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PTC Math CAD

MATHCAD软件介绍

  MATHCAD是一款专业的工程计算软件,广泛地应用于电机、机械和土木工程等各行业的研发设计过程中的工程计算工作。借用于MATHCAD软件,设计人员可以轻松地应用产品开发过程中所遇到的,各类复杂的工程计算任务。

  借助于MATHCAD软件,工程人员可以完成设计研究与折衷分析,从而放心地知道自己已评估了所有最佳的选项,从而更快速地作出设计选择。在产品开发生命周期的早期作出更好的设计选择:

· 缩短产品上市时间并减轻风险;

· 通过更快速地研究更多的产品设计方案,增强工程人员的创造力;

· 通过优化的产品设计实现所需的真实性能;

· 最终,降低产品、保修和开发成本。

设计研究和折衷分析:改善早期设计决策的最佳做法

  设计研究和折衷分析是一项改善早期设计决策的最佳做法,而作出的决策反之可帮助降低产品开发过程后期的成本。工程师使用数学模型建立性能包络和折衷曲线,以快速找出最高效地满足产品需求的设计解决方案。通过利用明确记录的研究或分析,可以清楚了解为何提议的设计方案在性能和成本之间提供了最佳的折衷,而且可让审阅者放心地知道没有遗漏更好的解决方案。

  但是,需要克服一些令人生畏的挑战,才能获得此最佳做法的全部好处。

  事实上,许多新产品都是现有设计方案的变体,不过,由于既未捕捉也未组织与这些产品关联的原始分析,以供其他人查找,因此,常常要从头开始设计,而且工作量很大。这不仅会导致开发研制周期延长,还会占用宝贵的资源,并且限制可以有效评估的概念设计的数量。对于没有任何旧的信息可供利用的新员工或新的团队成员而言,此过程特别耗费时间。

  如果未将分析记录在案并关联到特定的设计方案,则相关人员(例如建模组中的工程师)将不得不猜测为何作出了特定的设计决策。如果通过更好的注释说明了有关此分析的假设,则工程师可以更快速和放心地进入到求解阶段。通过更好地注释和组织设计方案,可以更高效地与管理层进行沟通,以及早获得他们的批准,同时能在多个学科或全球性企业中分享工作成果。

  为了克服这些挑战和全面实现开展设计研究和折衷分析所带来的好处,工程师需要一些重要的功能,以便能够:

· 快速生成跨多个功能领域的设计研究,并且分析和记录这些研究。

· 全面考虑所有设计要求,以产生最佳的设计方案选择;

· 高效和放心地评估不同模型的敏感度,以了解和量化变更对设计目标的影响(快速地反复筛选各备选方案);

· 将结果与外部应用程序整合,并在整个企业和不同的工作组中清晰地传达结果。

· 跨工程专业进行的设计研究和折衷分析

  使用设计研究和折衷分析让电气、机械和土木工程都受益不浅。但是,每个专业领域都面对着一些独特的挑战,而下面介绍的三个方案举例对它们进行了说明。

  在我们的第一个方案中,某电气工程师负责重新设计视频游戏控制器中性能不佳的电路,而且要满足特定的要求,即改善可靠性、降低功耗并提高与现有设备的互操作性。接下来,某机械工程团队要设法确定哪种材料能最好地满足机械臂组件的最大握持力要求,同时仍然适应设计参数(例如厚度和重量)以及成本约束。最后,某经验丰富的土木工程公司接到一项任务,为三种不同类型的桥梁设计方案执行成本/ 收益折衷分析,同时要预先考虑交通部安全法规的要求。

  在每个方案中,PTC 的 MATHCAD 都提供了快速选出最佳概念设计方案所需的功能。MATHCAD 可以满足电气、机械和土木工程的独特要求,同时允许各个团队:

· 轻松直观地创建备选设计方案的数学模型;

· 使用此模型高效地反复筛选备选设计方案;

· 将备选设计方案明确告知管理层和全球团队成员,并请他们一起审阅。

方案 1 :重新设计电路以改善游戏性能

  某制造业公司指派一位工程师重新设计客户的视频游戏控制器电路。新的设计必须满足特定的要求,也即改善可靠性、降低功耗并提高与现有设备的互操作性。考虑到成本约束,必须尽可能使用更廉价的现成元件。

  该工程师使用 MATHCAD 在 MATHCAD 工作表中快速创建设计方案的元件模型。其中一个元件模型专门对各个现成的电阻和电容进行阻抗方面的折衷分析。利用 MATHCAD 的直观白板界面和内置的方程编辑器,该工程师可以使用熟悉的自然数学符号表示各元件的解和约束。她可以将精力集中在执行设计实验和分析本身上,而不是费力地通过编程来表示难以阅读的公式。

  实际上,她可以访问 600 多个数学函数和标准的电气方程库,因而能够快速轻松地创建元件模型,然后将它们应用到设计方案中。



  若要评估任何元件变更的影响,该工程师可以轻松地"置换"参数值,例如将电阻值从"8"改为"30"。这些元件值很可能已通过现成元件的库确定下来。由于 MATHCAD 的自然数学符号是"实时"变化的,因此,低频率、高频率和总阻抗值的变化会立即反映在整个模型中。在该工程师工作时,MATHCAD的动态单位检查功能可以减少错误和提高结果的准确性。自然数学符号、单位检查的准确性和实时的方程使工程师能够更准确地相互沟通,同时改善了过程效率和降低了犯下代价沉重的错误的可能性。

  MATHCAD 自动利用前面定义的阻抗计算和频率表来生成一阶交叉阻抗折衷分析图。在白板上或在基础表格中进行的任何更改均会动态地更新图形的显示。就像上面改变电阻元件一样,如果改变电容值,则更高频率的阻抗和总阻抗的图形曲线将自动更新。因此,MATHCAD 能让工程师快速评估和轻松沟通有关元件的选择。

  在任何地方查看此折衷分析结果的任何人都可以清楚了解这些公式,以及一整套清楚表达的假设和计算 — 不管它们是用于与管理层一起审阅设计研究,用于供监管机构审核,还是用于与全球各地的团队成员进行沟通。

 

 

方案 2 :评估机械臂电枢的候选材料的屈服强度

   某工业设备制造商的工程团队被要求评估机械臂"手指"材料在不同握持力下的屈服强度和成本折衷方案。评估的材料包括各种钢材,例如 ASTM A36、ASTM 514、不锈钢 ANSI 302,以及高密度聚乙烯 (HDPE)。材料必须满足屈服强度和抗张强度要求,以安全地达到最大的握持力,以及适应现有的设计参数(例如厚度和重量)以及成本约束。

   通过使用 MATHCAD 的直观白板界面,工程师快速创建一系列直观的折衷分析方程和图形,以计算绕着电枢模型的 x 轴折弯的惯性面积矩。内置的方程编辑器让团队能够使用熟悉的自然数学符号表示元件的解,而且自动的单位检查功能确保了结果的准确性。团队可以将精力集中在执行设计实验和分析本身上,而不是费力地通过编程来表示难以阅读和沟通的公式。

  利用 MATHCAD 的开放式体系结构,可以快速开始评估作为材料厚度函数的最大应力。由于早期的一个项目收集了接受评估的材料的屈服强度、极限强度和密度值,因此,可以从 Excel®电子表格中将这些值导入到 MATHCAD 工作表的库。

  现在,工程团队可以轻松地将此信息加入到他们用于执行折衷分析的 MATHCAD 工作表电枢模型中。

  团队在确保屈服强度的安全系数的情况下尽可能减小每种材料的厚度,之后,MATHCAD 会生成图形,它直观显示了使用HDPE 与 ASTM A36 钢之间的折衷分析。

  团队得出结论,在考虑所有约束和既定目标的情况下,最佳材料是 HDPE。在设计包络中留有足够的余量以适应较厚的电枢,而且它也满足抗张强度和屈服强度的要求。最终产生的质量是等效 A36 钢结构的 37.5%,而且 HDPE 的成本低于这种钢。

  最终选出 HDPE 的分析过程自动地逐步记录在 MATHCAD 工作表中,而且,后续负责其他项目的团队现在可以轻松地查看或重复利用此分析过程。

  团队还可以选择直接从 CAD 模型(例如 Creo™ Parametric 应用程序)中将电枢的尺寸和握持的几何形状导入到 MATHCAD工作表, 并且一起导入 CAD 模型的" 快照"。对MATHCAD 模型所做的任何更改都可以动态地修改 CAD 模型。

方案 3 :比较桥梁设计中的成本/ 收益折衷方案

  某工程公司有几十年的桥梁建造经验。客户请它确定以下三种设计方案中哪种提供了最佳的成本/ 收益比:悬臂桥、悬索桥或浮桥。

  这项设计研究涉及到大量的变量,包括交通量、不同长度的跨度、维护成本等等。经验表明,负责此项目的工程师必须在预测安全性要求方面仔细考虑,以便项目获得交通部的批准。

  幸运的是,工程师不必从头开始执行桥梁的设计研究和折衷分析。他们可以访问从以前的项目获得的已存档的 MATHCAD 工作表库。MATHCAD 除了允许工程师更快速地找出最佳的设计概念之外,还允许他们在设计过程中更早的阶段采用由管理层提议的方法,以便设计获得批准或修正设计方向。
项目团队首先选择了与当前挑战最相似的以前的设计研究。由于计算是用实时、自然的数学符号表示的,因此,他们可以更轻松地选出最适用的工作表。在早期研究中作出的基本假设也被记录在同一个工作表上,一并记录的还有图形和其他直观的参数表示形式。



  MATHCAD 的直观白板界面和内置的方程编辑器允许团队快速修改工作表,以适应当前项目的要求。团队可以访问 600 多个数学函数和标准的方程库,因而能够快速细致地反复筛选组件。修改工作表产生的结果将实时更新,这包括任何直观的显示元素在内。此外,所做的任何更改将由 MATHCAD 的动态单位检查功能加以验证,以便减少错误。可以轻松地向计算添加注释,以记录重要的事实和假设,从而说明在哪些参数和逻辑下如何获得结果。

  由于 MATHCAD 的使用具有"自文档化"的特点,因此,工程师无需创建供管理人员审阅且重复说明原始工作表及其修改的详细信息的独立报告。管理人员可以放心地知道一切都经过仔细考虑。

总结

  在作为最佳做法应用于产品开发过程的早期阶段时,设计研究和折衷分析能让工程师作出与既定要求更密切一致的产品决策。MATHCAD 提供了必需的重要功能,可让用户高效和自信地实现此最佳做法的全部好处。