计算机辅助工程概述

计算机辅助工程概述机械设计制造及其自动化章毅100080201002摘要：随着计算机技术及应用的迅速发展，特别是大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现，使计算机图形学、计算机辅助设计与计算机辅助制造等新技术得以十分迅猛的发展。本文主要介绍计算机辅助工程分析（CAE）的主要内容，还绍了如何将仿真分析方法应用到电子可靠性工程中的一种新方法，电路仿真可以准确分析电路中的各个器件的瞬态电应力和器件的结温，同时在仿真软件中设置器件的降额系数，直接输出所有器件的应力分析和降额情况。大大提高了降额设计的准确性和效率，对降额技术是一个提高，对硬件工程师是一种新的可靠性设计技术，对产品的可靠性设计是一种新的手段。关键字：计算机技术；CAE；有限元方分析；软件；仿真；1.概念计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering，CAE）技术的提出就是要把工程（生产）的各个环节有机地组织起来，其关键就是将有关的信息集成，使其产生并存在于工程（产品）的整个生命周期。因此，CAE系统是一个包括了相关人员、技术、经营管理及信息流和物流的有机集成且优化运行的复杂的系统。2.国内外技术现状2.1我国CAE技术现状随着我国科学技术现代化水平的提高，计算机辅助工程技术也在我国蓬勃发展起来。科技界和政府的主管部门已经认识到计算机辅助工程技术对提高我国科技水平，增强我国企业的市场竞争能力乃至整个国家的经济建设都具有重要意义。近年来，我国的CAE技术研究开发和推广应用在许多行业和领域已取得了一定的成绩。但从总体来看，研究和应用的水平还不能说很高，某些方面与发达国家相比仍存在不小的差距。从行业和地区分布方面来看，发展也还很不平衡。目前，ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析软件已经引进我国，在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用，而且我们在某些领域的应用水平并不低。不少大型工程项目也采用了这类软件进行分析。我国已经拥有一批科技人员在从事CAE技术的研究和应用，取得了不少研究成果和应用经验，使我们在CAE技术方面紧跟住现代科学技术的发展。但是，这些研究和应用的领域以及分布的行业和地区还很有限，现在还主要局限于少数具有较强经济实力的大型企业、部分大学和研究机构。我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了CAE技术的发展。在CAE分析软件开发方面，我国目前至少落后于美国等发达国家十年。计算机软件是高技术和高附加值的商品，目前的国际市场为美国等发达国家所垄断。仅以有限元计算分析软件为例，目前的世界年市场份额达5亿美元，并且以每年15%的速度递增。相比之下，我国自己民族的软件工业还非常弱小，仅占有很少量的市场份额。作为一个国家，一个民族不能长期依赖于引进外国的技术和产品，因此我们必须加大力度开发自己的计算机分析软件，只有这样才能改变在技术上和经济上受制于人的局面。我国的工业界在CAE技术的应用方面与发达国家相比水平还比较低。大多数的工业企业对CAE技术还处于初步的认同阶段，CAE技术的工业化应用还有相当的难度。这是因为，一方面我们缺少自己开发的具有自主知识产权的计算机分析软件，另一方面大量缺乏掌握CAE技术的科技人员。对于计算机分析软件问题，目前虽然可以通过技术引进以解燃眉之急，但是，国外的这类分析软件的价格一般都相当贵，国内不可能有很多企业购买这类软件来使用。而人才的培养则需要一个长期的过程，这将是对我国CAE技术的推广应用产生严重影响的一个制约因素，而且很难在短期内有明显的改观。提高我国工业企业的科学技术水平，将CAE技术广泛应用于设计与制造过程还是一项相当艰巨的工作。2.2国外技术概况计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计算机仿真分析。一方面，CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答；另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用，同时CAE这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。在影响计算机辅助工程技术发展的诸多因素中，人才、计算机硬件和分析软件是三个最主要的方面。现代计算机技术的飞速发展，已经为CAE技术奠定了良好的硬件基础。多年来，重视CAE技术人才的培养和分析软件的开发和推广应用，发达国家不仅在科技界而且在工程界已经具有一支较强的掌握CAE技术的人才队伍，同时在分析软件的开发和应用方面也达到了较高水平。美国于1998年成立了工程计算机模拟和仿真学会(ComputerModelingandSimulationinEngineering)，其它国家也成立了类似的学术组织。各国都在投入大量的人力和物力，加快人才的培养。正是各行业中大批掌握CAE技术的科技队伍推动了CAE技术的研究和工业化应用，CAE技术在国外已经广泛应用于不同领域的科学研究，并普遍应用于实际工程问题，在解决许多复杂的工程分析方面发挥了重要作用。国外对CAE技术的开发和应用真正得到高速的发展和普遍应用则是近年来的事。这一方面主要得益于计算机在高速化和小型化方面取得的成就，另一方面则有赖于通用分析软件的推出和完善。早期的CAE分析软件一般都是基于大型计算机和工作站开发的，近年来PC机性能的提高，使采用PC机进行分析成为可能，促使许多CAE软件被移植到PC机上应用。这显然对CAE技术的推广应用极为有利。衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目前，一些发达国家在这方面已达到了较高的水平，仅以有限元分析软件为例，国际上不少先进的大型通用有限元计算分析软件的开发已达到较成熟的阶段并已商品化，如ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。这些软件具有良好的前后处理界面，静态和动态过程分析以及线性和非线性分析等多种强大的功能，都通过了各种不同行业的大量实际算例的反复验证，其解决复杂问题的能力和效率，已得到学术界和工程界的公认。在北美、欧洲和亚洲一些国家的机械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽车、电气工业设计等许多领域中得到了广泛的应用。就CAE技术的工业化应用而言，西方发达国家目前已经达到了实用化阶段。通过CAE与CAD、CAM等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样性、复杂性、可*性、经济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞争能力。在许多行业中，计算机辅助分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施。如，以国外某大汽车公司为例，绝大多数的汽车零部件设计都必须经过多方面的计算机仿真分析，否则根本通不过设计审查，更谈不上试制和投入生产。计算机数值模拟现在已不仅仅作为科学研究的一种手段，在生产实践中也已作为必备工具普遍应用。3.计算机辅助工程的内容计算机辅助工程是指计算机在现代生产领域，特别是生产制造业中的应用，主要包括计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机集成制造系统等内容。计算机辅助设计（CAD）在如今的工业制造领域，设计人员可以在计算机的帮助下绘制各种类型的工程图纸，并在显示器上看到动态的三维立体图后，直接修改设计图稿，极大地提高了绘图的质量和效率。此外，设计人员还可以通过工程分析和模拟测试等方法，利用计算机进行逻辑模拟，从而代替产品的测试模型（样机），降低产品试制成本，缩短产品设计周期。目前，CAD技术已经广泛应用于机械、电子、航空、船舶、汽车、纺织、服装、化工以及建筑等行业，成为现代计算机应用中最为活跃的技术领域。计算机辅助制造（CAM）这是一种利用计算机控制设备完成产品制造的技术。例如，20世纪50年代出现的数控机床便是在CAM技术的指导下，将专用计算机和机床相结合后的产物。借助CAM技术，在生产零件时只需使用编程语言对工件的形状和设备的运行进行描述后，便可以通过计算机生成包含加工参数（如走刀速度和切削深度）的数控加工程序，并以此来代替人工控制机床的操作。这样不仅提高产品质量和效率，还降低生产难度，在批量小、品种多、零件形状复杂的飞机、轮船等制造业中备受欢迎。计算机集成制造系统（CIMS）CIMS是集设计、制造、管理三大功能于一体的现代化工厂生产系统，具有生产效率高、生产周期短等特点，是20世纪制造工业的主要生产模式。在现代化的企业管理中，CIMS的目标是将企业内部所有环节和各个层次的人员全都用计算机网络连接起来，形成一个能够协调统一和高速运行的制造系统。计算机辅助工程的用途CAE技术是将工程的各个环节有机地组织起来，应用计算机技术、现代管理技术、信息科学技术等科学技术的成功结合，实现全过程的科学化、信息化管理，以取得良好的经济效益和优良的工程质量。CAE的功能结构应包含计算机辅助工程计划管理、计算机辅助工程设计、计算机辅助工程施工管理及工程文档管理等项。计算机辅助工程计划管理包括工程项目的可行性论证、标书、成本与报价、工程计划进度、各子项工程计划与进度、预决算报告等。计算机辅助工程设计包括工程的设计指标、工程设计的有关参数及CAD系统，在CAD系统中应强调设计人员的主导作用，同时注重计算机所提供的支撑与帮助，以在最短的时间内拿出最优的设计方案来。同时，还要注意设计数据的提取和保存，以使其有效地服务于工程的整个生命周期。计算机辅助施工管理包括工程进度、工程质量、施工安全、施工现场、施工人员、物料供给等方面的管理、控制和调度。它涉及到工程管理学、运筹学、统计学、质量控制等科学技术。当然，管理人员的自身素质是管理工作中的决定因素，必须十分重视管理人员在管理环节中的作用。CAE技术可广泛地应用于国民经济的许多领域，像各种工业建设项目，例如工厂的建设，公路、铁路、桥梁和隧道的建设；像大型工程项目，例如电站、水坝、水库、船台的建造，船舶及港口的建造和民用建筑等。它还可应用于企业生产过程之中，及其它的企业经营、管理控制过程中，例如工厂的生产过程、公司的商业活动等。仿真技术在降额设计中的应用降额设计是一种比较传统的可靠性设计技术。以前做降额设计时，先估计器件上的电压、电流和功率等各种电应力，然后查找器件降额表，确定应力降额系数。目前已经有各种器件降额标准，提供器件降额系数。硬件设计人员需要做的是先做器件各种电应力的估计，这种估计电应力的方法往往取决于个人经验，而且往往也只能估计器件上的静态电应力，无法准确估计器件的瞬态应力，可以说是一种“静态”的方法。器件的瞬态电应力往往要大于静态电应力，甚至会大很多，而且根据我们的失效分析经验，器件失效的主要原因是瞬态的过电应力(EOS)。同时对原理图中各个器件的多个电应力进行估计，也是一个非常耗费时间的事情，所以往往只对部分主要器件做降额设计，带来的问题是有些没有做降额设计的器件存在可靠性隐患。针对上面两个传统降额设计的问题，在新的降额设计中引入了电路仿真来解决。电路仿真可以准确分析电路中的各个器件的瞬态电应力和器件的结温，同时在仿真软件中设置器件的降额系数，直接输出所有器件的应力分析和降额情况。大大提高了降额设计的准确性和效率。现在很多电路仿真软件在分析准确性、效率以及使用的方便性方面都有了很大的提高，在国外硬件设计人员都已经大规模使用，国外电子企业也将仿真作为一种非常重要的技术手段。例如仿真软件PSPICE在10.0版本中新增加的SMOKE高级分析方法，就是一种用于分析器件功耗、因器件结温上升、二次击穿、电源电压波动、电流过载引起器件过应力的仿真方法；它常应用在电路功能验证之后，容差分析、优化设计之前，作为电路降额设计审查的最佳方法。使用SMOKE仿真分析方法，可以得到以下结果：♦器件两极间的击穿电压♦器件使用的最大电流♦各元件的功耗♦器件的二次击穿电压♦器件结温等参数值若器件在过应力下长时间运行，会导致电路永久失效。SMOKE仿真分析方法采用最大工作条件方法（MOCs），通过考虑器件降额因子，对使用器件参数进行分析，审查器件参数是否过应力使用。输出结果可以用参数的最大值、有