图片1 由Bucyrus International, Inc.提供    

    随着二十世纪九十年代信息技术的高速发展,产品开发过程从原型机制造－测试过程发展成为一种全新的产 品开发方法，即借助计算机辅助设计(CAD) 技术来开发产品。工程师开始使用有限单元方法（通常称为有限单元分 析(FEA)）来分析目标设计的计算机模型，从而节省了制造和测试原型机所需的费用和时间。利用FEA，工程师可以 在各种强度下仿真设计模型的反应，并使用这些结果来改进设计性能，最大程度地减少对物理原型机的需求。
   
    什么是设计分析？

    用最简单的话来说，设计分析是一种用于在计算机上模拟物理行为的强大的软件技术。它会坏吗？它会变形 吗？它会不会变得过热？对于这些类型的问题，设计分析能够给出明确的答案。工程师不需要制造原型机并精心制 订测试计划来分析产品的物理行为，只需在计算机上快速而精确地获得这些信息。由于设计分析可以最大限度地减 少甚至避免对物理原型机和测试的需要，因此，在过去的十年中，这种技术已成为主流技术，在制造业作为一种重要的产品开发工具使用，并且几乎应用于所有工程领域。

    在图2中，红色区域表示潜在的故障 机械工程领域最常用的设计分析应用程序是应力分析。工程师通过对某个零件的应力（包括结构应力和热应 力）进行研究，确定它是否会出现故障以及是否需要对设计进行修改以避免这些潜在问题的发生。设计分析还用于 确定零件变形的可能性、零件和装配体的共振频率和振动模式、动力特性和地震反应、接触应力、温度分布等等。 同时，设计分析还可用于分析流体：流体在管道中是气体还是液体、引擎进气管的空气和燃料的混合情况，以及熔 融塑料在模具中的填充情况。设计分析真正的作用在于能够在不制造任何物件的情况下精确地执行这些类型的研究中的任一种。所需的只是一个由计算机辅助设计软件(CAD)产生的数字模型。

设计分析一体化

    早期的设计分析软件包是相互独立且专业程度非常高的应用程序,与计算机辅助设计软件并不相连。自二十世纪九十年代中期起，随着以下重大技术的发展，行业主流开始从物理原型机转变为三维设计分析：
   
    - 三维实体建模软件变得更强大、价格更低廉、更易于使用；
   
    - 设计分析软件更强大、价格更低廉，更易于非专业人士使用；
   
    - Microsoft?  Windows? 操作系统使用户在PC上使用CAD和分析应用程序成为可能；
   
    - 计算机硬件性能更加强大、稳定，价格更低廉。

图3 CAD 和分析集成在一个窗口中

    今天，台式机达到了二十世纪八十年代大型机的计算能力，价格却只是大型机的零头。高级设计分析工具的 发展，使得制造商可以充分利用价格适中的计算能力以及主流设计分析的优势。强大的组合利用3D 实体建模和设计分析软件结合所产生的强大功能，工程师现在可以在计算机中测试设计，而不需要对设计进行原型机－测试迭代。 CAD 模型变成了虚拟的原型机，并且分析设计已经替代了物理测试，实现了更快、成本更低廉、效果更佳的产品开 发。这样，产品更具创新性，更可靠，更适合市场需要。
   
    不再只是专家的任务

    对于设计分析软件使用的理解有很多误区。许多工程师认为基于FEA 的设计分析非常深奥、代价昂贵且难以 使用。某些工程师认为设计分析软件一般只有博士才会操作，仅适用于大型企业，而对于自己从事的工作类型没有 多大必要。研究表明，在使用3D CAD 的设计工程师中，十个中有七个持有这种看法。

    在这种认识下，许多工程师直接将未经测试的设计应用于原型机，甚至直接投入生产，为此危及到产品质量 和重要的客户关系。在其它一些情况中，设计人员只是因循守旧，复制已过时的产品，倾向于坚持过去有效的观念， 而不愿意努力创新。不优化产品设计会导致费用增加，例如使用过多的原材料，而本来通过实施设计分析并优化设计可以减少这些不必要的开支。某些3D CAD 软件包中免费提供一些分析功能。随着越来越多的工程师开始重视设计分析工具，对设计分析的误解在逐渐消失。

    如果在设计周期的前期阶段实施设计分析，可以实现最大的优势，因为那个时候对设计进行更改最容易并且 最节约成本。结合实体建模执行分析时，设计工程师可以利用分析结果来修正、改进或优化设计。在过去许多年内， 设计分析仅限于非常专业的分析人员使用。他们在设计工程师完成了设计任务以后对模型进行分析。使用这种方法 时，由于设计人员和分析人员之间反复进行修改－分析工作，因此浪费了大量的时间，特别是需要在另一套分析软 件包中重新创建实体模型时。

图4  

    用户可以通过工具（例如SolidWorks eDrawings）与设计小组的其他成员交流分析结果 不过，近些年来，在概念设计中使用设计分析的优势变得非常明显。设计工程师在针对目前先进的集成分析 系统接受适当的培训后，可以具有比分析人员更好的优势。他们可以在设计迭代过程中利用分析结果来修改实体模 型。由于设计工程师直接参与对自己的设计的分析，因此整个周期大为缩短，并且可以确保在设计过程中根据分析 结果立即对设计进行修改。设计分析技术以多种方法打破了传统工程部门之间的界线。绘制草图、设计和分析产品 设计在传统上是由不同人员执行的独立任务，而功能强大、易于使用、价格适中的CAD 和设计分析软件使所有工程 部门之间能够更紧密地进行协作。分析人员可以继续发挥重要作用，他们可以着手进行更高级、更耗时的分析工作。