电缆托架大小设计仿真软件的开发应用

郑楚忠

（中船黄埔文冲船舶有限公司，广州 511462）

1 前言

在电气生产设计中，电气设计人员对于电缆托架的选取往往是参考电缆总截面积与电缆通道截面积之比，以电缆占有率为依据选择合适的电缆托架，这种仅考虑占比的设计方法具有一定的局限性，无法涵盖所有电缆的实际拉放情况。例如：在大电缆的拉放、动力、信号电缆分开敷设的情况，如果单纯以电缆的截面积来计算托架的大小会导致托架偏大或偏小，由此产生后期的修改造成成本浪费。

本文通过电缆直径、托架大小、电缆绑扎间距等一系列参数，设计出一种可视化模拟电缆敷设软件，能够准确直观地反映出电缆在托架上的敷设情况，并结合软件的计算得出托架的占比，提供设计人员参考，减少电缆托架的修改率，最终达到降本增效的作用。

2 软件介绍

本软件采用Microsoft Visual Basic 6.0 开发，在Windows 操作系统和安装Autocad 2015 以下版本，通过运行该软件，导入电缆通道某一节点的电缆册，将电缆外形等效为同等直径的截面圆，托架等效为长方形，将圆在长方形的横截面上按照设定的参数进行计算排布，并自动调用AUTOCAD 软件生成仿真图，同时在软件界面显示托架的占有率；软件生成效果，能够直观地模拟电缆实际敷设的状态，给设计人员提供直观准确的参考模型。

2.1 主要功能

1）仿真电缆成束布置绑扎

该软件通过匹配SPD 导出的电缆节点以及预先设定的托架属性，将一定数量的电缆在该托架上进行排列组合，模拟成束，同时按照设定的间隙等距布置；电缆的成束绑扎，可以根据设计人员的假想进行多种绑扎仿真，以便找出最合理且满足要求的托架大小。

2）计算托架的占有率

在完成对电缆敷设仿真后，可计算电缆的横截面积占托架的百分比，其中将电缆截面积等效为以直径为边长的正方形或实际圆形横截面。当占有率介于20%～25%之间时，占有率文本框将变成黄色背景警示；占有率超过25%后，占有率文本框将出现红色背景警示；占有率低于20%时正常显示。

3）自动生成CAD 布置模拟图

通过界面对托盘各参数的设置，将电缆册导入后进行仿真，软件将自动模拟每根电缆在托架上的坐标以及大小，最后通过CAD 生成整个横截面的布置图，直观地预估托架电缆的布置和占有比率；同时，通过CAD 图纸对节点仿真图进行保存，方便查看。

2.2 软件界面

软件界面使用了与Windows 格式一样的界面，操作单及参数简单化设计，主要界面分为三个区域：电缆册导入区域；托架的属性定义区域；计算后相关参数的托架的面积占用比显示区域。

2.3 软件运行逻辑

《托架电缆成束绑扎仿真》软件操作简单，将节点电缆册按照相应的模版导入软件，在点击仿真按钮后会自动对电缆进行排布，生成相应的文件及结果，其运行控件逻辑如图1 所示。

图1 软件的运行逻辑

2.4 软件的算法设计

为了减少运行时间及减少计算机的资源占用，采取了等效法进行计算，即在电缆册导入完成后，所有电缆的横截面积也随之确定，而托架的截面积在其设定后固定不变，即电缆在所布置托架上的横截面面积占有率为定值，所以在导入电缆册后，软件并不按最优冒泡法寻找最优组合，而是将电缆按直径大小由大向小进行排序，然后把事先设定的绑扎高度和宽度相乘得出的面积进行等效划分，将电缆的排列按照由大到小的顺序对每扎的面积进行填充，直至满足第一束绑扎完成的条件后，继续向后面的电缆束进行填充，方式如图2 所示。

图2 电缆排列方式

2.5 软件的程序设计

托架电缆成束绑扎仿真V1.0 基于VB6.0 设计，使用VB 中的Dictionary 对象，将每一条电缆视为为一个项目，在每个项目中存放所需计算的电缆直径、电缆牌、x 轴坐标、y 轴坐标、电缆绑扎的次序和每束电缆的偏移值。软件的总体框架设计逻辑，如图3 所示。

图3 总体框架设计逻辑

软件的核心计算在于确定每束中的每根电缆之间的关系，即确定他们是否绑扎在一起，软件的编程采用了计算两圆相切的坐标和三圆相互外切的坐标的方案：

1）位于托架底部第一层的电缆，按照从左往右的顺序，每一束的第一根电缆为固定位置，接着的每一根电缆按与前一根电缆的相切关系进行累加，直至整层电缆束的外径之和受限于软件设置的电缆扎宽，以此类推直至完成底层电缆的铺排。

如图4 所示，右侧电缆的中心坐标为：

图4 底层电缆计算方法

将x1、R 迭代为前一个圆的x 轴坐标和半径，即可得出底层电缆的中心坐标。

2）第二层电缆的敷设模型，使用了方位角的方法。如图5 所示，其坐标的模型算法如下：

图5 方位角求坐标

3）同理，运用该方法采用迭代的方式，即可求出底层往上每一层的电缆敷设的坐标。

2.6 软件部分主要源代码

因篇幅所限，此略。

3 操作说明

根据软件设置托架的参数及电缆敷设绑扎的要求，该区域共有下列参数需要设置：

托架大小：设定的托架宽度；

电缆扎宽：每束电缆绑扎的宽度；

电缆扎高：每束电缆的高度；

电缆捆间隔：每束电缆间的间隔要求；

托架高度：用于敷设电缆托架净高度。

托架属性设置完成后，从SPD 节点中导出电缆数据，将电缆数据生成EXCEL 表格，将序号、电缆代号、直径分别从EXCEL 表格A、B、F 列及第4 行开始写入，A 列为序号项，B 列为电缆牌，F 列为电缆直径。其中，序号和电缆代号不能出现重复，同时表格中需要显示全部内容，不能含有隐藏数据，否则生成结果将与实际不一致；直径的单元格格式应为数字，不能为文本格式；所有数据均从第4 行开始往下填写，中间不能有空行，如出现空行软件会自认为数据结束。

在软件的电缆册区域点击加载，在弹出的对话框上选择需要加载的excel 文件。

最后点击仿真按钮，软件将自动进行电缆绑扎仿真，并在CAD 图中绘制该节点处托架的横截面仿真图，如图6 所示。

图6 仿真图

图6 所标注的外层矩形是由托架的宽度和托架的高度组成的托架仿真空间，中间为由电缆直径形成的横截面组合而成的电缆束，其高度、宽度、间隔由托架属性栏输入决定。

面积比是计算所有电缆的横截面积占托架面积的比例，有两种计算方法，可以实现切换：

托架面积 S=托架大小 托架高度

电缆总截面积Sc=（r 为电缆半径）

电缆等效方形截面积Ss=（d 为电缆直径)

托架占有率=Ss/S 或Sc/S

4 仿真测试及效果

本次测试数据取自完工的某集装箱船机舱区域E3065 节点中的电缆预算，该节点共有电缆52 根，通过软件对该节点所设置的托架进行仿真。

4.1 设置参数

对E3 065 节点采用400 宽的托架进行仿真，设置软件参数。

4.2 导入电缆册

导入E3 065 节点中的电缆，用软件加载该电缆册自动生成相关CAD 电缆敷设示意图（见图7），并显示托架占有率为18.47%，基本满足使用要求；从模拟出来的成束结果，该电缆册共52 根电缆，采用400 宽的托架敷设较为理想美观且略有余量。

图7 400 宽托架电缆敷设仿真图

为进一步验证采用400 宽的托架敷设该电缆册，将此电缆节点采用300 宽的托架进行仿真敷设，由该仿真图（见图8）可以看出，使用300 宽的托架显得有点拥挤，其显示占有率达24.6%，尽管占有率并未超标，但由于该节点的电缆较多，在考虑部分电缆分开敷设的情况，在成束的情况下中间束明显层数太多，不符合相应的敷设工艺要求，所以该节点的电缆托架采用400 宽的托架进行敷设较为理想。

图8 300 宽托架电缆敷设仿真图

4.3 仿真敷设与实际敷设效果比较

该节点的敷设效果比效理想，基本满足要求。尽管实际绑扎成束的效果与仿真图有些区别，但此节点处的电缆无论是占有率还是最终排列效果都与软件的生成图达到了一个较高的契合度，仍旧是4 束敷设，且电缆绑扎后的效果比较理想，满足相应的工艺要求。

5 总结

通过该软件的仿真，可以最大程度地减少托架布置的差错，其主要的优点是：1）直观化：1:1 仿真电缆成束敷设绑扎，直观准确；2）灵活性：通过参数的设置，能最大限度的取优布置；3）高效性：打破以往人工手绘或凭经验布置的方式，大大提高了布置效率；4）降本增效：降低托架铁舾件的修改率。

后期进行改进，可以在该软件的基础上，明确动力电缆及信号电缆的不同标识，并进行分开敷设以达到更加的完善。