0引言

電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)(簡稱EWIS)是指飛機上任何區(qū)域安裝的,用于在兩個或多個端點之間傳輸電能(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進行適航審查^[1]。隨著直升機中電氣電子設(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)進行正向設(shè)計,對直升機電氣線束敷設(shè)的需求進行分析與梳理,搭建全機的三維線束模,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、維護性、電磁兼容性與經(jīng)濟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,需進行反復(fù)迭代設(shè)計。對于直升機而言,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開足夠尺寸的孔來滿足線束敷設(shè)的要求;直升機線束重量是另一個需要重點考慮的方面,直升機上線束重量重心的計算是一個復(fù)雜的工程,直升機線束包含很多導(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)改進計算方法,對線束的粗細精確建模,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費時費力的工作,工作量大,且需反復(fù)迭代才能有效實現(xiàn)減重優(yōu)化設(shè)計。

目前,直升機EWIS設(shè)計主要依靠CATIA與Captial 兩款軟件來進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[3]針對大飛機電氣系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計流程進行優(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,給直升機EWIS設(shè)計流程的改進與優(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W0rd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,人工分配全機接地點和分離面針腳點位;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)全機設(shè)備布置,在CATIA軟件中完成全機線束主通道的三維打樣;將全機三維打樣數(shù)模導(dǎo)出拓撲圖,與系統(tǒng)接線圖結(jié)合,開展導(dǎo)線的敷設(shè)與線束分束,最終形成全機線束分束表;根據(jù)全機線束分束表,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CapitalHarness模塊,與系統(tǒng)接線圖進行同步,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W0rd文檔或Excel表格進行需求統(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)線表和明細表,線束分叉圖、導(dǎo)線表和明細表中很多內(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CapitalLogic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CapitalLogic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,可以進一步在CATIA軟件中繪制實際的幾何線束,對CATIA 中的線束數(shù)模進行精細化設(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)拓撲接線圖以及用于線束制作的線束分叉圖。

4 改進的EWIS設(shè)計流程優(yōu)點

綜合對比改進后的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。

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capitalL0gic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,改進的EWIS設(shè)計流程更加強調(diào)線束正向設(shè)計,在CATIA三維線束模塊中進行三維線束打樣,構(gòu)成邏輯線束,在capital軟件中進行二維原理圖設(shè)計,將邏輯線束與二維原理圖結(jié)合,對電氣信號進行敷設(shè),跑出直升機所有信號路徑,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,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安裝。

平臺對物理線束的直徑、重量、護套的外徑及安裝所需要的卡箍大小都能自動進行計算,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)計具有強關(guān)聯(lián),針對系統(tǒng)原理圖的更改,進行刷新操作,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、電磁仿真及電氣負載統(tǒng)計等軟件中,開展線束仿真分析,驗證其電磁隔離、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,具有強大的構(gòu)型管理和變更管理能力,符合直升機電氣線束設(shè)計構(gòu)型管理的要求。該設(shè)計流程具有強大的 自動布線能力及線束綜合設(shè)計能力,可以實現(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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2024年第11期第8篇