柔性电缆物性建模与几何形态仿真

【摘要】：电缆在汽车、船舶、飞机等复杂机电产品中占有举足轻重的地位,特别是随着复杂机电产品向着信息化、轻量化和机电一体化的发展,电缆所占比重越来越大。无论是传统的串行设计方法还是现行的CAD方法,目前机电产品中电缆的设计、制造及其装配主要存在因将电缆作为刚性体而导致的设计精度差和无法验证装配工艺等方面的问题。虚拟装配技术的出现为电缆的数字化设计与制造带来了一种全新的思路。本文主要开展基于弹性杆非线性力学的电缆物性建模及电缆形态仿真研究,为开发完善的电缆虚拟装配系统奠定良好的基础。论文的研究工作主要包括以下几个方面：(1)从微分几何角度出发,在分析曲线和曲杆的几何学基础上,基于弹性杆非线性力学建立了描述电缆平衡的基本静力学模型；(2)针对理想状况下电缆两端约束这一典型边界条件,以欧拉角为参变量,建立了描述电缆形态的力学模型,基于动力学比拟的思想并采用半解析法对模型进行求解；(3)考虑电缆分布力及接触力接触复杂约束下,以欧拉参数为参变量,建立了描述电缆形态的力学模型,结合逐级二分离散化的思想和最速下降法对模型进行数值求解；从变分原理出发,考虑电缆所受不同的几何约束,建立了描述电缆平衡形态的统一力学模型,使之能够方便地应用于电缆的虚拟装配系统；(4)基于开源几何内核系统,对不同边界条件下的电缆进行形态仿真；基于三维激光扫描技术建立了电缆形态测试试验台,开展了电缆典型平衡形态的仿真与试验对比研究；(5)开展了基于一款气动力反馈数据手套和一款桌面式七自由度力反馈器的人机交互研究,进行了力反馈设备与虚拟环境中刚性体之间的力触觉交互验证。