基于CHS电气系统设计流程研究

基于CHS电气系统设计流程研究中航一飞院邰忠天[摘要]针对目前电气系统设计流程中存在的问题，提出了先进流程的需求，并基于CHS软件给出了新电气系统设计流程的构架，对该流程进行了详细论述，指出了其优点，并说明其在工程实践应用中的意义。[关键词]电气系统设计流程，数据库管理，数字化平台，仿真分析1引言飞机的电气系统设计是一个跨越电气和机械专业，涉及多个部门协调配合的工作。从系统概念设计到进一步详细的电气设计，试验分析验证，直至产生设计图样和生产文件，设计流程比较复杂。改进电气系统设计流程可以提高工作效率和质量，缩短研制周期，节省资源成本。2国内外现状早在上世纪90年代，国外航空行业已经开始全面采用先进的电气系统设计及仿真手段。如国际某著名飞机设计制造公司，用MentorGraphics公司和Dassault公司提供的软件建立起先进的电气系统设计平台，使工程设计水平和飞机研制效率得到了巨大的提高，降低了成本。国内在电气系统数字化设计应用方面起步较晚，目前虽在理论和技术两方面有一定规模的积累，但总体还处于初级阶段。现阶段电气系统设计受设计思想、软硬件条件等多方面因素制约，在二维设计与三维设计、设计与仿真层面上都存在脱节问题，限制了设计效率和质量的提高，对研制时间和经费的要求也很高。随着多电飞机或全电飞机的出现，飞机上用电设备急剧增加，电气系统越来越复杂，型号工程对研制周期、进度、经费要求也越来越高。这一发展趋势迫切要求国内航空业界改进设计流程和手段，建设电气系统数字化设计平台以满足未来的型号工程需求，缩短与发达国家之间的差距。3存在问题与需求分析3.1存在问题：国内当前的设计流程存在以下几方面的问题：(1)二维设计与三维设计脱节由于使用纯机械的CAD软件出图，各系统的电气属性不能附于图上，与三维软件的设计不能有效结合，无法通过接口将接线图中的信息传至三维环境中进行自动布线，无法生成与真实线束几何尺寸相同的实体，无法协调电缆、线束通道，达到合理的总体布置效果。(2)设计与仿真脱节纯机械的CAD软件与系统仿真软件没有数据接口，完成的设计没有电气属性，无法进行仿真分析，造成设计流程中仿真分析与设计脱节，电气系统性能验证只能通过实验室物理验证、试飞验证和外场考核验证三种方式来完成，造成人力、物力和经费的巨大浪费。(3)自动化程度不高，效率低下纯机械软件没有计算、统计和数据关联功能，不能自动进行电气规则、机械属性匹配等检查，无法自动生成相关图样的明细表、导线表，设计员统计、协调的工作量很大而且容易出错，以致工作需要重复多次，效率低下；(4)缺乏统一的数据管理纯机械软件没有数据库的概念，与PDM的数据交联也仅限于设计图样的保存，而不涉及电气属性，没有电气元器件库、电气标准件库、电气器材库、设计特征库等内容；飞机系列化或改型时，存在重复设计内容较多，改型部分状态多样的问题，无法实现有效的版本管理和批架次管理，易引起设计状态混乱；设计更改时，由于缺乏有效的数据管理，往往出现更改遗漏，更改数据不一致等问题，不能保证设计更改的完备性。3.2需求分析现有设计流程存在的诸多问题，已成为制约设计质量和效率提高的瓶颈。因此我们迫切需要全新的先进电气设计流程和平台，以满足当前的工程需求。先进电气设计流程必须具有以下特点：(1)完善的数据管理基于设计软件,建立电气元器件库、电气标准件库、电气器材库、图形符号库等，将分布在主机和辅机研制单位的大量部附件和实验数据以库的形式保存，为系统的改进、改型和新系统研发做准备。(2)设计与仿真有效结合，实现优化设计。在流程中，通过设计软件实现设计规则管理，将研制单位的设计规范输入到设计环境中，由软件自动规范设计，进行电气规则、机械属性匹配等检查，避免人为造成的失误。实现设计与仿真的有效结合，用设计规范约束设计人员，实现设计与仿真的反复迭代，消除由于设计考虑不周而带来的错误，使设计错误不需要等到系统试验或机上通电检查才被发现，降低研制成本，实现设计优化。(3)二维设计与三维设计紧密结合。通过设计软件之间的数据传递，使二维设计与三维设计紧密结合，优势互补，使设计更加准确，从而提高电气设计的数字化水平。(4)大幅提高设计自动化程度。发挥计算机和软件功效，实现图样明细表、导线表、仿真分析报告等自动输出，摒弃大工作量、繁琐、易出错的手工报表统计输入，将设计人员从统计中解放出来，提高设计质量和效率。总之，创建新的电气系统流程，实现设计与仿真、二维与三维设计紧密结合，才能提高设计效率、质量，降低设计质量成本。4基于CHS实现电气设计流程项目数据管理CapitalProject数据管理(OracleDatabase)二维线束设计CapitalHarness原理/接线图设计CapitalLogicCATIAV5电气元器件库CATIAV5线束安装PDM平台输出：原理图、接线图、线缆图电线表、明细表、FMEA报告等线束长度信息接线关系信息线束长度信息三维环境二维环境仿真分析CapitalAnalysis元器件库、仿真模型库图1电气设计流程CapitalHarnessSystem（CHS）是MentorGraphics公司的电气系统设计软件包，集成了原理设计、接线设计、线束设计、制造、分析等模块。该软件采用先进的设计理念，基于Oracle数据库可对整个设计流程中所有的数据实施统一管理，并具备系统级仿真分析能力，可以进行功能性验证和FMEA分析，构成了电气系统设计、分析的完整解决方案。基于CHS软件构建的电气设计流程如图1所示。本流程的核心是数据库管理，所有关于设计数据的操作结果都保存在数据库中。4.1二维电气设计过程在CHS中开始一个新的项目时，首先用CapitalProject创建一个项目，对系统设计将要用到的各种规范进行统一设置，包括：设计状态、设计规则、命名规则、设计风格、元器件优选规则、审签状态等。接下来使用CapitalLogic模块进行电路设计，包括原理图和接线图设计两个阶段，电路设计的过程中可以用CapitalAnalysis模块进行仿真分析，提高设计质量。(1)原理/接线图设计在原理图设计阶段，设计者调用符号库（CapitalSymbol）内的模型，创建系统构型，完成原理图设计。在接线图设计阶段，对电路设计进一步深入和细化，按照飞机走向大致布局，把原理设计和物理实现关联起来，包括添加电连接器、死接头，指定所用的电线型号和电连接器类型，电缆划分等。(2)仿真分析运用CapitalAnalysis对构建的原理图样进行逻辑功能分析(LC)、潜藏电路分析(Sneak)、瞬态分析(Transient)、FMEA分析等，对几个系统的原理图样的综合进行潜藏电路分析等，整体验证设计的正确性。将三维电气设计过程中的CATIAV5线束安装的线束长度信息传入接线图设计中，对接线图进行必要的直流分析(DC)验证。仿真分析是一个反复迭代的过程。经过每一轮的仿真验证发现系统设计中存在的问题，对设计图样不断地修改完善，才能确保设计的准确性。4.2三维电气设计和线束设计过程在二维设计的同时，基于CATIAV5的电子样机上的电气系统和敷设线缆的预装配也同时进行。三维元器件、设备模型都已建模完成并在元器件库内存放，直接调用即可。通过协调空间位置，合理布局完成可实施的设计，从原理/接线图设计中导入接线关系信息，同时原理/接线图设计也将接线信息传至线束设计；在CatiaV5中完成线束自动敷设，并将线束长度信息和拓扑结构传至CHS的线束设计模块CapitalEngineer中，进行三维展平、工艺设计、有效性检查和工程计算等工作，完成完整的线束设计，并生成加工、采购等后续工作所需要的EBOM、电线表、切线图等各种报表。4.3数据保存输出系统由于流程设计是基于数据库管理的，所有的原理图、接线图、线束图均可输出，电线表、明细表等生产文件均可自动生成，还可导出FMEA分析报告等文件。该数据库能实现与PDM平台的数据交换，为将来工程实际应用创造便利条件。5新流程的优点与传统的电气流程相比，本设计流程主要在数据管理、仿真验证、自动化程度等方面有了很大的提高。(1)统一数据管理由于基于数据库管理，设计数据可实现共享，能充分实现设计更改的完备性，可建立型号、版本管理机制等。(2)设计仿真验证由于在设计过程中增加了仿真验证的环节，通过设计与仿真分析的反复迭代，对设计进行优化，提前发现并解决问题，提高了设计质量，降低了成本。(3)自动化程度高基于电气模型库可大幅提高设计效率；电气规则、机械属性匹配等检查自动进行；自动完成线束三维敷设，由于二维和三维数据实现互传，可进行设计迭代验证，使线束设计更准确；由于所有设计数据都存储在数据库内，输出生产文件也更加快速准确。取消了人工进行物料统计环节，节约了大量的时间和人力资源。6结束语该电气流程的设计思想比较先进，对电气设计软件的要求也较高。提升软、硬件能力，升级现有进行电气系统设计的软、硬件设施，构建先进的数字化电气系统设计平台，可以帮助我们在未来型号任务中，提高设计工作效率，缩短设计周期，提高设计质量，保质保量地完成任务。参考文献[1]GabeMoretti，“CableandHarnessEDAenablesadvancedelectrical-systemdesign”，EDNChina[2]MentorGraphics，“CapitalHarnessSystemWorkbook”