直升机电气线路互联系统正向设计流程的改进与优化

0引言

电气线路互联系统(简称EWIS)是指飞机上任何区域安装的,用于在两个或多个端点之间传输电能(包括数据和信号)的任何导线、线路装置或其组合,包括端接装置。2007年12月,适航规章制度FAR 25部中增加了H分部,将电气线路互联设计提升至系统级,并根据H分部的条款对EWIS进行适航审查^[1]。随着直升机中电气电子设备越来越多,线路的连接关系也越来越复杂,这就对电气线路系统设计提出了越来越高的要求。从系统工程的角度出发,电气线路互联系统应进行正向设计,对直升机电气线束敷设的需求进行分析与梳理,搭建全机的三维线束模,定义系统间的逻辑关系,将二维逻辑图与三维线束模型关联,最终生成具有实际导线的物理线束,打通逻辑到物理的通路。

EWIS设计是一项复杂的系统工程,不仅要考虑导线的安装敷设,更需考虑电气线路互联系统的安全性、维护性、电磁兼容性与经济性及重量等多个维度^[1],涉及的系统多、协调工作量大、设计周期长、处理的数据量大,需进行反复迭代设计。对于直升机而言,安装的设备多,线束占位的空间很小,对线束的弯曲半径和布置提出了更高要求,尤其是在穿过结构框梁时,需准确评估线束的直径,以便能在结构上开足够尺寸的孔来满足线束开足够尺寸的孔来满足线束敷设的要求;直升机线束重量是另一个需要重点考虑的方面,直升机上线束重量重心的计算是一个复杂的工程,直升机线束包含很多导线,导线在CATIA三维空间上无法精确建模,只有每根线束的模型,故应改进计算方法,对线束的粗细精确建模,才能计算出准确的重量重心;线束减重迭代工作也是一项费时费力的工作,工作量大,且需反复迭代才能有效实现减重优化设计。

目前,直升机EWIS设计主要依靠CATIA与Captial 两款软件来进行三维线束打样及原理图、接线图和线束分叉图的设计,重复工作量大, 自动化程度低,很多工作需要人工来完成,二维和三维设计存在严重的脱节。基于专业三维设计软件和二维线束设计软件的EWIS协同设计新流程,能在一定程度上解决传统线束设计流程效率低下的问题^[1]。使用虚拟技术 自动规划线束敷设最优路径能明显改善线束敷设路径规划效果^[2]。文献[3]针对大飞机电气系统数字化设计流程进行优化研究,在线束交互式设计流程基础上提出集成管控的审签流程,支撑各阶段设计的仿真建模,优化的系统布线设计和以满足客户定制需求为 目标的构型管理等更完善的线束设计流程。国内在航空电气线路互联设计流程上不断探索与改进,给直升机EWIS设计流程的改进与优化提供了思路与借鉴。电气线路互联系统设计流程目标在于全生命周期数据管理及高效的数字化协同设计流程,故提出了一种基于CATIA线束设计模块与Captial二维线束设计软件的电气线路互联系统正向协同设计流程,期望解决直升机线束设计综合效率低、工作量 大、迭代困难等问题。

1目前EWIS设计流程

目前,国内直升机线束设计流程为传统EWIS设计流程,具体设计流程框图如图1所示,采用W0rd文档或Excel表格的形式统计系统需求及电气接口 (简称EICD),根据系统接口控制文件,由各系统完成系统原理图;系统反馈接地需求和分离面需求,人工分配全机接地点和分离面针脚点位;再将接地和分离面分配的针脚灌入到接线图中,完成接线图的设计工作;线束设计人员根据全机设备布置,在CATIA软件中完成全机线束主通道的三维打样;将全机三维打样数模导出拓扑图,与系统接线图结合,开展导线的敷设与线束分束,最终形成全机线束分束表;根据全机线束分束表,迭代更新CATIA中三维几何线束;将更新后的三维线束数模导入CapitalHarness模块,与系统接线图进行同步,生成用于线束制作的二维线束分叉图。

2传统EWIS设计流程存在问题分析

分析与总结已有直升机型号设计工作的电气线路互联系统设计流程,发现现有的EWIS设计流程存在以下缺陷与不足:

1)采用W0rd文档或Excel表格进行需求统计与接口协调,人工统计工作量大,重复利用率低,不便于版本管理及状态控制,无法实现EICD自动转化成原理图。

2)自动化程度不高,接线图需要手动绘制并选型,在接线图设计阶段,设计人员需要按照设备在空间的大致布局,把原理图和物理实际安装位置关联起来设计接线图,所有设备的插头、电线电缆的型号都需要手动指定,导致接线图不仅设计效率低,而且极易出错,严重制约了电气线束设计效率的提高。

3)缺少完善的设计规则检查,原理图、接线图中存在大量重名的设备代号和导线号,还有部分针脚重复使用,部分导线规格与连接器针脚不匹配等设计问题。

4)将三维线束图与CHS接线图进行关联,生成用于线束制作的二维线束分叉图、线束导线表和明细表,线束分叉图、导线表和明细表中很多内容需要人工调整与编辑,大大增加了设计人员的工作量。系统EICD与原理图之间,原理图与接线图之间,接线图、三维线束数模与线束分叉图之间缺乏强关联,导致设计迭代重复工作量大,效率极低。

3 改进的EWIS设计流程

针对以上传统EWIS设计流程的不足,采用交互式设计流程,提出了一种基于系统工程方法的电气线路互联系统正向线束设计新流程,旨在提高EWIS 设计的工作效率与设计质量。新EWIS协同设计流程仍然基于CATIA三维线束设计模块和Capital二维线束设计软件,其设计流程框图如图2所示。

优化的EWIS设计流程是以系统之间的需求与接口协调开始,各专业之间的协调在设备ICD管理平台上进行,该管理平台是完善的设备定义和管理平台,支持设备的详细定义和全寿命周期的管理,设备信息包括成品型号、针脚定义、所属电连接器及接线端子等;该平台具有版本管理及不同专业之间进行接口协调的功能,可对设备按照预先定义的规则进行自动编号,避免设备编号的重复,并且支持导入Word 文档或者Excel表格创建设备。通过设备定义和管理平台能自动或手动将系统EICD导入到CapitalLogic原理图设计模块中, 自动生成系统原理图。

线束设计人员依据系统EICD在CATIA三维线束设计模块中完成全机三维线束主通道的初步打样,将CATIA中的通道数模数据导入线束综合设计平台,将线束通道数模数据还原成3D通道模型,并定义通道隔离代码、最大分支直径等参数,软件自动或手动构建逻辑线束。

将CapitalLogic模块中的原理图导出XML文件, XML文件中包含设备间信号连接关系,将设备间连接关系导入线束综合设计平台,综合设计平台根据逻辑线束自动对信号分束并创建出带有信号连接关系的电缆,在此阶段可以同步进行接地综合及分离面综合设计,最终输出带有设备连接器和针脚信号等信息的电气线束。在电气线束设计过程中,能进行系统需求建模,将线束信息导入仿真分析软件,开展线束的热仿真、压降计算、电磁仿真等,验证线束设计可靠性、安全性和合理性,用于指导电气线束的安装与敷设。

根据设备库预先定义的匹配规则,针对电气线束中的电连接器、接线端子、死接头、每根信号线,线束综合设计平台自动选择连接器、接线端子、电线电缆等规格型号,输出具有具体规格和型号的电线电缆、电连接器及接线端子等的物理线束。

根据线束综合设计平台的电气线束,可以进一步在CATIA软件中绘制实际的几何线束,对CATIA 中的线束数模进行精细化设计,同时物理线束中线束直径等信息可以反馈到几何线束中,对几何线束进行迭代修改。线束综合设计平台可以根据物理线束自动生成系统拓扑接线图以及用于线束制作的线束分叉图。

4 改进的EWIS设计流程优点

综合对比改进后的EWIS设计流程跟现有的EWIS设计流程,总结出新EWIS设计流程具有以下优点。

4.1完善的ICD设备管理系统,高效的专业协同设计平台

新EWIS设计流程具有完善的IcD管理系统,针对每个成品和部件,平台能手动或自动创建设备对象,能完成各项设备属性的管理,包括部件名称、安装位置、电气接口等属性,方便线束设计人员查询;根据命名规则,平台能自动生成设备代号,避免人工编写设备代号的重复;各专业之间通过客户端的形式进行接口协调,提高协同设计效率;该管理系统具有全生命周期的构型管理与变更管理能力,方便设备电气接口的迭代。

4.2 全面的设计规则检查功能

为了减少人工设计过程中产生的错误,流程具有全面的设计规则检查功能,能检查capitalL0gic原理图中设备、连接器和导线名称是否重复,设备、连接器和导线属性是否填写完整,设备和连接器针脚是否重复使用,接线图中线规与连接器针脚是否匹配,针脚是否重复使用等。

4.3 高度自动化的线束综合设计软件

与传统EWIS设计流程相比,改进的EWIS设计流程更加强调线束正向设计,在CATIA三维线束模块中进行三维线束打样,构成逻辑线束,在capital软件中进行二维原理图设计,将逻辑线束与二维原理图结合,对电气信号进行敷设,跑出直升机所有信号路径,输出电气线束;采取一定的成束策略,合并具有相同路径及隔离代码的导线,形成全机的几何线束;再对几何线束中的所有电线电缆、连接器、接线端子选取符合要求的型号,输出能用于生产制作的物理线束。在线束分束与综合的同时,可以开展接地综合和分离面综合设计,优化设置接地点,使线束长度最短,合理增加分离面,使得线束方便成束及维护安装。

平台对物理线束的直径、重量、护套的外径及安装所需要的卡箍大小都能自动进行计算,用于指导线束安装图的设计工作,减少人工手动计算的工作量,大大提高了设计工作效率。

4.4 完善的设计更改迭代机制

新EWIS设计流程,二维原理设计与三维线束设计具有强关联,针对系统原理图的更改,进行刷新操作,软件能自动更新三维线束设计及线束分叉图的更改,实现自动输出线束分叉图的更改单。具有接线图比对功能,能自动对两个版本的接线图设计内容进行对比,发现设计改动部分,便于设计的更新迭代。

4.5线束评估仿真分析能力

采用基于模型的系统工程方法,对线束创建需求模型及电路模型,将线束空间位置、线束直径、导线规格、导线单位电阻值、导线所承载的额定电流、每束导线的根数等信息导入专业的热仿真、电磁仿真及电气负载统计等软件中,开展线束仿真分析,验证其电磁隔离、热效应、导线应力等是否满足设计要求,用于支撑设计的合理性与可靠性。

5 结束语

综上所述,通过对传统EWIS设计流程的分析与总结,本文提出了基于cATIA三维线束设计模块与 capital二维线束设计软件的电气线路互联系统正向设计流程,具有强大的构型管理和变更管理能力,符合直升机电气线束设计构型管理的要求。该设计流程具有强大的 自动布线能力及线束综合设计能力,可以实现EWIS功能逻辑数据和物理安装数据的友好交互,能极大地优化EWIS设计流程,提高EWIS协同设计效率和线束设计工作的准确性。

[参考文献]

[1] 曾庆吉.直升机EWIS设计流程改进研究[J].电子制作,2020(2):84-86.

[2]于涛.EWIS线束敷设路径自动规划分析[J].现代制造技术与装备,2021,57(4):136-137.

[3] 邰忠天,田玉斌,张卓.飞机电气系统数字化设计流程优化研究[J].航空科学技术,2016,27(6):30-33.

2024年第11期第8篇