/CAE были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph. Поскольку мейнфреймы того времени были несовершенными, то появлялись определенные трудности. Интерактивный режим работы был практически недоступен из-за большой нагрузки на центральный процессор. Стоимость одной CAD /CAM /CAE системы составляла порядка $90000. С развитием прогресса аппаратные платформы CAD /CAM /CAE систем перешли с мейнфреймов на персональные компьютеры. Это было связано с меньшей стоимостью и большей производительностью ПК по сравнению с мейнфреймами. Закономерно снизилась и цена на CAD /CAM /CAE до $20000. На базе ПК создавались рабочие станции для CAD , которые поддерживали архитектуру IBM PC или Motorola. В середине 80-х годов появились архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computing). На их основе были разработаны более производительные рабочие станции, опиравшиеся на операционную систему Unix . С середины 90-х годов конкуренцию системам RISC /Unix составили технологии, разработанные компанией Intel на основе операционных систем MS Windows NT и MS Windows 2000 . В настоящее время стоимость CAD /CAM /CAE систем снизилась и составляет не более $10000.
Классификация
- Системы полнофункционального инженерного анализа, обладающие мощными средствами, большими хранилищами типов для сеток конечных элементов, а также всевозможных физических процессов. В них предусмотрены собственные средства моделирования геометрии. Кроме того, есть возможность импорта через промышленные стандарты Parasolid , ACIS . Полнофункциональные САЕ-системы лишены ассоциативной связи с CAD . Поэтому, если в процессе подсчета появляется необходимость изменить геометрию, то пользователю придется заново производить импорт геометрии и вводить данные для расчета. Самыми известными подобными системами считаются ANSYS/Multiphysics , AI*NASTRAN и MSC.NASTRAN .
- Системы инженерного анализа, встроенные в тяжелые САПР , имеют значительно менее мощные средства анализа, но они ассоциативны с геометрией, поэтому отслеживают изменения модели. Расчетные данные структурированы и интегрированы в общую систему проектирования тяжелой САПР . К ним относятся Pro/MECHANICA для Pro/ENGINEER , Unigraphics NX CAE для Unigraphics NX , Extensive Digital Validation (CAE) для I-deas , Catia CAE для CATIA ;
- Системы инженерного анализа среднего уровня не имеют мощных расчетных возможностей и хранят данные в собственных форматах. Некоторые их них включают в состав встраиваемый интерфейс в CAD -системы, другие считывают геометрию из CAD . К первым относятся COSMOS/Works , COSMOS/Motion , COSMOS/FloWorks для SolidWorks Трехмерная проектная среда , ко вторым - visualNastran , Procision .
Возможности САЕ
С помощью САЕ можно проводить:
- Прочностной анализ компонентов и узлов на основе метода конечных элементов;
- Термический и гидродинамический анализ;
- Кинематические исследования;
- Моделирование таких процессов, как литье под давлением;
- Оптимизацию продуктов или процессов.
Этапы работы с САЕ
- Предварительная обработка - определение характеристик модели и факторов внешней среды, которые будут на нее воздействовать;
- Анализ и принятие решения;
- Обработка результатов.
Отрасли применения
Наибольшей популярностью САЕ пользуются в следующих отраслях производства: машиностроение и станкостроение, оборонная и аэрокосмическая промышленность, энергетика, судостроение, производство полупроводников, телекоммуникации, химическая, фармацевтическая и медицинская промышленность, строительство, производство систем отопления, кондиционирования, вентиляции.
Опыт использования САЕ в автомобильной промышленности
Преимущество систем САЕ состоит в том, что автопроизводители могут проводить компьютерное тестирование разрабатываемых моделей. Это позволяет сосредоточить максимум внимания на повышении безопасности, комфортности и долговечности автомобилей, не затрачивая при этом финансовых средств. Безопасность пассажиров при столкновениях может быть оценена при помощи таких программных продуктов, как RADIOSS , LS-DYNA , PAM-CRASH .
Основные направления в развитии САЕ
В процессе развития САЕ разработчики стремятся увеличить их возможности и расширить сферы внедрения. Преследуются следующие цели:
- Совершенствование методов решения междисциплинарных задач моделирования;
- Разработка новых платформ для интеграции различных систем САЕ, а также для интеграции САЕ-систем в PLM -решения;
- Повышение интероперабельности САЕ и CAD систем;
- Совершенствование методов построения расчетных сеток, описания граничных условий, параллельных вычисление и т.д;
- Улучшение характеристик моделей, которые применяются для описания свойсв материалов;
- Оптимизация систем САЕ для компьютерных платформ с 64-битными и многоядерными процессорами, а тем самым улучшение условий для моделирования сложных конструкций с большим количеством степеней свободы.
Мировой рынок
По прогнозу TechNavio (весна 2013 года), рынок CAE в ближайшие пять лет будет ежегодно расти на 11,18% и к 2016-му достигнет 3,4 млрд. долл. Этот рост обусловлен целым рядом факторов, главный из которых - необходимость ускорения выпуска продукции на рынок. А основным тормозом, как и в случае CAD, является рост популярности систем с открытым исходным кодом, обусловленный высокой стоимостью лицензий на коммерческие CAE-системы.
Из географических регионов самым большим с точки зрения востребованности CAE в 2012-м стала Северная Америка, а по темпам роста первое место занял Азиатско-Тихоокеанский регион, в котором активно развивается промышленность.
Наибольшее распространение CAE-системы получили в автомобиле- и самолетостроении, электротехнике и электронике, тяжелом машиностроении и оборонной отрасли. Самый высокий рост спроса на CAE ожидается в автомобильной промышленности, а наименьший - в тяжелом машиностроении.
Ведущие позиции на рынке CAE занимают Ansys, MSC Software, Dassault Systemes, CD-adapco Group и LMS International. Кроме них в этой области работает немало менее крупных компаний, но число фирм, сосредоточенных только на CAE, сокращается, так как их покупают более крупные игроки ради их технологий.
В своем комментарии аналитики из TechNavio отметили, что некоторые крупные глобальные поставщики CAE и PLM начали продвигать `глобализованные` лицензии, которые позволяют купившим их заказчикам использовать CAE-системы в любой точке мира и обращаться за услугами поддержки в офис поставщика в любой стране. Это позволяет вендорам устранить разницу в стоимости своих продуктов в различных странах и продавать их по одной цене по всему миру. Аналитики ожидают, что данный подход будет применять все больше поставщиков CAE и PLM, и тогда на рынке произойдут значительные перемены с точки зрения ценовой политики вендоров.
система управление язык spice
CAE (Computer - aided engineering) -- общее название для программ и программных пакетов, предназначенных для решения различных инженерных задач: расчётов, анализа и симуляции физических процессов. Расчётная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравнений. Современные системы автоматизации инженерных расчётов (CAE) применяются совместно с CAD-системами (зачастую интегрируются в них, в этом случае получаются гибридные CAD/CAE-системы).
CAE-системы -- это разнообразные программные продукты, позволяющие при помощи расчётных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов) оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Помогают убедиться в работоспособности изделия, без привлечения больших затрат времени и средств.
Функции CAЕ-систем
Функции CAЕ-систем довольно разнообразны, так как связаны с проектными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений. При функциональном проектировании ССУ тип используемой CAЕ-системы будет определяться уровнем описания СУ: уровень системы в целом; уровень устройств СУ; уровень элементов устройств СУ.
В состав CAЕ-систем объектов электрической природы как правило включают программы расчета:
· частотных характеристик;
· расчета установившихся процессов (анализ статики);
· расчет переходных процессов (анализ динамики);
· расчет шумов, спектров, вариации температуры;
· статистический анализ по методу Монте-Карло;
· расчет чувствительности;
· расчет наихудшего случая;
· учет задержек распространения сигналов в цифровых компонентах;
· параметрическую оптимизацию.
Большинство современных CAE-систем для проектирования электронных устройств используют формат SPICE. Это формат входного языка проектирования, который поддерживается большинством универсальных САПР электронных устройств: Protel, OrCAD, MicroCAP, Proteus и др. Эти САПР можно использовать при проектировании ССУ на уровнях системы в целом и устройств СУ
В состав CAE-систем, традиционно называемые машиностроительными, прежде всего включают программы для моделирования полей физических величин, в том числе анализа прочности, который чаще всего выполняется в соответствии с МКЭ. Такие САПР применяются при проектировании элементов устройств СУ.
Формат SPICE
Язык предназначен для описания электрических цепей разной сложности, и он используется для расчета схем во временной и частотной областях, а также в статическом режиме. Эти типы расчетов используются в инженерной практике наиболее часто. При проведении моделирования все элементы схемы заменяются их математическими моделями. Таким образом, SPICE-модели являются полными.
Язык SPICE и системы на его основе используются во многих САПР; существуют разные их модификации. Например, в системе OrCAD 9.2 используется программа PSPICE. Заметим, что в системе OrCAD предусмотрен расчет логических устройств на основе булевой алгебры. Помимо PSPICE существуют и другие программы WinSPICE (некоммерческая программа, распространяется свободно), HSPICE, XSPICE и др. Языки, используемые во всех системах, имеют незначительные отличия и дополнения по сравнению с изначальной версией SPICE.
Язык SPICE может быть использован для моделирования цифровых узлов с использованием только электрических сигналов. Это подразумевает использование полных SPICE-моделей микросхем. Основная сложность, возникающая при полном моделировании внутренней электрической схемы микросхемы при автоматизированном проектировании, связана с размерностью вычислительной задачи и высоким порядком систем уравнений, описывающих цифровой узел. Уже для микросхем средней степени интеграции объем вычислений становится неоправданно большим.
Одним из методов, позволяющих существенно сократить размерность задачи, является использование макромоделей. Однако их удается построить только для очень ограниченного класса цифровых элементов -- триггеров и логических элементов.
Еще одной трудностью, возникающей на пути полного схемотехнического моделирования цифрового узла на основе SPICE-моделей составляющих его элементов, является отсутствие в свободном доступе принципиальных электрических схем, тем более с номиналами пассивных и характеристиками активных элементов. Напротив, большинство крупных фирм старается сохранить эту информацию в тайне (особенно для новых разработок).
В технической документации на микросхемы они лишь иногда приводят структурную схему, которая не дает практически ничего для составления SPICE-моделей.
Виды анализа SPICE
· AC анализ;
· DC анализ;
· анализ DC transfer curve;
· анализ шумов;
· анализ передаточной функции;
· анализ переходных процессов.
Пример использования PSICE в OrCAD 9.2
Схема повышающего конвертора
Рисунок 4.1 -- Повышающий ИСН с транзистором IRFJ120 в силовой цепи
Проведем анализ методом Монте-Карло и проанализируем выходную мощность на R5. Статистический анализ по методу Монте-Карло производится при статистическом разбросе параметров, описанных по директиве.MODEL. Введем в параметры элементов R_VD и C_out статический разброс параметров:
Рисунок 4.2 -- Параметры статического разброса элементов
Рисунок 4.3 -- Параметры моделирования
Рисунок 4.4 -- Результаты моделирования
В результате проведенного анализа методом Монте Карло при N=10, выходная мощность с наибольшей вероятностью в 30% находиться на интервалах 8.428m - 8.434m Вт, а с наименьшей вероятностью 15% - на интервалах 8.397m - 8.417m и 8.434 - 8.447m Вт.
САЕ-системы
САЕ-системы - это общий термин для обозначения информационного обеспечения автоматизированного анализа проекта, имеющего целью обнаружение ошибок (прочностные расчеты, коллизии кинематики и т.п.) или оптимизацию характеристик изделия.
Системы расчета и инженерного анализа (САЕ) являются наиболее верным средством обоснования принятия инженерных (конструкторских и технологических) решений и охватывают широкий спектр задач: расчеты будущего изделия на прочность (устойчивость, резонансные колебания, тепловой анализ), решение задач, связанных с течением жидкостей и газов.
Системы компьютерного инженерного анализа позволяют оценить работоспособность принятых решений и оптимизировать разрабатываемую конструкцию (сократить стоимость и сроки изготовления). В последние годы наметилась тенденция более узкой специализации фирм-разработчиков программных средств анализа. Мировыми лидерами в области разработки, поставки и сопровождения программных систем инженерного анализа машиностроительных изделий являются MSC, Software Corporation, SAMTECH, ANSYS и некоторые другие.
Критерии сравнения САЕ-систем:
Используемый математический метод представления геометрии;
Наличие встроенного генератора сетки;
Функциональные возможности;
Возможность импорта данных из различных CAD-систем.
Для проведения какого-либо вида анализа, вначале, в CAD - системе на основе точной геометрической модели создается расчетная (упрощенная) модель путем удаления тех конструктивных элементов, которые не оказывают существенного влияния на результаты анализа. Расчетная модель передается в пакет анализа при помощи стандартных интерфейсов. Отдельные пакеты анализа имеют внутренние средства построения геометрической модели, с помощью которых может быть решена задача моделирования простых форм.
Примеры пакетов, перечень основных задач, решаемых с их помощью, и фирм, выполнивших разработку приведены ниже:
Euler - динамический анализ многокомпонентных механических систем (Автомеханика);
ИСПА - расчет и анализ на прочность (АЛЕКСОФТ);
ПОЛИГОН - конечно-элементная система для моделирования литейных процессов: гидродинамические, тепловые и усадочные процессы в 3D - постановка (ЦНИИ материалов);
Риман - расчет и анализ напряженно-деформированного состояния конструкций, решение упругих и пластических задач, том числе штамповки и ударных напряжений (ПроГруппа);
АРМ WinMachine - комплекс программ для проектирования и расчетов деталей машин, анализа напряженно-деформированного состояния конструкций и их элементов методом конечных элементов (НТЦ АПМ);
Диана - анализ конструкций и их элементов (НИЦ АСК);
GasDinamics Tool - моделирование газодинамических процессов (Тульский гос.университет).
Отдельную группу программного обеспечения инженерного анализа составляют пакеты, предназначенные для анализа динамических процессов. К этой группе относятся ADAMS, МВТУ, ПА-9 и др.
Пакет ADAMS (Mechanical Dynamics, Inc.) может использоваться для динамического и кинематического анализа сложных механических схем механизмов, статического и модального анализа. При помощи этого пакета могут решаться задачи, например, стыковки космического аппарата, динамики полета и посадки и т.п. Двусторонняя связь с конечно-элементными пакетами (ANSYS, MSC.NASTRAN, ABAQUS, I-DEAS) позволяет встраивать неограниченное число конечно-элементных моделей в механизм для учета влияния деформируемости на поведение системы. В ADAMS обеспечен обмен информацией с CAD-системами и пакетами математических методов (MATLAB, MATRIX, EASY5).
Вопросы для самопроверки
1. Перечислите основные этапы ЖЦ радиоэлектронных изделий. Какие подсистемы обеспечивают реализацию каждого из этапов?
2. В чем заключаются технологии сквозного, нисходящего и параллельного проектирования?
3. Какие модули содержит CAD-система конструкторского проектирования. Каковы ее основные функции?
4. Какие задачи решает CAM-система технологической подготовки производства?
5. На каком этапе ЖЦ РЭС применяются системы инженерного анализа (САЕ-системы)? Каков круг задач этих систем?
6. Какие из современных систем поддержки процесса проектирования РЭС Вам знакомы? Охарактеризуйте их.
