計算機輔助工程概述

計算機協(xié)助工程概述 機械設(shè)計制造與其自動化 章毅 1 摘要：隨著計算機技術(shù)與應(yīng)用的快速發(fā)展，特殊是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機的出現(xiàn)，使計算機圖形學、計算機協(xié)助設(shè)計與計算機協(xié)助制造等新技術(shù)得以特別迅猛的發(fā)展。本文主要介紹計算機協(xié)助工程分析（CAE）的主要內(nèi)容，還紹了如何將仿真分析方法應(yīng)用到電子牢靠性工程中的一種新方法，電路仿真可以精確分析電路中的各個器件的瞬態(tài)電應(yīng)力和器件的結(jié)溫，同時在仿真軟件中設(shè)置器件的降額系數(shù)，干脆輸出全部器件的應(yīng)力分析和降額狀況。大大提高了降額設(shè)計的精確性和效率，對降額技術(shù)是一個提高，對硬件工程師是一種新的牢靠性設(shè)計技術(shù)，對產(chǎn)品的牢靠性設(shè)計是一種新的手段。 關(guān)鍵字：計算機技術(shù)；CAE；有限元方分析；軟件；仿真； 1.概念 計算機協(xié)助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術(shù)的提出就是要把工程（生產(chǎn)）的各個環(huán)節(jié)有機地組織起來，其關(guān)鍵就是將有關(guān)的信息集成，使其產(chǎn)生并存在于工程（產(chǎn)品）的整個生命周期。因此，CAE系統(tǒng)是一個包括了相關(guān)人員、技術(shù)、經(jīng)營管理與信息流和物流的有機集成且優(yōu)化運行的困難的系統(tǒng)。 2.國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀 2.1我國CAE技術(shù)現(xiàn)狀 隨著我國科學技術(shù)現(xiàn)代化水平的提高，計算機協(xié)助工程技術(shù)也在我國蓬勃發(fā)展起來?？萍冀绾驼闹鞴懿块T已經(jīng)相識到計算機協(xié)助工程技術(shù)對提高我國科技水平，增加我國企業(yè)的市場競爭實力乃至整個國家的經(jīng)濟建設(shè)都具有重要意義。近年來，我國的CAE技術(shù)探討開發(fā)和推廣應(yīng)用在很多行業(yè)和領(lǐng)域已取得了肯定的成果。但從總體來看，探討和應(yīng)用的水平還不能說很高，某些方面與發(fā)達國家相比仍存在不小的差距。從行業(yè)和地區(qū)分布方面來看，發(fā)展也還很不平衡。 　　 目前，ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析軟件已經(jīng)引進我國，在汽車、航空、機械、材料等很多行業(yè)得到了應(yīng)用，而且我們在某些領(lǐng)域的應(yīng)用水平并不低。不少大型工程項目也采納了這類軟件進行分析。我國已經(jīng)擁有一批科技人員在從事CAE技術(shù)的探討和應(yīng)用，取得了不少探討成果和應(yīng)用閱歷，使我們在CAE技術(shù)方面緊跟住現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展。但是，這些探討和應(yīng)用的領(lǐng)域以與分布的行業(yè)和地區(qū)還很有限，現(xiàn)在還主要局限于少數(shù)具有較強經(jīng)濟實力的大型企業(yè)、部分高校和探討機構(gòu)。 　　 我國的計算機分析軟件開發(fā)是一個薄弱環(huán)節(jié)，嚴峻地制約了CAE技術(shù)的發(fā)展。在CAE分析軟件開發(fā)方面，我國目前至少落后于美國等發(fā)達國家十年。計算機軟件是高技術(shù)和高附加值的商品，目前的國際市場為美國等發(fā)達國家所壟斷。僅以有限元計算分析軟件為例，目前的世界年市場份額達5億美元，并且以每年 15%的速度遞增。相比之下，我國自己民族的軟件工業(yè)還特別弱小，僅占有很少量的市場份額。作為一個國家，一個民族不能長期依靠于引進外國的技術(shù)和產(chǎn)品，因此我們必需加大力度開發(fā)自己的計算機分析軟件，只有這樣才能變更在技術(shù)上和經(jīng)濟上受制于人的局面。 　　 我國的工業(yè)界在CAE技術(shù)的應(yīng)用方面與發(fā)達國家相比水平還比較低。大多數(shù)的工業(yè)企業(yè)對CAE技術(shù)還處于初步的認同階段，CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用還有相當?shù)碾y度。這是因為，一方面我們?nèi)鄙僮约洪_發(fā)的具有自主學問產(chǎn)權(quán)的計算機分析軟件，另一方面大量缺乏駕馭CAE技術(shù)的科技人員。對于計算機分析軟件問題，目前雖然可以通過技術(shù)引進以解燃眉之急，但是，國外的這類分析軟件的價格一般都相當貴，國內(nèi)不行能有很多企業(yè)購買這類軟件來運用。而人才的培育則須要一個長期的過程，這將是對我國CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用產(chǎn)生嚴峻影響的一個制約因素，而且很難在短期內(nèi)有明顯的改觀。提高我國工業(yè)企業(yè)的科學技術(shù)水平，將CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用于設(shè)計與制造過程還是一項相當艱難的工作。 2.2國外技術(shù)概況 計算機協(xié)助工程的特點是以工程和科學問題為背景，建立計算模型并進行計算機仿真分析。一方面，CAE技術(shù)的應(yīng)用，使很多過去受條件限制無法分析的困難問題，通過計算機數(shù)值模擬得到滿足的解答；另一方面，計算機協(xié)助分析使大量繁雜的工程分析問題簡潔化，使困難的過程層次化，節(jié)約了大量的時間，避開了低水平重復(fù)的工作，使工程分析更快、更精確。在產(chǎn)品的設(shè)計、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用，同時CAE這一新興的數(shù)值模擬分析技術(shù)在國外得到了迅猛發(fā)展，技術(shù)的發(fā)展又推動了很多相關(guān)的基礎(chǔ)學科和應(yīng)用科學的進步。 　　 在影響計算機協(xié)助工程技術(shù)發(fā)展的諸多因素中，人才、計算機硬件和分析軟件是三個最主要的方面?，F(xiàn)代計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)為CAE技術(shù)奠定了良好的硬件基礎(chǔ)。多年來，重視CAE技術(shù)人才的培育和分析軟件的開發(fā)和推廣應(yīng)用，發(fā)達國家不僅在科技界而且在工程界已經(jīng)具有一支較強的駕馭CAE技術(shù)的人才隊伍，同時在分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用方面也達到了較高水平。 　　 美國于1998年成立了工程計算機模擬和仿真學會(Computer Modeling and Simulation in Engineering)，其它國家也成立了類似的學術(shù)組織。各國都在投入大量的人力和物力，加快人才的培育。正是各行業(yè)中大批駕馭CAE技術(shù)的科技隊伍推動了CAE技術(shù)的探討和工業(yè)化應(yīng)用，CAE技術(shù)在國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的科學探討，并普遍應(yīng)用于實際工程問題，在解決很多困難的工程分析方面發(fā)揮了重要作用。 　　 國外對CAE技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用真正得到高速的發(fā)展和普遍應(yīng)用則是近年來的事。這一方面主要得益于計算機在高速化和小型化方面取得的成就，另一方面則有賴于通用分析軟件的推出和完善。早期的CAE分析軟件一般都是基于大型計算機和工作站開發(fā)的，近年來PC機性能的提高，使采納PC機進行分析成為可能，促使很多CAE軟件被移植到PC機上應(yīng)用。這明顯對CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用極為有利。 　　 衡量CAE技術(shù)水平的重要標記之一是分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用。目前，一些發(fā)達國家在這方面已達到了較高的水平，僅以有限元分析軟件為例，國際上不少先進的大型通用有限元計算分析軟件的開發(fā)已達到較成熟的階段并已商品化，如ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。這些軟件具有良好的前后處理界面，靜態(tài)和動態(tài)過程分析以與線性和非線性分析等多種強大的功能，都通過了各種不同行業(yè)的大量實際算例的反復(fù)驗證，其解決困難問題的實力和效率，已得到學術(shù)界和工程界的公認。在北美、歐洲和亞洲一些國家的機械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽車、電氣工業(yè)設(shè)計等很多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 　　 就CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用而言，西方發(fā)達國家目前已經(jīng)達到了好用化階段。通過CAE與CAD、CAM等技術(shù)的結(jié)合，使企業(yè)能對現(xiàn)代市場產(chǎn)品的多樣性、困難性、可*性、經(jīng)濟性等做出快速反應(yīng)，增加了企業(yè)的市場競爭實力。在很多行業(yè)中，計算機協(xié)助分析已經(jīng)作為產(chǎn)品設(shè)計與制造流程中不行逾越的一種強制性的工藝規(guī)范加以實施。如，以國外某大汽車公司為例，絕大多數(shù)的汽車零部件設(shè)計都必需經(jīng)過多方面的計算機仿真分析，否則根本通不過設(shè)計審查，更談不上試制和投入生產(chǎn)。計算機數(shù)值模擬現(xiàn)在已不僅僅作為科學探討的一種手段，在生產(chǎn)實踐中也已作為必備工具普遍應(yīng)用。 3.計算機協(xié)助工程的內(nèi)容 計算機協(xié)助工程是指計算機在現(xiàn)代生產(chǎn)領(lǐng)域，特殊是生產(chǎn)制造業(yè)中的應(yīng)用，主要包括計算機協(xié)助設(shè)計、計算機協(xié)助制造和計算機集成制造系統(tǒng)等內(nèi)容。 計算機協(xié)助設(shè)計（CAD） 　　在如今的工業(yè)制造領(lǐng)域，設(shè)計人員可以在計算機的幫助下繪制各種類型的工程圖紙，并在顯示器上看到動態(tài)的三維立體圖后，干脆修改設(shè)計圖稿，極大地提高了繪圖的質(zhì)量和效率。此外，設(shè)計人員還可以通過工程分析和模擬測試等方法，利用計算機進行邏輯模擬，從而代替產(chǎn)品的測試模型（樣機），降低產(chǎn)品試制成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期。 　　目前，CAD技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機械、電子、航空、船舶、汽車、紡織、服裝、化工以與建筑等行業(yè)，成為現(xiàn)代計算機應(yīng)用中最為活躍的技術(shù)領(lǐng)域。 計算機協(xié)助制造（CAM） 　　這是一種利用計算機限制設(shè)備完成產(chǎn)品制造的技術(shù)。例如，20世紀50年頭出現(xiàn)的數(shù)控機床便是在CAM技術(shù)的指導(dǎo)下，將專用計算機和機床相結(jié)合后的產(chǎn)物。 　　借助CAM技術(shù)，在生產(chǎn)零件時只需運用編程語言對工件的形態(tài)和設(shè)備的運行進行描述后，便可以通過計算機生成包含加工參數(shù)（如走刀速度和切削深度）的數(shù)控加工程序，并以此來代替人工限制機床的操作。這樣不僅提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率，還降低生產(chǎn)難度，在批量小、品種多、零件形態(tài)困難的飛機、輪船等制造業(yè)中備受歡迎。 計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS） CIMS是集設(shè)計、制造、管理三大功能于一體的現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)系統(tǒng)，具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)周期短等特點，是20世紀制造工業(yè)的主要生產(chǎn)模式。在現(xiàn)代化的企業(yè)管理中，CIMS的目標是將企業(yè)內(nèi)部全部環(huán)節(jié)和各個層次的人員全都用計算機網(wǎng)絡(luò)連接起來，形成一個能夠協(xié)調(diào)統(tǒng)一和高速運行的制造系統(tǒng)。 計算機協(xié)助工程的用途 CAE技術(shù)是將工程的各個環(huán)節(jié)有機地組織起來，應(yīng)用計算機技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)、信息科學技術(shù)等科學技術(shù)的勝利結(jié)合，實現(xiàn)全過程的科學化、信息化管理，以取得良好的經(jīng)濟效益和優(yōu)良的工程質(zhì)量。 　　CAE的功能結(jié)構(gòu)應(yīng)包含計算機協(xié)助工程安排管理、計算機協(xié)助工程設(shè)計、計算機協(xié)助工程施工管理與工程文檔管理等項。 　　計算機協(xié)助工程安排管理包括工程項目的可行性論證、標書、成本與報價、工程安排進度、各子項工程安排與進度、預(yù)決算報告等。 　　計算機協(xié)助工程設(shè)計包括工程的設(shè)計指標、工程設(shè)計的有關(guān)參數(shù)與CAD系統(tǒng)，在CAD系統(tǒng)中應(yīng)強調(diào)設(shè)計人員的主導(dǎo)作用，同時留意計算機所供應(yīng)的支撐與幫助，以在最短的時間內(nèi)拿出最優(yōu)的設(shè)計方案來。同時，還要留意設(shè)計數(shù)據(jù)的提取和保存，以使其有效地服務(wù)于工程的整個生命周期。 　　計算機協(xié)助施工管理包括工程進度、工程質(zhì)量、施工平安、施工現(xiàn)場、施工人員、物料供應(yīng)等方面的管理、限制和調(diào)度。它涉與到工程管理學、運籌學、統(tǒng)計學、質(zhì)量限制等科學技術(shù)。當然，管理人員的自身素養(yǎng)是管理工作中的確定因素，必需特別重視管理人員在管理環(huán)節(jié)中的作用。 　　CAE技術(shù)可廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟的很多領(lǐng)域，像各種工業(yè)建設(shè)項目，例如工廠的建設(shè)，馬路、鐵路、橋梁和隧道的建設(shè)；像大型工程項目，例如電站、水壩、水庫、船臺的建立，船舶與港口的建立和民用建筑等。它還可應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)過程之中，與其它的企業(yè)經(jīng)營、管理限制過程中，例如工廠的生產(chǎn)過程、公司的商業(yè)活動等。 仿真技術(shù)在降額設(shè)計中的應(yīng)用 降額設(shè)計是一種比較傳統(tǒng)的牢靠性設(shè)計技術(shù)。以前做降額設(shè)計時，先估計器件上的電壓、電流和功率等各種電應(yīng)力，然后查找器件降額表，確定應(yīng)力降額系數(shù)。目前已經(jīng)有各種器件降額標準，供應(yīng)器件降額系數(shù)。硬件設(shè)計人員須要做的是先做器件各種電應(yīng)力的估計，這種估計電應(yīng)力的方法往往取決于個人閱歷，而且往往也只能估計器件上的靜態(tài)電應(yīng)力，無法精確估計器件的瞬態(tài)應(yīng)力，可以說是一種“靜態(tài)”的方法。器件的瞬態(tài)電應(yīng)力往往要大于靜態(tài)電應(yīng)力，甚至會大很多，而且依據(jù)我們的失效分析閱歷，器件失效的主要緣由是瞬態(tài)的過電應(yīng)力(EOS)。 同時對原理圖中各個器件的多個電應(yīng)力進行估計，也是一個特別耗費時間的事情，所以往往只對部分主要器件做降額設(shè)計，帶來的問題是有些沒有做降額設(shè)計的器件存在牢靠性隱患。 針對上面兩個傳統(tǒng)降額設(shè)計的問題，在新的降額設(shè)計中引入了電路仿真來解決。電路仿真可以精確分析電路中的各個器件的瞬態(tài)電應(yīng)力和器件的結(jié)溫，同時在仿真軟件中設(shè)置器件的降額系數(shù)，干脆輸出全部器件的應(yīng)力分析和降額狀況。大大提高了降額設(shè)計的精確性和效率。 現(xiàn)在很多電路仿真軟件在分析精確性、效率以與運用的便利性方面都有了很大的提高，在國外硬件設(shè)計人員都已經(jīng)大規(guī)模運用，國外電子企業(yè)也將仿真作為一種特別重要的技術(shù)手段。例如仿真軟件PSPICE在10.0版本中新增加的SMOKE高級分析方法，就是一種用于分析器件功耗、因器件結(jié)溫上升、二次擊穿、電源電壓波動、電流過載引起器件過應(yīng)力的仿真方法；它常應(yīng)用在電路功能驗證之后，容差分析、優(yōu)化設(shè)計之前，作為電路降額設(shè)計審查的最佳方法。 運用SMOKE仿真分析方法，可以得到以下結(jié)果： ?器件兩極間的擊穿電壓 ?器件運用的最大電流 ?各元件的功耗 ?器件的二次擊穿電壓 ?器件結(jié)溫等參數(shù)值 若器件在過應(yīng)力下長時間運行，會導(dǎo)致電路永久失效。SMOKE仿真分析方法采納最大工作條件方法（MOCs），通過考慮器件降額因子，對運用器件參數(shù)進行分析，審查器件參數(shù)是否過應(yīng)力運用。輸出結(jié)果可以用參數(shù)的最大值、有效值、平均值方式表示，同時顯示出器件過應(yīng)力參數(shù)的狀況，從而審查器件的降額狀況。 仿真在降額設(shè)計中的工作流程 仿真在降額中的應(yīng)用，一般是在瞬態(tài)仿真之后，再進行針對器件電應(yīng)力的仿真分析，而且這個過程一般要持續(xù)多次，才能得到滿足的結(jié)果。其一般流程如下圖1。 結(jié)論 仿真技術(shù)目前在我國的電子硬件設(shè)計中應(yīng)用還不是很廣泛，降額設(shè)計等電子牢靠性工程技術(shù)也應(yīng)用很少，這是造成產(chǎn)品牢靠性差的根本緣由。同時一些老的牢靠性技術(shù)運用效率低也是阻礙牢靠性工程開展的重要緣由。我們將最新的電路仿真技術(shù)和傳統(tǒng)的降額設(shè)計綜合應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中，經(jīng)過大量的實踐，不斷改進完善，取得了特別好的效果，大大提高了開發(fā)效率和牢靠性設(shè)計的覆蓋率，降低了硬件設(shè)計的改版次數(shù)，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)直通率，也降低了產(chǎn)品的返修率。信任這種新的電子牢靠性工程技術(shù)將幫助廣闊的設(shè)計工程師提高技術(shù)水平，開發(fā)出高牢靠性的電子產(chǎn)品，增加產(chǎn)品的競爭力。 參考文獻： [1]寧汝新，等.CAD/CAM技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005． [2]蔡漢明，等.機械CAD/CAM技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003. [3]寧汝新，徐弘山.機械制造中的CAD/CAM技術(shù)[M].北京：北京理工高校出版社，1993. [4]趙良才.計算機協(xié)助工藝設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994. [5]孔慶復(fù)編著.計算與協(xié)助設(shè)計與制造[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)高校出版社，1994. [6]趙汝嘉.CAD/CAM在機械工業(yè)中的應(yīng)用[M].西安：西安交通高校出版社，1993. [7] 李駿. 六大機械CAD/CAM/CAE軟件公司產(chǎn)品簡介[J]. 電腦學習, 2000,(04) . [8] 王自勤. 計算機協(xié)助工程(CAE)技術(shù)與其應(yīng)用[J]. 貴州工業(yè)高校學報(自然科學版), 2001,(04) . [9] 謝友柏. 在互聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)合作設(shè)計[J]. 航空制造技術(shù), 2001,(02) . [10] 王有智. CAE技術(shù)的過去、現(xiàn)在與將來[J]. 計算機協(xié)助設(shè)計與制造, 1998,(12) . [11] 王華倩. 大型通用有限元分析軟件──ANSYS[J]. 計算機協(xié)助設(shè)計與制造, 1998,(12) . [12] I-DEAS軟件CAE功能簡介[J]. 計算機協(xié)助設(shè)計與制造, 1998,(12) .