自动化电路板振动分析可减少错误，并使处理速度提高 100 倍

工程师互助

Design Automation Associates Inc. (DAA) 于 1995 年创立，创始人为三名 United Technologies 工程师。公司提供各种工程咨询服务，专注于帮助企业实现产品开发和配置流程的自动化。该公司目前拥有 20 名员工，服务于各行各业，其中包括旋转设备、电子产品包装、工业机械、航空航天、军事和汽车。

DAA 在确定哪些活动适合自动化方面具有丰富经验。市场前景较好的业务之一是按订单设计 (ETO) 和按订单配置 (CTO) 产品的设计和分析。DAA 总裁兼首席执行官约翰·兰伯特表示：“工程设计和分析的所有领域都存在迭代问题，但在拥有按订单设计和按订单配置产品的公司中尤为明显。这些公司中某些零件设计的重复度很高，自动化后可以节省大量时间。”

作为电子产品封装领域的一个具体示例，兰伯特提到 ETO 印刷电路板 (PCB) 所必需的有限元分析 (FEA)。兰伯特解释说：“对于每笔新订单，这些公司都必须重新设计电路板。即使公司使用了良好的分析技术，仍然有很多工作必须由人工完成。”许多情况下需要人工计算，例如用于确定负载并评估分析结果。“其中许多计算，例如用于解释结果的计算，都涉及一些专有程序。这些程序也是使公司与众不同并富有竞争力的部分知识产权。”兰伯特继续说道，“由于逻辑和计算是特定于公司的，因此不会将整个逻辑和计算作为开箱即用的功能添加到任何分析软件中。”

DAA 曾遇到单个 ETO 产品分析过程需要 40 小时的情况。“一家公司每年可能会执行 100 到 200 次同样的分析过程。”兰伯特说道，“除了耗费时间和资金外，如此多的人工计算还可能导致错误。”每当 DAA 看到自动化的尝试时，几乎都是以宏的形式出现，而正如兰伯特所说，这是“20 年前的技术”。

远超于宏

DAA 工程师在工作中使用了许多先进的设计和分析解决方案，但涉及到对复杂的迭代分析和设计分析循环进行自动化时，该公司会依赖 Siemens Digital Industries Software 的 Simcenter 和 NX 软件。DAA 使用 Siemens Simcenter 产品组合中的 Simcenter 3D 和 Simcenter Nastran 进行高级分析。“Simcenter 和 NX 工具集具有出色的功能。”兰伯特说道，“通过 Simcenter 3D 和 NX，我们获得了集成的建模和分析功能以及 NX Open。”NX Open 是嵌入 Simcenter 3D 和 NX 中的应用程序编程接口 (API)。DAA 使用 NX Open 以及一些定制代码实现了更复杂的自动化。“对于我们所关注的问题，开箱即用的功能无法满足所需的复杂性和自动化程度。”兰伯特说道，“所以，我们选择使用 NX Open。”

作为 DAA 已完成的自动化示例，兰伯特讲述了用于航空航天应用的 PCB 的有限元分析。“这是重复性任务的一个极好示例，部分原因在于很多设计变量都可以改变，例如电路板上的组件和支架。”兰伯特解释道，“此外，电路板会受随机振动的影响，根据频谱的不同，可能会有一个或多个隔离区域。需要反复迭代移动频率，使其远离‘隔离区域’进入振动较小的区域，但问题是，这样做会增加负载和应力。移动频率时，必须重新评估负载。通常在电子产品封装中，有些组件的频率彼此接近，所以会互相放大。在适当的频率放置和结构板完整性之间取得平衡，是一项细致且需要进行迭代的工作。”

这项经 DAA 自动化的流程在用户看来如同原生 NX 功能，其中含括了几何建模、FEA 预处理、后处理和使用 Simcenter 3D 和 Simcenter Nastran® 软件进行的分析。从 PCB 的 NX 几何模型开始，程序便会自动创建有限元网格并应用适当的材料属性。然后，它以迭代方式运行频率提取分析 (Simcenter Nastran Solution 103)。DAA 使用 NX Open 编写的自定义代码将结果与随机振动频谱进行比较，然后继续迭代循环和修改 PCB 几何形状，直到 PCB 振动频率超出随机振动曲线上的隔离区域。接下来，进行自定义计算，确定载荷，然后分析应力和挠度 (Simcenter Nastran Solution 101)。一些附加的自定义代码将这些结果与行业和流程知识相结合，生成寿命预测，与材料允许值进行比较并最终确定设计是否可以接受。如果不能，则重新开始流程并继续迭代，直到设计具有足够的结构完整性。

兰伯特指出，虽然此示例不含热分析，但是：“通常必须进行热分析，也可以将其纳入自动化。”

耗时更少，错误更少

如 PCB 示例所示，自动化较明显的好处之一是节省时间。兰伯特曾见过这样的情况：以前需要 40 小时才能完成的分析，现在通过自动化流程只需 15 分钟即可完成。

当然，创建自动化需要时间，而 DAA 有一个很好的时间估算经验法则。“创建一个功能较为强大的自动化例程所需的时间大约是运行一次迭代的 10 倍。”兰伯特解释说，“因此，并非所有流程都适合自动化。如果某个分析只会运行几次，那可能没有必要。但如果一年要运行 25 次、100 次或者 200 次，差别就会非常明显。”那么创建他所描述的自动化系统需要什么技能水平？“需要具有中等编程能力的人员。”兰伯特说道，“日记功能将生成许多 NX Open 代码，但必须知道如何打开这些代码、如何编辑和增强代码使其更适合通用应用程序，而不仅仅是把按键记录下来。”

使用 Simcenter 3D 自动化迭代仿真流程还有其他好处。自动化保留了 NX 外观，因此熟悉 NX CAD 的用户只需少量培训便可快速入门。此外，一旦流程由专家分析员完成自动化，就可以由受过较少教育和培训的用户来运行，从而使分析员腾出更多精力处理更具挑战性的项目。流程自动化还具有标准化的效果，能够消除人为错误，如分析员的手工计算错误。

DAA 使用 NX Open 自动化取得了巨大成功，正因如此，大量公司尚未利用该软件的编程功能这一点让兰伯特颇为惊讶。“NX 和 Simcenter 的功能非常强大，尽管我们的客户非常需要这种自动化，但它还很少见于实际应用。”他说道，“只要条件适宜，在 NX CAD 环境中进行仿真流程自动化将是非常正确的投资。”