計(jì)算機(jī)輔助工程概述

1、計(jì)算機(jī)輔助工程概述機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化章摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用的迅速發(fā)展，特別是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造等新技術(shù)得以十分迅猛的發(fā)展。本文主要介紹計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE的主要內(nèi)容,還紹了如何將仿真分析方法應(yīng)用到電子可靠性工程中的一種新方法，電路仿真可以準(zhǔn)確分析電路中的各個(gè)器件的瞬態(tài)電應(yīng)力和器件的結(jié)溫，同時(shí)在仿真軟件中設(shè)置器件的降額系數(shù)，直接輸出所有器件的應(yīng)力分析和降額情況。大大提高了降額設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率，對(duì)降額技術(shù)是一個(gè)提高，對(duì)硬件工程師是一種新的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)是一種新的手段。關(guān)鍵字：計(jì)算機(jī)技術(shù)；C

2、AE有限元方分析；軟件；仿真；.概念計(jì)算機(jī)輔助工程（ComputerAidedEngineering,CAE技術(shù)的提出就是要把工程（生產(chǎn)）的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)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(gè)生命周期。因此，CAES統(tǒng)是一個(gè)包括了相關(guān)人員、技術(shù)、經(jīng)營管理及信息流和物流的有機(jī)集成且優(yōu)化運(yùn)行的復(fù)雜的系統(tǒng)。.國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀我國CAE技術(shù)現(xiàn)狀隨著我國科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化水平的提高，計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)也在我國蓬勃發(fā)展起來?？萍冀绾驼闹鞴懿块T已經(jīng)認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)對(duì)提高我國科技水平，增強(qiáng)我國企業(yè)的市場競爭能力乃至整個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)都具有重要意義。近年來，我國的CAE技

3、術(shù)研究開發(fā)和推廣應(yīng)用在許多行業(yè)和領(lǐng)域已取得了一定的成績。但從總體來看，研究和應(yīng)用的水平還不能說很高，某些方面與發(fā)達(dá)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，ABAQUSANSYSNASTRAN?大型通用有限元分析軟件已經(jīng)引進(jìn)我國，在汽車、航空、機(jī)械、材料等許多行業(yè)得到了應(yīng)用，而且我們?cè)谀承╊I(lǐng)域的應(yīng)用水平并不低。不少大型工程項(xiàng)目也采用了這類軟件進(jìn)行分析。我國已經(jīng)擁有一批科技人員在從事CAE技術(shù)的研究和應(yīng)用，取得了不少研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，使我們?cè)贑AE技術(shù)方面緊跟住現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。但是，這些研究和應(yīng)用的領(lǐng)域以及分布的行業(yè)和地區(qū)還很有限，現(xiàn)在還主要局限于少數(shù)具有

4、較強(qiáng)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的大型企業(yè)、部分大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)。我國的計(jì)算機(jī)分析軟件開發(fā)是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重地制約了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(dá)國家十年。計(jì)算機(jī)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(dá)國家所壟斷。僅以有限元計(jì)算分析軟件為例，目前的世界年市場份額達(dá)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)還非常弱小，僅占有很少量的市場份額。作為一個(gè)國家，一個(gè)民族不能長期依賴于引進(jìn)外國的技術(shù)和產(chǎn)品，因此我們必須加大力度開發(fā)自己的計(jì)算機(jī)分析軟件，只有這樣才能改變?cè)诩夹g(shù)上和經(jīng)濟(jì)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(dá)

5、國家相比水平還比較低。大多數(shù)的工業(yè)企業(yè)對(duì)CAE技術(shù)還處于初步的認(rèn)同階段，CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)碾y度。這是因?yàn)?，一方面我們?nèi)鄙僮约洪_發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的計(jì)算機(jī)分析軟件，另一方面大量缺乏掌握CAE技術(shù)的科技人員。對(duì)于計(jì)算機(jī)分析軟件問題，目前雖然可以通過技術(shù)引進(jìn)以解燃眉之急，但是，國外的這類分析軟件的價(jià)格一般都相當(dāng)貴，國內(nèi)不可能有很多企業(yè)購買這類軟件來使用。而人才的培養(yǎng)則需要一個(gè)長期的過程，這將是對(duì)我國CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用產(chǎn)生嚴(yán)重影響的一個(gè)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(xué)技術(shù)水平，將CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)與制造過程還是一項(xiàng)相當(dāng)艱巨的工作。國外技術(shù)概況計(jì)算機(jī)

6、輔助工程的特點(diǎn)是以工程和科學(xué)問題為背景，建立計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。一方面，CAE技術(shù)的應(yīng)用，使許多過去受條件限制無法分析的復(fù)雜問題，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到滿意的解答；另一方面，計(jì)算機(jī)輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化，使復(fù)雜的過程層次化，節(jié)省了大量的時(shí)間，避免了低水平重復(fù)的工作，使工程分析更快、更準(zhǔn)確。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用，同時(shí)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(dòng)了許多相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的進(jìn)步。在影響計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)發(fā)展的諸多因素中，人才、計(jì)算機(jī)硬件和分析軟件是三個(gè)最主要的方面。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)

7、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)人才的培養(yǎng)和分析軟件的開發(fā)和推廣應(yīng)用，發(fā)達(dá)國家不僅在科技界而且在工程界已經(jīng)具有一支較強(qiáng)的掌握CAE技術(shù)的人才隊(duì)伍，同時(shí)在分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用方面也達(dá)到了較高水平。美國于1998年成立了工程計(jì)算機(jī)模擬和仿真學(xué)會(huì)(ComputerModelingandSimulationinEngineering),其它國家也成立了類似的學(xué)術(shù)組織。各國都在投入大量的人力和物力，加快人才的培養(yǎng)。正是各行業(yè)中大批學(xué)握CAE技術(shù)的科技隊(duì)伍推動(dòng)了CAE技術(shù)的研究和工業(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(xué)研究，并普遍應(yīng)用于實(shí)際工程問題，在解決許多復(fù)雜的

8、工程分析方面發(fā)揮了重要作用。國外對(duì)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)和工作站開發(fā)的，近年來PC機(jī)性能的提高，使采用PC機(jī)進(jìn)行分析成為可能，促使許多CAE軟件被移植到PC機(jī)上應(yīng)用。這顯然對(duì)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(biāo)志之一是分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用。目前，一些發(fā)達(dá)國家在這方面已達(dá)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(jìn)的大型通用有限元計(jì)算分析軟件的開發(fā)已達(dá)到較成熟的階段并已商品化，如ABA

9、QUSANSYSNASTRA矯。這些軟件具有良好的前后處理界面，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過程分析以及線性和非線性分析等多種強(qiáng)大的功能，都通過了各種不同行業(yè)的大量實(shí)際算例的反復(fù)驗(yàn)證，其解決復(fù)雜問題的能力和效率，已得到學(xué)術(shù)界和工程界的公認(rèn)。在北美、歐洲和亞洲一些國家的機(jī)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(jì)等許多領(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(dá)國家目前已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用化階段。通過CAE與CADCAM等技術(shù)的結(jié)合，使企業(yè)能對(duì)現(xiàn)代市場產(chǎn)品的多樣性、復(fù)雜性、可*性、經(jīng)濟(jì)性等做出迅速反應(yīng)，增強(qiáng)了企業(yè)的市場競爭能力。在許多行業(yè)中，計(jì)算機(jī)輔助分析已經(jīng)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造流

10、程中不可逾越的一種強(qiáng)制性的工藝規(guī)范加以實(shí)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(jì)都必須經(jīng)過多方面的計(jì)算機(jī)仿真分析，否則根本通不過設(shè)計(jì)審查，更談不上試制和投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬現(xiàn)在已不僅僅作為科學(xué)研究的一種手段，在生產(chǎn)實(shí)踐中也已作為必備工具普遍應(yīng)用。.計(jì)算機(jī)輔助工程的內(nèi)容計(jì)算機(jī)輔助工程是指計(jì)算機(jī)在現(xiàn)代生產(chǎn)領(lǐng)域，特別是生產(chǎn)制造業(yè)中的應(yīng)用，主要包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等內(nèi)容。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD在如今的工業(yè)制造領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員可以在計(jì)算機(jī)的幫助下繪制各種類型的工程圖紙，并在顯示器上看到動(dòng)態(tài)的三維立體圖后，直接修改設(shè)計(jì)圖稿，極大地提高了繪圖的質(zhì)量和效率。

11、止匕外，設(shè)計(jì)人員還可以通過工程分析和模擬測試等方法，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行邏輯模擬，從而代替產(chǎn)品的測試模型（樣機(jī)），降低產(chǎn)品試制成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。目前，CAD技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空、船舶、汽車、紡織、服裝、化工以及建筑等行業(yè)，成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用中最為活躍的技術(shù)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM這是一種利用計(jì)算機(jī)控制設(shè)備完成產(chǎn)品制造的技術(shù)。例如，20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的數(shù)控機(jī)床便是在CAM技術(shù)的指導(dǎo)下，將專用計(jì)算機(jī)和機(jī)床相結(jié)合后的產(chǎn)物。借助CAMK術(shù)，在生產(chǎn)零件時(shí)只需使用編程語言對(duì)工件的形狀和設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行描述后，便可以通過計(jì)算機(jī)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

12、代替人工控制機(jī)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、零件形狀復(fù)雜的飛機(jī)、輪船等制造業(yè)中備受歡迎。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）CIMS是集設(shè)計(jì)、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(diǎn)，是20世紀(jì)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(biāo)是將企業(yè)內(nèi)部所有環(huán)節(jié)和各個(gè)層次的人員全都用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接起來，形成一個(gè)能夠協(xié)調(diào)統(tǒng)一和高速運(yùn)行的制造系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)輔助工程的用途CAEK術(shù)是將工程的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)地組織起來，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)、信息科學(xué)技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的成功結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全過程的科學(xué)化、信息化管理，以取得良

13、好的經(jīng)濟(jì)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(jì)算機(jī)輔助工程計(jì)劃管理、計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程施工管理及工程文檔管理等項(xiàng)。計(jì)算機(jī)輔助工程計(jì)劃管理包括工程項(xiàng)目的可行性論證、標(biāo)書、成本與報(bào)價(jià)、工程計(jì)劃進(jìn)度、各子項(xiàng)工程計(jì)劃與進(jìn)度、預(yù)決算報(bào)告等。計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)包括工程的設(shè)計(jì)指標(biāo)、工程設(shè)計(jì)的有關(guān)參數(shù)及CAD系統(tǒng)，在CAD系統(tǒng)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)人員的主導(dǎo)作用，同時(shí)注重計(jì)算機(jī)所提供的支撐與幫助，以在最短的時(shí)間內(nèi)拿出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案來。同時(shí)，還要注意設(shè)計(jì)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(gè)生命周期。計(jì)算機(jī)輔助施工管理包括工程進(jìn)度、工程質(zhì)量、施工安全、施工現(xiàn)場、施工人員、物料供給等方面的管

14、理、控制和調(diào)度。它涉及到工程管理學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、質(zhì)量控制等科學(xué)技術(shù)。當(dāng)然，管理人員的自身素質(zhì)是管理工作中的決定因素，必須十分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(jì)的許多領(lǐng)域，像各種工業(yè)建設(shè)項(xiàng)目，例如工廠的建設(shè)，公路、鐵路、橋梁和隧道的建設(shè)；像大型工程項(xiàng)目，例如電站、水壩、水庫、船臺(tái)的建造，船舶及港口的建造和民用建筑等。它還可應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)過程之中，及其它的企業(yè)經(jīng)營、管理控制過程中，例如工廠的生產(chǎn)過程、公司的商業(yè)活動(dòng)等。仿真技術(shù)在降額設(shè)計(jì)中的應(yīng)用降額設(shè)計(jì)是一種比較傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)。以前做降額設(shè)計(jì)時(shí)，先估計(jì)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，

15、確定應(yīng)力降額系數(shù)。目前已經(jīng)有各種器件降額標(biāo)準(zhǔn)，提供器件降額系數(shù)。硬件設(shè)計(jì)人員需要做的是先做器件各種電應(yīng)力的估計(jì)，這種估計(jì)電應(yīng)力的方法往往取決于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，而且往往也只能估計(jì)器件上的靜態(tài)電應(yīng)力，無法準(zhǔn)確估計(jì)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?xí)蠛芏?，而且根?jù)我們的失效分析經(jīng)驗(yàn)，器件失效的主要原因是瞬態(tài)的過電應(yīng)力(EOS)。同時(shí)對(duì)原理圖中各個(gè)器件的多個(gè)電應(yīng)力進(jìn)行估計(jì)，也是一個(gè)非常耗費(fèi)時(shí)間的事情，所以往往只對(duì)部分主要器件做降額設(shè)計(jì)，帶來的問題是有些沒有做降額設(shè)計(jì)的器件存在可靠性隱患。針對(duì)上面兩個(gè)傳統(tǒng)降額設(shè)計(jì)的問題，在新的降額設(shè)計(jì)中引入了電路仿真來解決

16、。電路仿真可以準(zhǔn)確分析電路中的各個(gè)器件的瞬態(tài)電應(yīng)力和器件的結(jié)溫，同時(shí)在仿真軟件中設(shè)置器件的降額系數(shù)，直接輸出所有器件的應(yīng)力分析和降額情況。大大提高了降額設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率?，F(xiàn)在很多電路仿真軟件在分析準(zhǔn)確性、效率以及使用的方便性方面都有了很大的提高，在國外硬件設(shè)計(jì)人員都已經(jīng)大規(guī)模使用，國外電子企業(yè)也將仿真作為一種非常重要的技術(shù)手段。例如仿真軟件PSPICE&版本中新增加的SMOK高級(jí)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(dòng)、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(yàn)證之后，容差分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，作為電路降額設(shè)計(jì)審查的最佳方法。使用SMOKE真分析方

17、法，可以得到以下結(jié)果：?器件兩極間的擊穿電壓?器件使用的最大電流?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(shí)間運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致電路永久失效。SMOKE真分析方法采用最大工作條件方法(MOCS,通過考慮器件降額因子，對(duì)使用器件參數(shù)進(jìn)行分析，審查器件參數(shù)是否過應(yīng)力使用。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(shí)顯示出器件過應(yīng)力參數(shù)的情況，從而審查器件的降額情況。仿真在降額設(shè)計(jì)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(jìn)行針對(duì)器件電應(yīng)力的仿真分析，而且這個(gè)過程一般要持續(xù)多次，才能得到滿意的結(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)

18、計(jì)中應(yīng)用還不是很廣泛，降額設(shè)計(jì)等電子可靠性工程技術(shù)也應(yīng)用很少，這是造成產(chǎn)品可靠性差的根本原因。同時(shí)一些老的可靠性技術(shù)使用效率低也是阻礙可靠性工程開展的重要原因。我們將最新的電路仿真技術(shù)和傳統(tǒng)的降額設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，經(jīng)過大量的實(shí)踐，不斷改進(jìn)完善，取得了非常好的效果，大大提高了開發(fā)效率和可靠性設(shè)計(jì)的覆蓋率，降低了硬件設(shè)計(jì)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。相信這種新的電子可靠性工程技術(shù)將幫助廣大的設(shè)計(jì)工程師提高技術(shù)水平，開發(fā)出高可靠性的電子產(chǎn)品，增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力。參考文獻(xiàn)：1寧汝新，等.CAD/CAMK術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.2蔡漢明，等.機(jī)械CAD/CA眼術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.3寧汝新，徐弘山.機(jī)械制造中的CAD/CA極術(shù)M.北京：北京理工大學(xué)出版社，1993.4趙良才.計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.5孔慶復(fù)編著.計(jì)算及輔助設(shè)計(jì)與制造M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1994.6趙