設計分析一體化——新的產品開發手段

產品開發過程瓶頸 - 原型機開發及測試

新產品投入生產之前，需要進行原型機測試，以確保產品的性能符合客戶的要求。某些測試只需要簡單的物理 樣機，而其它測試（例如結構完整性測試）可能需要功能齊全的物理原型機。功能齊全的原型機比較昂貴，需要較 長的制造時間，并會延長產品開發周期。尤其在需要許多原型機時更是如此。原型機測試通常會發現一些設計上的 問題，這就要求重新制造原型機并進行測試以檢查修改后的設計。通常，在產品設計最終定型之前，需要經歷數次 成本高昂的設計－原型機迭代。

隨著二十世紀九十年代信息技術的高速發展,產品開發過程從原型機制造－測試過程發展成為一種全新的產 品開發方法，即借助計算機輔助設計(CAD) 技術來開發產品。工程師開始使用有限單元方法（通常稱為有限單元分 析(FEA)）來分析目標設計的計算機模型，從而節省了制造和測試原型機所需的費用和時間。利用FEA，工程師可以 在各種強度下仿真設計模型的反應，并使用這些結果來改進設計性能，最大程度地減少對物理原型機的需求。

什么是設計分析？

用最簡單的話來說，設計分析是一種用于在計算機上模擬物理行為的強大的軟件技術。它會壞嗎？它會變形嗎？它會不會變得過熱？對于這些類型的問題，設計分析能夠給出明確的答案。工程師不需要制造原型機并精心制 訂測試計劃來分析產品的物理行為，只需在計算機上快速而精確地獲得這些信息。由于設計分析可以最大限度地減 少甚至避免對物理原型機和測試的需要，因此，在過去的十年中，這種技術已成為主流技術，在制造業作為一種重要的產品開發工具使用，并且幾乎應用于所有工程領域。

紅色區域表示潛在的故障 機械工程領域最常用的設計分析應用程序是應力分析。工程師通過對某個零件的應力（包括結構應力和熱應 力）進行研究，確定它是否會出現故障以及是否需要對設計進行修改以避免這些潛在問題的發生。設計分析還用于 確定零件變形的可能性、零件和裝配體的共振頻率和振動模式、動力特性和地震反應、接觸應力、溫度分布等等。 同時，設計分析還可用于分析流體：流體在管道中是氣體還是液體、引擎進氣管的空氣和燃料的混合情況，以及熔 融塑料在模具中的填充情況。設計分析真正的作用在于能夠在不制造任何物件的情況下精確地執行這些類型的研究中的任一種。所需的只是一個由計算機輔助設計軟件(CAD)產生的數字模型。

設計分析一體化

早期的設計分析軟件包是相互獨立且專業程度非常高的應用程序,與計算機輔助設計軟件并不相連。自二十世紀九十年代中期起，隨著以下重大技術的發展，行業主流開始從物理原型機轉變為三維設計分析：

- 三維實體建模軟件變得更強大、價格更低廉、更易于使用；
- 設計分析軟件更強大、價格更低廉，更易于非專業人士使用；
- Microsoft? Windows? 操作系統使用戶在PC上使用CAD和分析應用程序成為可能；
- 計算機硬件性能更加強大、穩定，價格更低廉。


今天，臺式機達到了二十世紀八十年代大型機的計算能力，價格卻只是大型機的零頭。高級設計分析工具的 發展，使得制造商可以充分利用價格適中的計算能力以及主流設計分析的優勢。強大的組合利用3D 實體建模和設計分析軟件結合所產生的強大功能，工程師現在可以在計算機中測試設計，而不需要對設計進行原型機－測試迭代。 CAD 模型變成了虛擬的原型機，并且分析設計已經替代了物理測試，實現了更快、成本更低廉、效果更佳的產品開 發。這樣，產品更具創新性，更可靠，更適合市場需要。