复杂产品中的分支线缆自动布局设计技术研究

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1、复杂产品中的分支线缆自动布局设计技术研究徐金宝2015年12月中图分类号：TP391UDC分类号：复杂产品中的分支线缆自动布局设计技术研究作者姓名徐金宝学院名称机械与车辆学院指导教师刘检华教授答辩委员会主席唐承统教授申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年12月ResearchonMulti-branchCableAutomaticLayoutDesignTechnologyforComplexProductsCandidateName:XuJinbaoSchoolorDepartment:SchoolofMechanicalE

2、ngineeringFacultyMentor:Prof.LiuJianhuaChair,ThesisCommittee:Prof.TangChengtongDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor:MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:December，2015摘要线缆布局设计是复杂机电产品研发中一项繁杂而耗时的工作。随着航天、航空等复杂产品向信息化、小型化、轻量化、精密化和光、机、电一体化方向的发展，采用计算机辅助线缆

3、自动布局设计已成为当前研究热点和发展趋势。相比于单根线缆的自动布局设计，分支线缆布局设计更加复杂，本论文以航天复杂产品为具体对象，对分支线缆自动布局设计的相关理论、关键技术和实现方法进行了研究。论文的主要研究工作概括如下：（1）分析了复杂机电产品中线缆布局设计的特点以及国内外相关领域的研究现状，总结了现有研究成果中分支管线自动布局设计方法的优缺点，分析了存在的问题，最后指出了论文的项目来源和研究意义。（2）对分支线缆自动布局设计问题进行了分析，介绍了分支线缆线束模型，总结了分支线缆布局设计中的约束，并提出了虚拟环境下分支线缆自动布局设计的总体技术流程，最后介绍了两种

4、常用的路径规划算法。（3）针对分支线缆路径规划的特点，提出了一种基于最小斯坦纳生成树和改进的随机路径图算法的分支线缆自动布局设计方法。该方法首先采用最小斯坦纳生成树算法求解带有约束的斯坦纳点确定分支线缆分支点的位置；然后以基本PRM算法为基础，采用低离散度以及基于障碍物的混合采样策略构建一幅覆盖全空间障碍物表面的路径图，再利用A*算法搜索各线缆段的最短路径；最后通实例验证了算法可行性。（4）针对分支线缆的结构特点，提出了一种基于协同进化算法的分支线缆自动布局设计方法。该方法首先基于线缆的线束模型信息将分支线缆分解为多个一对一的单根线缆，每个单独的线缆代表一个种群；在

5、此基础上采用改进的快速扩展随机树算法求解单根线缆的路径，然后基于协同进化的思想对分支线缆的分支点进行寻优，通过种群间相互影响适应度的评价使得分支线缆的布局结果达到最优；最后通过实例验证了算法可行性。（5）作为上述各项研究成果的工程实践和验证，自主设计并开发了分支线缆自动布局设计系统。介绍了软件系统的开发背景、体系结构、功能模块、接口规范、实现方法和运行实例，并结合实例对提出的方法和技术进行了验证。VI最后，对全文进行总结，并对相关研究工作的后续发展进行了展望。关键词：分支线缆；自动布局设计；路径规划；最小斯坦纳生成树；随机路径图算法；协同进化算法；快速扩展随机树算法

6、VIIAbstractCablelayoutdesignisacomplexandtime-consumingworkincomplexmechanicalandelectricalproductdevelopment.Cableautomaticlayoutdesignusingcomputer-aidedbecomeatrendduetotheinformationization,light-weight,precisionandoptics-mechanics-electricsintegrationofthecomplexproductssuchasaero

7、nauticsandastronauticsproducts.Themulti-branchcablelayoutdesignismorecomplexcomparedtoasinglecableforautomaticlayoutdesign.Thispapertakestheastronauticscomplexproductsasthespecificobjects,conductstheresearchonthetheories,keytechnicsandimplementationmethodsofmultibranchcableautomaticl