī)格型號，輸出具有具體規(guī)格和型號的電線電纜、電連接器及接線端子等的物理線束。

根據(jù)線束綜合設(shè)計平臺的電氣線束，可以進(jìn)一步在CATIA軟件中繪制實(shí)際的幾何線束，對CATIA中的線束數(shù)模進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計，同時物理線束中線束直徑等信息可以反饋到幾何線束中，對幾何線束進(jìn)行迭代修改。線束綜合設(shè)計平臺可以根據(jù)物理線束自動生成系統(tǒng)拓?fù)浣泳€圖以及用于線束制作的線束分叉圖。

4? ? 改進(jìn)的EWIS設(shè)計流程優(yōu)點(diǎn)

綜合對比改進(jìn)后的EWIS設(shè)計流程跟現(xiàn)有的EWIS設(shè)計流程，總結(jié)出新EWIS設(shè)計流程具有以下優(yōu)點(diǎn)。

4.1? ? 完善的ICD設(shè)備管理系統(tǒng)，高效的專業(yè)協(xié)同設(shè)計平臺

新EWIS設(shè)計流程具有完善的ICD管理系統(tǒng)，針對每個成品和部件，平臺能手動或自動創(chuàng)建設(shè)備對象，能完成各項(xiàng)設(shè)備屬性的管理，包括部件名稱、安裝位置、電氣接口等屬性，方便線束設(shè)計人員查詢;根據(jù)命名規(guī)則，平臺能自動生成設(shè)備代號，避免人工編寫設(shè)備代號的重復(fù);各專業(yè)之間通過客戶端的形式進(jìn)行接口協(xié)調(diào)，提高協(xié)同設(shè)計效率;該管理系統(tǒng)具有全生命周期的構(gòu)型管理與變更管理能力，方便設(shè)備電氣接口的迭代。

4.2? ? 全面的設(shè)計規(guī)則檢查功能

為了減少人工設(shè)計過程中產(chǎn)生的錯誤，流程具有全面的設(shè)計規(guī)則檢查功能，能檢查Capital Logic原理圖中設(shè)備、連接器和導(dǎo)線名稱是否重復(fù)，設(shè)備、連接器和導(dǎo)線屬性是否填寫完整，設(shè)備和連接器針腳是否重復(fù)使用，接線圖中線規(guī)與連接器針腳是否匹配，針腳是否重復(fù)使用等。

4.3? ? 高度自動化的線束綜合設(shè)計軟件

與傳統(tǒng)EWIS設(shè)計流程相比，改進(jìn)的EWIS設(shè)計流程更加強(qiáng)調(diào)線束正向設(shè)計，在CATIA三維線束模塊中進(jìn)行三維線束打樣，構(gòu)成邏輯線束，在Capital軟件中進(jìn)行二維原理圖設(shè)計，將邏輯線束與二維原理圖結(jié)合，對電氣信號進(jìn)行敷設(shè)，跑出直升機(jī)所有信號路徑，輸出電氣線束;采取一定的成束策略，合并具有相同路徑及隔離代碼的導(dǎo)線，形成全機(jī)的幾何線束;再對幾何線束中的所有電線電纜、連接器、接線端子選取符合要求的型號，輸出能用于生產(chǎn)制作的物理線束。在線束分束與綜合的同時，可以開展接地綜合和分離面綜合設(shè)計，優(yōu)化設(shè)置接地點(diǎn)，使線束長度最短，合理增加分離面，使得線束方便成束及維護(hù)安裝。

平臺對物理線束的直徑、重量、護(hù)套的外徑及安裝所需要的卡箍大小都能自動進(jìn)行計算，用于指導(dǎo)線束安裝圖的設(shè)計工作，減少人工手動計算的工作量，大大提高了設(shè)計工作效率。

4.4? ? 完善的設(shè)計更改迭代機(jī)制

新EWIS設(shè)計流程，二維原理設(shè)計與三維線束設(shè)計具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)，針對系統(tǒng)原理圖的更改，進(jìn)行刷新操作，軟件能自動更新三維線束設(shè)計及線束分叉圖的更改，實(shí)現(xiàn)自動輸出線束分叉圖的更改單。具有接線圖比對功能，能自動對兩個版本的接線圖設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)設(shè)計改動部分，便于設(shè)計的更新迭代。

4.5? ? 線束評估仿真分析能力

采用基于模型的系統(tǒng)工程方法，對線束創(chuàng)建需求模型及電路模型，將線束空間位置、線束直徑、導(dǎo)線規(guī)格、導(dǎo)線單位電阻值、導(dǎo)線所承載的額定電流、每束導(dǎo)線的根數(shù)等信息導(dǎo)入專業(yè)的熱仿真、電磁仿真及電氣負(fù)載統(tǒng)計等軟件中，開展線束仿真分析，驗(yàn)證其電磁隔離、熱效應(yīng)、導(dǎo)線應(yīng)力等是否滿足設(shè)計要求，用于支撐設(shè)計的合理性與可靠性。

5? ? 結(jié)束語

綜上所述，通過對傳統(tǒng)EWIS設(shè)計流程的分析與總結(jié)，本文提出了基于CATIA三維線束設(shè)計模塊與Capital二維線束設(shè)計軟件的電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)正向設(shè)計流程，具有強(qiáng)大的構(gòu)型管理和變更管理能力，符合直升機(jī)電氣線束設(shè)計構(gòu)型管理的要求。該設(shè)計流程具有強(qiáng)大的自動布線能力及線束綜合設(shè)計能力，可以實(shí)現(xiàn)EWIS功能邏輯數(shù)據(jù)和物理安裝數(shù)據(jù)的友好交互，能極大地優(yōu)化EWIS設(shè)計流程，提高EWIS協(xié)同設(shè)計效率和線束設(shè)計工作的準(zhǔn)確性。

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收稿日期：2024-03-28

作者簡介：石文求（1988—），男，湖南邵陽人，工程師，研究方向：直升機(jī)電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計。