计算机辅助工程概述讲课教案

1、文档编码 : CC2Z7T6A7F2 HG1U10Z3Z3F9 ZJ9H1Q8U10Y2计 算 机 辅 助 工 程 概 述精品文档运算机帮忙工程概述机械设计制造及其自动化章毅 100080202202 摘要 ：随着运算机技术及应用的快速进展,特殊是大规模、超大规模集成电路和微型运算机的显现,使运算机图形学、运算机帮忙设计与运算机帮忙制造等新技术得以特殊迅猛的进展；本文主要介绍运算机帮忙工程分析（CAE）的主要内容,仍 绍了如何将仿真分析方法应用到电子牢靠性工程中的一种新方法,电路仿真可以精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,直接输出全部器件的应

2、力分析和降额情形；大大提高了降额设计的精确性和效率,对降额技术是一个提高,对硬件工程师 是一种新的牢靠性设计技术,对产品的牢靠性设计是一种新的手段；关键字：运算机 技术 ；CAE；有限元方 分析；软件；仿真；1. 概念运算机帮忙工程（ Computer Aided Engineering,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、经营治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

3、平的提高,运算机帮忙工程技术也在我国蓬 勃进展起来；科技界和政府的主管部门已经熟识到运算机帮忙工程技术对提 高我国科技水平,增强我国企业的市场竞争才能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技术争论开发和推广应用在许多行业和领域已取得了确定的成果；但从总体来看,争论和应用的水平仍不能说很 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,进展也仍很不平稳；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接受了这类

4、软件进行分析；我国已经拥有一批科技人员在从事CAE技术的争论和应用,取得了不少争论成果和应用体会,使我们在 CAE技术方面紧跟住现代科学技术的进展；但是,收集于网络,如有侵权请联系治理员删除精品文档这些争论和应用的领域以及分布的行业和地区仍很有限,现在仍主要局限于少数具有较强经济实力的大型企业、部分高校和争论机构；我国的运算机分析软件开发是一个薄弱环节,严肃地制约了 CAE技术的进展；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；运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；仅以有限元运算分析软件为例,目前的世界年市场份额达 5亿美元,并且以每年

5、 15%的速度递增；相比之下,我国自己民族的软件工业仍特殊弱小,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,因此我们必需加大力度开发自己的运算机分析软件,只有这样才能转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仍比较低；大多数的工业企业对 CAE技术仍处于初步的认同阶段,CAE技术的工业化应用仍有相当的难度；这是由于,一方面我们缺少自己开发的具有自主学问产权的运算机分析软件,另一方面大量缺乏把握CAE技术的科技人员；对于运算机分析软件问题,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

6、般都相当贵,国内不行能有许多企业购买这类软件来 使用；而人才的培养就需要一个长期的过程,这将是对我国 CAE技术的推广 应用产生严肃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 一项相当艰巨的工作；2.2 国外技术概况CAE技术广泛应用于设计与制造过程仍是运算机帮忙工程的特点是以工程和科学问题为背景,建立运算模型并进行运算机仿真分析；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,通过运算机数值模拟得到中意的解答；另一方面,运算机 帮忙分析使大量纷杂的工程分析问题简洁化,使复杂的过程层次化,节省了 大量的时间,防止了低水平重复的工作,使

7、工程分析更快、更精确；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进展,技术的进展又推动了许多相关的 基础学科和应用科学的进步；在影响运算机帮忙工程技术进展的诸多因素中,人才、运算机硬件和分 析软件是三个最主要的方面；现代运算机技术的飞速进展,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；收集于网络,如有侵权请联系治理员删除精品文档美国于 199

8、8年成立了工程运算机模拟和仿真学会Computer Modeling and Simulation in Engineering,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；正是各行业中大批把握CAE技术的科技队伍推动了CAE技术的争论和工业化应用,CAE技术在国外已经广泛应用于不同领域的科学争论,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进展和普遍应用就是近年 来的事；这一方面主要得益于运算机在高速化和小型化方面取得的成就,另一方面就有赖于通用分析软件的推出和完善；早期的CAE分析软

9、件一般都是基于大型运算机和工作站开发的,近年来 PC机性能的提高,使接受 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；这明显对 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运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

10、的才能和效 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有用化阶 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、经济性等做出快速反应,增强了企业的市场竞争能 力；在许多行业中,运算机帮忙分析已经作为产品设计与制造流程中不行逾 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需经过多方面的运算机仿真分析,否就根本通不 过设计审查

11、,更谈不上试制和投入生产；运算机数值模拟现在已不仅仅作为 科学争论的一种手段,在生产实践中也已作为必备工具普遍应用；3. 运算机帮忙工程的内容运算机帮忙工程是指运算机在现代生产领域,特殊是生产制造业中的应用,主要包括运算机帮忙设计、运算机帮忙制造和运算机集成制造系统等内容；收集于网络,如有侵权请联系治理员删除精品文档运算机帮忙设计（CAD ）在如今的工业制造领域,设计人员可以在运算机的帮忙下绘制各种类型 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,设计人员仍可以通过工程分析和模 拟测试等方法,利用运算机进行规律模拟,从而代替产品的测试模

12、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,成为现代运算机应用中最为活跃的技术领域；运算机帮忙制造（CAM）这是一种利用运算机把握设备完成产品制造的技术；例如,20世纪 50年代显现的数控机床便是在CAM技术的指导下,将专用运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,便可以通过运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,并以此来代替人工把握机床的操作；这 样不仅提高产品质量和效率,仍降低生产难度,在批量小、品种

13、多、零件形 状复杂的飞机、轮船等制造业中备受欢迎；运算机集成制造系统（CIMS）CIMS是集设计、制造、治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；在现代化的企业治理中,CIMS的目标是将企业内部全部环节和各个层次的人员 全都用运算机网络连接起来,形成一个能够和谐统一和高速运行的制造系 统；运算机帮忙工程的用途CAE技术是将工程的各个环节有机地组织起来,应用运算机技术、现代 治理技术、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 息化治理,以取得良好的经济效益和优良的工程质量；CAE的功能结构 应包含运算机帮忙工程方案

14、治理、运算机帮忙工程设计、运算机帮忙工程施工治理及工程文档治理等项；运算机帮忙工程方案治理包括工程项目的可行性论证、标书、成本与报价、工程方案进度、各子项工程方案与进 度、预决算报告等；运算机帮忙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 时留意运算机所供应的支撑与帮忙,以在最短的时间内拿出最优的设计方案 来；同时,仍要留意设计数据的提取和储存,以使其有效地服务于工程的整 运算机帮忙施工治理包括工程进度、工程质量、施工安 个生命周期；全、施工现场、施工人员、物料供应等方面的治理、把握和调度；它涉及到收集于网络,如有侵权请联系治理

15、员删除精品文档工程治理学、运筹学、统计学、质量把握等科学技术；当然,治理人员的自身素养是治理工作中的准备因素,必需特殊重视治理人员在治理环节中的作用；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,大路、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；它仍可应用于企业生产过程之中,及其它的企业经营、治理把握过程中,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牢靠性设计技术；以前做降额设计时,先估量器 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

16、降额 系数；目前已经有各种器件降额标准,供应器件降额系数；硬件设计人员需要 做的是先做器件各种电应力的估量,这种估量电应力的方法往往取决于个人经 验,而且往往也只能估量器件上的静态电应力,无法精确估量器件的瞬态应 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,甚至会大许多,而且依据我们的失效分析体会,器件失效的主要缘由是瞬 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量,也是一个特殊耗费时间的 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 设计的器件存在牢靠性隐患；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

17、仿真来解 决；电路仿真可以精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,直接输出全部器件的应力分析和降额情 况；大大提高了降额设计的精确性和效率；现在许多电路仿真软件在分析精确性、效率以及使用的便利性方面都有了很 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 为一种特殊重要的技术手段；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

18、额设计审查的正确方法；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 如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 接受最大工作条件方法（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、有效 值、平均值方式表示,同时显示出器件过应力参数的情形,从而审查器件的降 额情形；仿真在降额设计中的工作流程收集于网络,如有侵权请联系治理员删除精品文档仿真在降额中的应用,一般是在瞬态仿真之后,再进行针对器件电

19、应力的 仿真分析,而且这个过程一般要连续多次,才能得到中意的结果；其一般流程 如下图 1；结论仿真技术目前在我国的电子硬件设计中应用仍不是很广泛,降额设计等电子 牢靠性工程技术也应用很少,这是造成产品牢靠性差的根本缘由；同时一些老 的牢靠性技术使用效率低也是阻碍牢靠性工程开展的重要缘由；我们将最新的 电路仿真技术和传统的降额设计综合应用到产品设计中,经过大量的实践,不 断改进完善,取得了特殊好的成效,大大提高了开发效率和牢靠性设计的掩盖 率,降低了硬件设计的改版次数,提高了产品生产直通率,也降低了产品的返 修率；信任这种新的电子牢靠性工程技术将帮忙广大的设计工程师提高技术水 平,开发出高牢靠性的电子产品,增强产品的竞争力；收集于网络,如有侵权请联