工程计算自动化提升生产能力

　　本文介绍了工程计算自动化提升生产能力相关内容。

　　工程师们总是需要去解决问题——因为他们的工作就在于此。提出有效解决方案的速度越快或解决的问题越难，这位工程师就越成功。找到答案往往说起来容易做起来难，这要取决于问题或解决问题的工具。虽然用于解决问题的公式或方法众所周知，工程师们却常常需要从头开始解决问题。在许多情况下，一些问题的答案都不是能在书本上能找到的。

　　每个工程学科都有其自身独特的难题，这些难题往往可归到一些通用的分类中。举例来说，机械工程师一般的工作是：设计动力传动装置、构建结构框架以及使用自由草图和已知工程计算就可轻松解决的许多其他问题。昂贵的替代性解决方案包括手动计算、在电子表格中计算或在某些情况下构建和测试物理样机。当进行变更时，很难循环访问或优化这些计算。

　　一个常见的例子就是确定动力传动应用的一套滑轮的位置。虽然布置组件不是那么困难，但是滑轮直径的简单改变或拉伸力的增加均可能导致问题出现。一般来说，滑轮带是按固定长度购买的。

　　Solid Edge 软件提供了一种名为“Goal Seek”的简易工具，可以通过一种熟悉的自由体图方法简化这类问题的解决。用户只需在二维环境下画出系统草图，添加一些尺寸和所有约束定义，系统就会解算出期望的参数。Solid Edge 还支持基于复杂等式的参数，其结果可以直接驱动三维几何体。

　　目前的方法有：使用计算器、电子表格进行原始评估，或在一些情况下，预计将与 CAD 应用协同的许可附件应用。在任何情况下，若没有一个诸如 Solid Edge 的 Goal Seek 的综合解决方案，达成的解决方案很容易出现问题，比如错配的度量单位。Goal Seek 可以解决这些问题，使设计师可专注于解决问题，无需再反复察看答案。

　　一般问题和解决之道

　　以图1中的滑轮系统为例，确定从 X 和 Y 维度来看必须置放张紧轮的方位，以便获得标准的 25英寸(635毫米)带长。 在此需要基于过皮带轮三角操作的一种复杂等式，以便生成一个充分的公式来解决这一变量。使用带有一个参数二维解算器的 CAD系统仍要求用户通过增加变量X来确定期望的带长。一般而言，二维解算器将周长作为一种驱动值来处理。可设置一套特定的等式来实现这一目的，但如果另一个变量需要受到控制，比如 Y 变量，则可能还需要一套截然不同的等式。一个双滑轮系统是简单的，但是试图为拥有四个或更多滑轮的系统来解决这一问题则十分复杂。进行如下数学运算就能知道原因。

图1

图2

　　现在知道了问题的关键所在，让我们退回一点，从更简单的方面着手。以杠杆为案例，在一端使力以撬起另一端。沿着杠杆滑动支点，上举的力量随之改变。图3中简单的自由体图可以阐述这一概念。向左端施加100磅力可举起右端200磅的载荷。这计算起来很简单，但是若要举起286磅的载荷，支点又应该放在哪呢? 如果120 英寸的长度变化，等式应该是怎样的?

图3

　　重新安排等式的工作量随着每个问题的出现而增加。出错的几率也随之增加。后面的例子很简单，但是它表明了从不同的角度来解决一个问题之必要性。要求变更输入参数，以获得预期结果的其他常见问题包括： 更具载荷确定梁尺寸、通过变化一些边际参数优化区域、找到四杆机构中的关键角度、根据不变带长找到滑轮位置、计算平衡点、计算最大值和许多其他实践情况。

　　Goal Seek 的答案

　　Goal Seek 通过消除对重新排列等式的需要，实现工程计算自动化。在许多情况下，甚至不要进行二次开发。该系统会运作模拟常见的自由体图的简易性，但是会使用一个二维参数草图解算器来计算图表的几何体。用户只需提供几何体尺寸，设置相关的等式，然后让 Goal Seek 找到未知参数。该系统的核心存储了一些度量值，如面积和参数，这样解算器就可以使用这些度量值来计算自由体图。这种功能大大减少了开发复杂等式的需求，这些复杂等式指捕获周长或面积的等式。

　　让我们在一个实例中来看这一概念。找到一个三角形的面积只要求将底和高输入等式：面积=1/2(底x高)，即会跳出答案。但是，如果要计算一个特定区域的面积，且高度是变量，那么计算者将需要重新排列等式，求出高度值。Solid Edge 的 Goal Seek 可在没有等式(自由草图)的情况下解算所有变量。

　　一旦自由草图被画出和标了尺寸，Goal Seek 可通过调整另一个变量值解算出目标变量的特定值。Goal Seek 会向你展示过程对自由体图的影响，就正在发生的情况给出可视化的表示。解算过程使用优化算法，以快速获得解答——假设解答存在。若不存在解答，则 Solid Edge 会提醒用户，该要求无法以几何(和数学)方式解算。在上述的滑轮举例中，如果用户设定的带长过短(我们假设为较夸张的100毫米)，并且尝试找到一个有效的 X 维度尺寸，则 Solid Edge 将提示用户这一要求无法实现。

　　让我们仔细看下如何使用 Goal Seek 解算上述滑轮的例子。在使用典型草图和关系工具画出几何体后，面积被测量并保存。在这一过程中，参数(带长)同样被捕获。Goal Seek 一般通过提出问题引导用户完成所有要求的步骤： 目标是什么，将要改变什么。在这里，带长将被设在635毫米，调整 X 直到满足这一长度要求。Goal Seek 快速跳到答案，即从左边的初始画面跳到右边的结果画面(见图4)。用户界面在两幅画面的上方。请注意 Goal Seek 用于帮助用户捕获输入值的简单的方法。

图4

　　Goal Seek 可在许多其他领域帮助工程师。上述举例是针对二维几何体的问题解决。但是，这一二维几何体可被用来驱动实际的三维模型。在设计过程中，可用初始计算确定零部件之间的拟合和位置。若“最终”设计需要容纳更大的载荷，存储更多液体，或更快传输动力，Goal Seek 可以轻松处理计算并最终驱动三维几何体。

　　Solid Edge 提供的解决方案在业界十分独特，因为它被整合到了二维和三维的解算过程中，可与 Variable Table (一张列明所有尺寸的内部表格)直接协同，允许在其间设置等式。 其他 CAD 解决方案通常依赖第三方许可但未嵌入解算过程的附加“计算器”。

　　结论

　　产品开发的竞争态势指，产品必须设计得更好，更快。需要手动计算基本参数来解决拟合和位置问题不利于提高生产力，也容易出错。桌面电脑是一个强大的“计算器”，当与 CAD 系统结合时，可提供巨大的杠杆作用。Solid Edge 的 Goal Seek 可提供强大的问题解决工具，还整合了三维建模。使用 Solid Edge 的工程师可使用一个熟悉的二维自由草图方法来定义问题，从而拥有解决复杂问题的快速、简易的方法。