本文介紹了PTC 的數(shù)學(xué)分析軟件 Mathcad®相關(guān)內(nèi)容。

　　通過(guò)充分利用預(yù)測(cè)工程最大程度提高產(chǎn)品開發(fā)的速度、效率和質(zhì)量。

　　無(wú)論是與股票市場(chǎng)、天氣還是與稱為客戶行為的難以捉摸的情況打交道，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)將能毫不費(fèi)力地帶來(lái)成功。這樣說(shuō)對(duì)于 CAD 工程師和產(chǎn)品開發(fā)組織尤其正確。

　　許多 CAD 工具瞄準(zhǔn)的目標(biāo)就是：在產(chǎn)品經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和制造階段交到客戶手上之前預(yù)測(cè)產(chǎn)品的結(jié)果。用于結(jié)構(gòu)分析、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和虛擬原型設(shè)計(jì)的軟件就是這方面的例子。

　　即使是重復(fù)使用現(xiàn)有的 CAD 模型來(lái)開發(fā)新產(chǎn)品的能力也可能是重要的預(yù)測(cè)資源，因?yàn)槭褂妙A(yù)先設(shè)計(jì)的零件或平臺(tái)可幫助預(yù)測(cè)新產(chǎn)品在某些方面的行為。

產(chǎn)品開發(fā)專業(yè)人員能夠使用當(dāng)今功能強(qiáng)大的工程計(jì)算軟件(例如 PTC 的 Mathcad®)預(yù)測(cè)其 3D CAD 模型設(shè)計(jì)的外形、裝配和功能。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，CAD 設(shè)計(jì)師預(yù)測(cè)成品的裝配、觸感、功能、成本和可靠性的能力越強(qiáng)，按時(shí)和按預(yù)算交付充滿競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品的機(jī)會(huì)就越大。CAD 工程師和產(chǎn)品開發(fā)公司深諳此道。但是，他們可能未意識(shí)到的是，有一個(gè)通常被忽視的過(guò)程(即自動(dòng)執(zhí)行工程計(jì)算)與使用分析工具、虛擬原型和其他預(yù)測(cè)資源完全同樣重要。原因如下：

　　舊習(xí)慣很難改掉

　　CAD 軟件已發(fā)展到使產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)計(jì)算對(duì)于設(shè)計(jì)工程師是透明的地步。但是，CAD 設(shè)計(jì)還要求頻繁地為各種操作(從執(zhí)行單位轉(zhuǎn)換到測(cè)試概率模型)執(zhí)行特別的計(jì)算。這些重要的計(jì)算過(guò)去是、現(xiàn)在仍常常是利用計(jì)算尺或計(jì)算器手動(dòng)執(zhí)行的。

　　如果組織的產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程很簡(jiǎn)單直接，而且市場(chǎng)需求相對(duì)明顯，則手動(dòng)執(zhí)行計(jì)算仍可能可以應(yīng)付局面。但如今典型的產(chǎn)品開發(fā)公司面對(duì)著更為復(fù)雜的市場(chǎng)、更難對(duì)付和行動(dòng)速度更快的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，以及要求更高的供應(yīng)鏈、銷售渠道和客戶支持責(zé)任。新產(chǎn)品的周期已從六個(gè)月縮短到三個(gè)月;新的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手正在越來(lái)越遠(yuǎn)的地方出現(xiàn);生產(chǎn)成本不斷上升，而預(yù)算不斷收緊。因此，手動(dòng)乃至使用電子表格來(lái)執(zhí)行工程計(jì)算正變得落伍。

　　對(duì)于 CAD 設(shè)計(jì)師，自動(dòng)化執(zhí)行特別計(jì)算的過(guò)程現(xiàn)在變得必不可少，原因是，它可以自動(dòng)記錄原始設(shè)計(jì)師的特定意圖，而且其記錄形式具有可追溯、可測(cè)試以及可重復(fù)使用(這最為重要)的特點(diǎn)。此外，工程計(jì)算軟件執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算所需的時(shí)間只是傳統(tǒng)方法的一小部分。它可以節(jié)省時(shí)間并減少或阻止 CAD 設(shè)計(jì)師的錯(cuò)誤，另外還能幫助組織在更短的期限內(nèi)交付更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

　　將其投入使用

　　舉例而言，考慮這樣一位 CAD 設(shè)計(jì)師：他/ 她接到研制減震器的任務(wù)，于是從 CAD 庫(kù)中調(diào)出當(dāng)前一代的產(chǎn)品模型。由于使用了工程計(jì)算軟件，這位新設(shè)計(jì)師看到了原始設(shè)計(jì)師所做的詳細(xì)假設(shè)和決策。例如，計(jì)算可能顯示減震器原來(lái)計(jì)劃用于某種尺寸的軸，后來(lái)經(jīng)過(guò)修改以適應(yīng)另一個(gè)尺寸的軸。知道了此信息后，此設(shè)計(jì)師可以確定原始設(shè)計(jì)師必須進(jìn)行的任何折衷(例如軸間隙或振動(dòng)閥值的折衷)可能會(huì)影響到新設(shè)計(jì)的哪個(gè)地方。

　　此信息幫助這位新設(shè)計(jì)師重復(fù)使用上一代的設(shè)計(jì)，從而節(jié)省了大量時(shí)間并最大程度降低了成本，同時(shí)還使產(chǎn)品保持高質(zhì)量。

　　自動(dòng)捕捉工程計(jì)算在其他方面也提供了幫助。例如，在對(duì)元件或材料執(zhí)行全面的分析之前，CAD設(shè)計(jì)師可以執(zhí)行初步的分析(它所需的計(jì)算因過(guò)于困難或耗費(fèi)時(shí)間而無(wú)法手動(dòng)執(zhí)行)，以預(yù)測(cè)元件或材料的行為。通過(guò)這樣做，設(shè)計(jì)師可以收緊將傳遞給分析軟件的假設(shè)的范圍，從而省下執(zhí)行不必要的測(cè)試所需的時(shí)間和費(fèi)用。

PTC 的 Mathcad 工程計(jì)算軟件中的工作表結(jié)合了自然數(shù)學(xué)符號(hào)和圖表，

　　使工程師能夠完整記錄計(jì)算。

　　適用的地方

　　工程計(jì)算已證實(shí)為在設(shè)計(jì)周期的所有階段(從概念到制造)中都很有用，而且通常必不可少。以下是一些示例：

　　概念規(guī)劃

　　在此階段中，通過(guò)解答有關(guān)基本外形和裝配的頂層問(wèn)題來(lái)及早調(diào)整大小或進(jìn)行驗(yàn)證，從而節(jié)省時(shí)間。例如，為了研制一種制冷裝置，CAD 設(shè)計(jì)師可以使用工程計(jì)算軟件了解管道是否適合冰箱的外殼。同樣，手機(jī)設(shè)計(jì)師可以檢查印刷電路板、揚(yáng)聲器或麥克風(fēng)的基本裝配情況。

　　需求定義

　　此階段通常涉及到召開項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)會(huì)議，與會(huì)者包括設(shè)計(jì)工程師、營(yíng)銷或業(yè)務(wù)開發(fā)員工、項(xiàng)目經(jīng)理和其他人，甚至還可能通過(guò)視頻會(huì)議讓客戶參加進(jìn)來(lái)。在此階段中，工程師可以使用工程計(jì)算軟件執(zhí)行“高速儲(chǔ)存數(shù)學(xué)計(jì)算”，以研究可能在會(huì)議中提出的備選方案。

　　在這里，即時(shí)執(zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)算可讓工程師利用會(huì)議成員的自發(fā)行為來(lái)提出和解決重要的問(wèn)題。由于這些重要的計(jì)算將被保存以便以后進(jìn)行審閱，因此，設(shè)計(jì)師知道有關(guān)各方均完全了解問(wèn)題和商定的解決方案，從而可以放心地繼續(xù)進(jìn)行。

　　設(shè)計(jì)建模

　　設(shè)計(jì)工程師通過(guò)查找可以重復(fù)使用的以前的零件或組件開始此階段。再以研制減震器為例，設(shè)計(jì)師可以從 CAD 庫(kù)中檢索當(dāng)前一代的模型，以及使用了該減震器的任何軸或其他組件。如果這些文件包含工程計(jì)算，則設(shè)計(jì)師可能可以通過(guò)準(zhǔn)確了解原始設(shè)計(jì)師工作的相關(guān)情況和折衷節(jié)省寶貴的時(shí)間。

　　分析

　　工程計(jì)算軟件對(duì)于支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有限元分析 (FEA) 和其他工具的預(yù)處理和后處理可能非常有用。作為預(yù)處理器，工程計(jì)算軟件幫助執(zhí)行頂層假設(shè)的基本大小調(diào)整和測(cè)試，因此可以突出顯示提交給分析應(yīng)用程序的問(wèn)題。此洞察力使工程師能夠避免將時(shí)間浪費(fèi)在方向錯(cuò)誤的分析項(xiàng)目上;完整的 FEA模擬可能要執(zhí)行幾個(gè)小時(shí)，因此，對(duì)于使分析變得盡可能有意義是有利的。

　　作為后處理工具，工程計(jì)算軟件運(yùn)行簡(jiǎn)化的測(cè)試，將提供與 FEA 輸出位于同一范圍內(nèi)的數(shù)字，從而幫助設(shè)計(jì)師對(duì)分析結(jié)果執(zhí)行有效性檢查。例如，要對(duì)減震器的應(yīng)力測(cè)試執(zhí)行有效性檢查，設(shè)計(jì)師可以使用工程計(jì)算軟件放置一個(gè)與震動(dòng)有關(guān)的虛擬框，然后在框上施加負(fù)荷。沒(méi)錯(cuò)，工程計(jì)算軟件無(wú)法執(zhí)行與 FEA 工具相同的變形測(cè)試，但它確實(shí)通過(guò)實(shí)用的虛擬框提供了應(yīng)位于 FEA 測(cè)試范圍內(nèi)的結(jié)果。

　　質(zhì)量保證和質(zhì)量控制

　　在將模型交付制造之前，設(shè)計(jì)師可以使用工程計(jì)算軟件檢查產(chǎn)品是否符合制造規(guī)范。它們可以是從公差要求到安全性和/ 或 6 西格瑪參數(shù)的規(guī)范。

　　另外，此類軟件將不會(huì)執(zhí)行詳盡的測(cè)試，但它在以秒計(jì)的時(shí)間內(nèi)就能回答簡(jiǎn)單的條件式問(wèn)題：模型是否滿足此安全要求?它是否滿足 6 西格瑪要求?模型可能將通過(guò)這些簡(jiǎn)單的測(cè)試，但如果未能通過(guò)，則設(shè)計(jì)師和整個(gè)組織的處境將會(huì)比直接將模型交付制造好得多，因?yàn)槿绻苯舆@樣做，則即使是解決一個(gè)很小的問(wèn)題，費(fèi)用也可能飛升到很高，而且可能會(huì)危及交貨時(shí)間表。

　　PTC ：供應(yīng)商觀點(diǎn)

　　PTC 的工程計(jì)算軟件 Mathcad® 在所有規(guī)模和行業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)組織中非常受歡迎，因?yàn)樗煽康墓δ芎酮?dú)特易用的白板界面于一體。而且，它包含非常實(shí)用的自然數(shù)學(xué)符號(hào)。

　　設(shè)計(jì)工程師可以使用 Mathcad 作為電子白板，在屏幕上的任意地方編寫公式和文本。Mathcad 檢查計(jì)算錯(cuò)誤、執(zhí)行單位轉(zhuǎn)換，并在用戶要求時(shí)提供強(qiáng)大的計(jì)算能力，能執(zhí)行從高端數(shù)值運(yùn)算到實(shí)時(shí)符號(hào)處理、向量和矩陣處理以及微分方程求解的一切計(jì)算。

　　Mathcad 提供其他許多對(duì)于設(shè)計(jì)師和工程師非常有用的功能。它可以使用多種數(shù)學(xué)格式顯示內(nèi)容、提供各種內(nèi)置的運(yùn)算符、執(zhí)行遵守 IEEE 規(guī)范的數(shù)學(xué)計(jì)算，并包含各種制圖和可視化功能。它還支持適用于機(jī)械、電氣和土木工程用途的一整套專業(yè)庫(kù)，而且提供針對(duì)數(shù)據(jù)分析、信號(hào)處理和其他科目的擴(kuò)展包。

　　通過(guò)使用基于 XML 標(biāo)準(zhǔn)的文件格式，Mathcad 與各種 CAD 和 CAE 應(yīng)用程序兼容，并與其他工程計(jì)算軟件和遵守 ODBC(開放式數(shù)據(jù)庫(kù)連接性)規(guī)范的數(shù)據(jù)庫(kù)兼容。

　　在與 3D CAD 工具一起使用時(shí)，Mathcad 可以利用雙向集成功能，將 Mathcad 值映射到 CAD 模型中的參數(shù)，并在這些參數(shù)改變時(shí)自動(dòng)更新計(jì)算。

　　最重要的是，Mathcad 簡(jiǎn)單易用，而且不會(huì)像基于電子表格或“黑箱”處理器的其他類型的計(jì)算軟件那樣，使設(shè)計(jì)師無(wú)法看到計(jì)算。電子表格可能難以閱讀，特別是在涉及到復(fù)雜的方程時(shí)。而黑箱軟件確實(shí)能產(chǎn)生結(jié)果，但此軟件本身可能不允許設(shè)計(jì)師檢查實(shí)際的計(jì)算，從而在整個(gè)過(guò)程中可能出現(xiàn)喪失洞察力和信心的風(fēng)險(xiǎn)。

雙向集成允許 Pro/ENGINEER® 模型中的尺寸和參數(shù)驅(qū)動(dòng) Mathcad 分析。

　　這些計(jì)算的結(jié)果返回給Pro/ENGINEER，以更新模型的幾何。

　　充分利用預(yù)測(cè)工程

　　在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程的每一步，Mathcad 均幫助產(chǎn)品的有關(guān)各方(設(shè)計(jì)師、產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)、測(cè)試工程師和制造人員)及早了解模型的最終行為將會(huì)是怎樣的 — 在最終制造和交付模型時(shí)，它是如何裝配和操作的。

　　這在許多方面帶來(lái)了巨大的額外好處。它通過(guò)生產(chǎn)出忠實(shí)于設(shè)計(jì)師意圖并密切針對(duì)其預(yù)定市場(chǎng)的產(chǎn)品，提高了設(shè)計(jì)的重復(fù)使用率并減少了廢品造成的浪費(fèi)。它通過(guò)減少造成浪費(fèi)的設(shè)計(jì)、多余的測(cè)試或其他過(guò)程，可以縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。它可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的早期揭示并幫助解決問(wèn)題，因此，問(wèn)題不會(huì)在周期的后期造成巨大的破壞和高昂的返工費(fèi)用。此外，它可以幫助建立設(shè)計(jì)意圖和知識(shí)傳遞的持續(xù)反饋回路，這將令未來(lái)的設(shè)計(jì)師和未來(lái)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目受益不淺。