本文介紹了PTC 的數學分析軟件 Mathcad®相關內容。

　　通過充分利用預測工程最大程度提高產品開發的速度、效率和質量。

　　無論是與股票市場、天氣還是與稱為客戶行為的難以捉摸的情況打交道，能夠準確預測未來將能毫不費力地帶來成功。這樣說對于 CAD 工程師和產品開發組織尤其正確。

　　許多 CAD 工具瞄準的目標就是：在產品經過設計和制造階段交到客戶手上之前預測產品的結果。用于結構分析、機構動力學和虛擬原型設計的軟件就是這方面的例子。

　　即使是重復使用現有的 CAD 模型來開發新產品的能力也可能是重要的預測資源，因為使用預先設計的零件或平臺可幫助預測新產品在某些方面的行為。

產品開發專業人員能夠使用當今功能強大的工程計算軟件(例如 PTC 的 Mathcad®)預測其 3D CAD 模型設計的外形、裝配和功能。

　　毫無疑問，CAD 設計師預測成品的裝配、觸感、功能、成本和可靠性的能力越強，按時和按預算交付充滿競爭力的產品的機會就越大。CAD 工程師和產品開發公司深諳此道。但是，他們可能未意識到的是，有一個通常被忽視的過程(即自動執行工程計算)與使用分析工具、虛擬原型和其他預測資源完全同樣重要。原因如下：

　　舊習慣很難改掉

　　CAD 軟件已發展到使產品設計的基礎數學計算對于設計工程師是透明的地步。但是，CAD 設計還要求頻繁地為各種操作(從執行單位轉換到測試概率模型)執行特別的計算。這些重要的計算過去是、現在仍常常是利用計算尺或計算器手動執行的。

　　如果組織的產品開發過程很簡單直接，而且市場需求相對明顯，則手動執行計算仍可能可以應付局面。但如今典型的產品開發公司面對著更為復雜的市場、更難對付和行動速度更快的競爭對手，以及要求更高的供應鏈、銷售渠道和客戶支持責任。新產品的周期已從六個月縮短到三個月;新的競爭對手正在越來越遠的地方出現;生產成本不斷上升，而預算不斷收緊。因此，手動乃至使用電子表格來執行工程計算正變得落伍。

　　對于 CAD 設計師，自動化執行特別計算的過程現在變得必不可少，原因是，它可以自動記錄原始設計師的特定意圖，而且其記錄形式具有可追溯、可測試以及可重復使用(這最為重要)的特點。此外，工程計算軟件執行復雜計算所需的時間只是傳統方法的一小部分。它可以節省時間并減少或阻止 CAD 設計師的錯誤，另外還能幫助組織在更短的期限內交付更優質的產品。

　　將其投入使用

　　舉例而言，考慮這樣一位 CAD 設計師：他/ 她接到研制減震器的任務，于是從 CAD 庫中調出當前一代的產品模型。由于使用了工程計算軟件，這位新設計師看到了原始設計師所做的詳細假設和決策。例如，計算可能顯示減震器原來計劃用于某種尺寸的軸，后來經過修改以適應另一個尺寸的軸。知道了此信息后，此設計師可以確定原始設計師必須進行的任何折衷(例如軸間隙或振動閥值的折衷)可能會影響到新設計的哪個地方。

　　此信息幫助這位新設計師重復使用上一代的設計，從而節省了大量時間并最大程度降低了成本，同時還使產品保持高質量。

　　自動捕捉工程計算在其他方面也提供了幫助。例如，在對元件或材料執行全面的分析之前，CAD設計師可以執行初步的分析(它所需的計算因過于困難或耗費時間而無法手動執行)，以預測元件或材料的行為。通過這樣做，設計師可以收緊將傳遞給分析軟件的假設的范圍，從而省下執行不必要的測試所需的時間和費用。

PTC 的 Mathcad 工程計算軟件中的工作表結合了自然數學符號和圖表，

　　使工程師能夠完整記錄計算。

　　適用的地方

　　工程計算已證實為在設計周期的所有階段(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：

　　概念規劃

　　在此階段中，通過解答有關基本外形和裝配的頂層問題來及早調整大小或進行驗證，從而節省時間。例如，為了研制一種制冷裝置，CAD 設計師可以使用工程計算軟件了解管道是否適合冰箱的外殼。同樣，手機設計師可以檢查印刷電路板、揚聲器或麥克風的基本裝配情況。

　　需求定義

　　此階段通常涉及到召開項目團隊會議，與會者包括設計工程師、營銷或業務開發員工、項目經理和其他人，甚至還可能通過視頻會議讓客戶參加進來。在此階段中，工程師可以使用工程計算軟件執行“高速儲存數學計算”，以研究可能在會議中提出的備選方案。

　　在這里，即時執行數學計算可讓工程師利用會議成員的自發行為來提出和解決重要的問題。由于這些重要的計算將被保存以便以后進行審閱，因此，設計師知道有關各方均完全了解問題和商定的解決方案，從而可以放心地繼續進行。

　　設計建模

　　設計工程師通過查找可以重復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，設計師可以從 CAD 庫中檢索當前一代的模型，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算，則設計師可能可以通過準確了解原始設計師工作的相關情況和折衷節省寶貴的時間。

　　分析

　　工程計算軟件對于支持行業標準有限元分析 (FEA) 和其他工具的預處理和后處理可能非常有用。作為預處理器，工程計算軟件幫助執行頂層假設的基本大小調整和測試，因此可以突出顯示提交給分析應用程序的問題。此洞察力使工程師能夠避免將時間浪費在方向錯誤的分析項目上;完整的 FEA模擬可能要執行幾個小時，因此，對于使分析變得盡可能有意義是有利的。

　　作為后處理工具，工程計算軟件運行簡化的測試，將提供與 FEA 輸出位于同一范圍內的數字，從而幫助設計師對分析結果執行有效性檢查。例如，要對減震器的應力測試執行有效性檢查，設計師可以使用工程計算軟件放置一個與震動有關的虛擬框，然后在框上施加負荷。沒錯，工程計算軟件無法執行與 FEA 工具相同的變形測試，但它確實通過實用的虛擬框提供了應位于 FEA 測試范圍內的結果。

　　質量保證和質量控制

　　在將模型交付制造之前，設計師可以使用工程計算軟件檢查產品是否符合制造規范。它們可以是從公差要求到安全性和/ 或 6 西格瑪參數的規范。

　　另外，此類軟件將不會執行詳盡的測試，但它在以秒計的時間內就能回答簡單的條件式問題：模型是否滿足此安全要求?它是否滿足 6 西格瑪要求?模型可能將通過這些簡單的測試，但如果未能通過，則設計師和整個組織的處境將會比直接將模型交付制造好得多，因為如果直接這樣做，則即使是解決一個很小的問題，費用也可能飛升到很高，而且可能會危及交貨時間表。

　　PTC ：供應商觀點

　　PTC 的工程計算軟件 Mathcad® 在所有規模和行業的產品開發組織中非常受歡迎，因為它集可靠的功能和獨特易用的白板界面于一體。而且，它包含非常實用的自然數學符號。

　　設計工程師可以使用 Mathcad 作為電子白板，在屏幕上的任意地方編寫公式和文本。Mathcad 檢查計算錯誤、執行單位轉換，并在用戶要求時提供強大的計算能力，能執行從高端數值運算到實時符號處理、向量和矩陣處理以及微分方程求解的一切計算。

　　Mathcad 提供其他許多對于設計師和工程師非常有用的功能。它可以使用多種數學格式顯示內容、提供各種內置的運算符、執行遵守 IEEE 規范的數學計算，并包含各種制圖和可視化功能。它還支持適用于機械、電氣和土木工程用途的一整套專業庫，而且提供針對數據分析、信號處理和其他科目的擴展包。

　　通過使用基于 XML 標準的文件格式，Mathcad 與各種 CAD 和 CAE 應用程序兼容，并與其他工程計算軟件和遵守 ODBC(開放式數據庫連接性)規范的數據庫兼容。

　　在與 3D CAD 工具一起使用時，Mathcad 可以利用雙向集成功能，將 Mathcad 值映射到 CAD 模型中的參數，并在這些參數改變時自動更新計算。

　　最重要的是，Mathcad 簡單易用，而且不會像基于電子表格或“黑箱”處理器的其他類型的計算軟件那樣，使設計師無法看到計算。電子表格可能難以閱讀，特別是在涉及到復雜的方程時。而黑箱軟件確實能產生結果，但此軟件本身可能不允許設計師檢查實際的計算，從而在整個過程中可能出現喪失洞察力和信心的風險。

雙向集成允許 Pro/ENGINEER® 模型中的尺寸和參數驅動 Mathcad 分析。

　　這些計算的結果返回給Pro/ENGINEER，以更新模型的幾何。

　　充分利用預測工程

　　在產品開發過程的每一步，Mathcad 均幫助產品的有關各方(設計師、產品開發團隊、測試工程師和制造人員)及早了解模型的最終行為將會是怎樣的 — 在最終制造和交付模型時，它是如何裝配和操作的。

　　這在許多方面帶來了巨大的額外好處。它通過生產出忠實于設計師意圖并密切針對其預定市場的產品，提高了設計的重復使用率并減少了廢品造成的浪費。它通過減少造成浪費的設計、多余的測試或其他過程，可以縮短產品開發時間。它可以在產品設計周期的早期揭示并幫助解決問題，因此，問題不會在周期的后期造成巨大的破壞和高昂的返工費用。此外，它可以幫助建立設計意圖和知識傳遞的持續反饋回路，這將令未來的設計師和未來的設計項目受益不淺。