e-works数字化企业网  »  文章频道  »  产品创新数字化(PLM)  »  CAD

浅析CAI技术在概念设计中的应用

2006/11/17    来源:e-works    作者:解士昆、郭曼莉、万欣      
关键字:概念设计  CAI  TRIZ  本体论  散热器  
本文以电子元件的散热问题为例,介绍了计算机辅助创新(CAI)技术在概念设计中的应用。详细描述了概念设计中系统分析、问题分解、方案求索等主要过程。

    一、 引言
   
    毫无疑问,我国是制造业大国。但这个曾经引以为荣的"世界工厂"帽子,现在已经成为企业利润微薄、恶性竞争的背书。原因很简单:没有自己的核心技术,只能做别人的嫁衣裳。残酷的现实逼迫企业家们开始思考,如何才能拥有自己的"原创",变Made in China为Design in China。
   
    产品的设计过程一般分为概念设计阶段、详细设计阶段、试制阶段。其中概念设计阶段所占的时间和资源一般只占10%~30%,但决定了产品制造成本的80%,如果考虑到产品的维护期费用,这个比例还要更高。同时,由于概念设计阶段确定了产品的所有主要技术方向,因此我们所说的创新也主要产生在这一阶段。传统上,概念设计依赖于工程技术人员的经验,特别是专家的经验。这就给企业带来了很大的不确定性,也就大大增加了企业的风险。近年来在欧美快速展的CAI(Computer Aided Innovation,计算机辅助创新)技术,它用科学、系统化的方法支持了创新概念设计这一过程,大大提高了概念设计的效率和质量,进而为企业带来极具竞争力的产品。
   
    二、 CAI技术简介
   
    我国企业已经普遍认识到创新对于企业的意义。党中央国务院也作出了建设创新型国家的决策,把增强自主创新能力作为国家战略。但另一方面,提到创新,很多人也会有一种恐惧,认为创新就是要做出"蒸汽机"一样推动历史的伟大发明,或找到下一个"相对论";要投入天文数字的科研经费。事实上,在以产品为中心的企业当中,解决技术问题就是创新!资料表明,在工程技术问题中,其中四分之三的问题可以通过企业内部的既有知识得到解决。如下表:
    
     
    发明的等级划分表及知识领域
   
    因此,企业面对的主要问题在于:是否可以找到一种切实有效的方法论,结构化的分析问题,并充分调动既有知识,创造性的寻求问题的解决方案。事实上,早在上个世纪40年代,前苏联的科学家阿奇舒勒(Altshuller)在分析大量专利的基础上,对人类创新活动规律和原理进行了系统的揭示,从而形成了指导创新活动的TRIZ理论(发明问题解决理论)。鉴于前苏联军事工业不断创新形成的优势,TRIZ理论一度成为美苏间谍战的目标,前苏联解体后,随着TRIZ大师们移居欧美,TRIZ理论在全球得到了更为广泛的传播和应用,进而也得到了快速的发展。本世纪初,TRIZ理论和计算机技术融合,逐步形成了CAI技术。现在,CAI技术融入了更多的现代设计方法学,以及知识工程领域的本体论,成为了一门独立的学科,并服务于企业的技术研发工作。
   
    CAI技术定位于:通过运用多种技术分析方法,为产品的概念设计提供有效的帮助。
   
    CAI技术的核心是:现代设计方法论体系和从大量的创新实例中挖掘出的解题思路知识库。如下图所示:
 

 
    CAI技术体系构成
 
    三、 应用CAI技术进行电子元件散热问题的研探
 
    当前电子产品可谓丰富多彩。电子产品中含有大量发热的电子元件,随着电子产品功能的不断提升、体积不断缩小,电子元件的散热问题日益突出,其中集成电路芯片的散热问题就是一个典型的代表。这里,我们以其为例,来了解CAI技术在概念设计中的实际应用方法。
 
    3.1 问题情境
 
    摩尔定律揭示,晶体管集成电路的规模每隔18~24个月便会增加一倍。研究表明,以增加晶体管数量、提高频率的方式来设计的CPU,其新一代产品的功耗注定会比上一代提升1.33~1.77倍,正是这个隐藏在摩尔定律背后的功率法则,形成了对散热器产品性能不断提升的根本需求。为了响应这一需求,众多厂商在散热器产品设计中八仙过海,形成了一批专有技术。


 
     CPU设计功率消耗表

    为了解决散热问题,我们有必要回顾一下有关散热的基本物理学原理。热主要是通过三种途径来传递,它们分别是:热传导、热对流、热辐射。

    热传导。通过物体的直接接触,热从温度高的部位传到温度低的部位。热能的传递速度和能力取决于:A.物体的材质;B.物体之间的温度差。热传导是散热的最主要方式,也是散热技术需要解决的核心问题之一。

    热对流。热通过流动介质(气体或液体)将热量由空间中的一处传到另一处。根据流动介质的不同,可分为气体对流和液体对流。影响热对流的因素主要有:A.通风孔洞面积和高度;B.温度差;C.通风孔洞所处位置的高度,越高对流越快;D.液体对流:导热效果比较好,这因为液体比热要大些,所以温差大,导热快。

责任编辑:孙文婕
本文为e-works原创投稿文章,未经e-works书面许可,任何人不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用。如已是e-works授权合作伙伴,应在授权范围内使用。e-works内容合作伙伴申请热线:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐