圖1 安懷信科技總經(jīng)理李煥
一、正向設(shè)計(jì)對仿真的變革性要求
虛擬性能樣機(jī)庫有什么作用？安懷信科技的202規(guī)劃不僅僅包括制造，還包括如何做研發(fā)。虛擬性能樣機(jī)庫的作用是支撐企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成以后做設(shè)計(jì)變更的，是任何一個(gè)企業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的最核心的數(shù)據(jù)。
當(dāng)安懷信進(jìn)入該領(lǐng)域的時(shí)候，仿真整個(gè)角色已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地變化。首先從逆向設(shè)計(jì)來說，它的特點(diǎn)是當(dāng)企業(yè)買別人的產(chǎn)品回來拆解或者做代加工的時(shí)候，拿到的設(shè)計(jì)圖紙包含客戶需求信息、產(chǎn)品可制造信息、可裝配信息、性能信息、成本信息等，拿到產(chǎn)品后企業(yè)只需將它拆解后造出來，然后做試驗(yàn)，最理想的是試驗(yàn)一次成功，然后量產(chǎn)，這種情況下沒有對仿真的需求。如果是正向設(shè)計(jì)，例如華為做新手機(jī)，在沒有國外樣機(jī)的情況下，會(huì)迫使華為去考慮企業(yè)客戶的身份、定位、預(yù)期價(jià)位、需求功能等。此時(shí)華為要做的工作包括三個(gè)方面：一是CAD模型；二是所有的性能，包括成本，強(qiáng)度性能；三是制造性、裝配性、成本可維護(hù)性。所有的前期步驟變成正向設(shè)計(jì)企業(yè)必須思考的因素，這個(gè)變化導(dǎo)致一個(gè)問題，企業(yè)在逆向設(shè)計(jì)過程的時(shí)候沒有仿真，而且不希望出現(xiàn)仿真問題，希望十年均一次通過，直接量產(chǎn)。
但是這種情況在產(chǎn)品出現(xiàn)問題之后，依然需要找仿真人員幫助分析并做報(bào)告。可是進(jìn)入智能設(shè)計(jì)時(shí)代情況已經(jīng)完全不同，仿真手是唯一能夠預(yù)測圖紙的手段，這種情況下企業(yè)必須建立一個(gè)完整的，能夠支撐整個(gè)研發(fā)過程，從需求、概念、方案一直到詳細(xì)階段的大數(shù)據(jù)，任何虛擬產(chǎn)品都可以找到一個(gè)性能陽樣機(jī)描述，這個(gè)時(shí)候企業(yè)才能完成核心工作。沒有性能虛擬樣機(jī)庫，永遠(yuǎn)也不敢談設(shè)計(jì)。
從逆向轉(zhuǎn)正向的過程，仿真發(fā)生了變化。第一，原來仿真是攪合，現(xiàn)在是對設(shè)計(jì)起到優(yōu)化和驅(qū)動(dòng)的作用；第二，原來仿真在流程中不希望出現(xiàn)，可有可無，所以對仿真的研究不需要那么固化和精確，找一個(gè)趨勢就可以了。但是現(xiàn)在因?yàn)樗械脑O(shè)計(jì)必須有性能預(yù)測，否則一點(diǎn)也不敢制造，所以每個(gè)模型的每個(gè)地方都要進(jìn)行研究，要形成規(guī)范。汽車行業(yè)的仿真做的好，也是因?yàn)槎加幸?guī)范。除了汽車行業(yè)可以拿到規(guī)范，其他行業(yè)沒有規(guī)范可以拿回來。所以這個(gè)時(shí)候企業(yè)需要將仿真變成閉環(huán)。對于產(chǎn)品，不管是系統(tǒng)級非系統(tǒng)級都需要做好，這是仿真的變化。
二、虛擬樣機(jī)庫建設(shè)思路及對正向設(shè)計(jì)的支撐
虛擬性能樣機(jī)庫怎樣對企業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行一個(gè)完整的支持？如圖2，目前企業(yè)存在的研發(fā)流程主要有以下幾種：需求和概念，方案、詳細(xì)、試驗(yàn)。首先他們是隔離的，仿真和試驗(yàn)是兩個(gè)概念，設(shè)計(jì)人員用仿真的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致企業(yè)對仿真過程中的規(guī)范性和準(zhǔn)確性都沒有辦法控制。那么企業(yè)想做成什么樣子？虛擬性能樣機(jī)庫起到中間的堆棧作用，它是什么？每一個(gè)模型建立的過程中，它都會(huì)追尋一個(gè)規(guī)范，追尋整個(gè)產(chǎn)品的性能樣機(jī)建模的分解的規(guī)律，把這些模型建起來以后，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，所有的數(shù)據(jù)排整齊之后，再用四個(gè)階段來應(yīng)用。
圖2 企業(yè)研發(fā)流程
這個(gè)變化解決了企業(yè)原來的幾個(gè)問題，第一是仿真準(zhǔn)確性的問題，原來仿真準(zhǔn)還是不準(zhǔn)，現(xiàn)在所有的仿真用實(shí)驗(yàn)已經(jīng)確認(rèn)過，是有精度的；第二是仿真模型的完整性是從層級劃分上，由系統(tǒng)一直往下面每一個(gè)性能，甚至包括下面的單元材料性能，裝配關(guān)系性能，包括管理；三是仿真和實(shí)驗(yàn)的相互關(guān)系，解決了仿真指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真這樣一個(gè)閉環(huán)關(guān)系。
如圖3是整個(gè)虛擬性能樣機(jī)庫的基本框架。這是目前大部分企業(yè)在做的，即局部的關(guān)鍵的仿真，同時(shí)用局部的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。這種驗(yàn)證也是一種比較自發(fā)的驗(yàn)證關(guān)系，并沒有一個(gè)完整的邏輯。現(xiàn)在企業(yè)如果做虛擬性能樣機(jī)庫，首先是做分層，先做仿真和實(shí)驗(yàn)的規(guī)劃，然后基于規(guī)劃做一個(gè)仿真的金字塔。已經(jīng)做的模型放到其中某一個(gè)位置，根據(jù)需要補(bǔ)充一些仿真，同樣的事情發(fā)生在實(shí)驗(yàn)，因而實(shí)驗(yàn)也有一個(gè)金字塔。已經(jīng)做好的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行完整層級的驗(yàn)證和確認(rèn)，使得原來的仿真模型經(jīng)過驗(yàn)證以后具有一個(gè)重要的指標(biāo)，就是置信度，變成這個(gè)金字塔，這個(gè)金字塔實(shí)現(xiàn)方針設(shè)計(jì)。
圖3 產(chǎn)品虛擬性能樣機(jī)庫基本框架
三、虛擬樣機(jī)庫C-SDM界面及主要功能模塊
第一代SDM的特征僅僅在于管理仿真管理文件，第二代除了管理結(jié)果文件，還管理過程、模板文件，第三代是考慮仿真模型的置信度評估及置信度提升。如圖4，V&V主要指仿真和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證和確認(rèn)這個(gè)過程，簡單來說第一個(gè)V是指在數(shù)學(xué)模型建立過程中，模型建立的準(zhǔn)確性。第二個(gè)V是指當(dāng)數(shù)學(xué)模型沒有很精準(zhǔn)的話，檢查就是用實(shí)驗(yàn)來修正模型，所以這兩個(gè)V代表仿真模型建立的準(zhǔn)確性。
圖4 V&V
安懷信的CSDM是完全遵循V&V模塊來建立，分四個(gè)模塊。第一是如何做仿真規(guī)劃；第二如何做驗(yàn)證規(guī)劃；第三是如何用實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)修正仿真模型，而得到虛擬樣機(jī)；第四是建立虛擬樣機(jī)如何用？主要分為四個(gè)功能。
圖5 C-SDM包含的四大基本功能
從五個(gè)維度管理企業(yè)產(chǎn)品的性能，第一是層級維度，把性能首先從層級維度管住；第二是學(xué)科的維度，從這些維度進(jìn)行了性能管理；第三從建模工具維度，常見的Ansys這些軟件的建模；第四是置信度的維度，有些時(shí)候企業(yè)用數(shù)學(xué)模型建立一些模型，但是早期方案非常快，而且可以用于系統(tǒng)仿真，這個(gè)時(shí)候企業(yè)用它進(jìn)行早期方案。針對網(wǎng)格數(shù)不多的仿真模型，這個(gè)時(shí)候用于方案設(shè)計(jì)是夠的，但是之后企業(yè)開始量產(chǎn)，將網(wǎng)格化做的很精確，這種情況下是進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)；第五是型號維度，因?yàn)檫@里每一個(gè)性能來自于其中一個(gè)性能它的仿真和實(shí)驗(yàn)對比，所以每一個(gè)產(chǎn)品屬于不同性能，所以從五個(gè)維度管理整個(gè)產(chǎn)品的完整性能。
圖6 性能虛擬樣機(jī)的控制主界面
如圖6是性能虛擬樣機(jī)的控制主界面，首先是金字塔，從主要功能來說，所有的模型管理均在金字塔里面。旁邊還有一個(gè)主功能菜單，包括仿真規(guī)劃、仿真驗(yàn)證、虛擬樣機(jī)、個(gè)性工作區(qū)、資源管理、系統(tǒng)管理。此外還有編輯工具和任務(wù)分解、任務(wù)管理，以及一些統(tǒng)計(jì)管理的工作。
從層級分解來看，以飛機(jī)為例，什么叫層級分解，從系統(tǒng)級的整機(jī)模態(tài)都是屬于整機(jī)，到子系統(tǒng)分結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、動(dòng)力子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)。到基準(zhǔn)問題是結(jié)構(gòu)模態(tài)分析、強(qiáng)度分析、熱分析、氣動(dòng)分析。到單一問題是材料性能、熱系數(shù)、摩擦系統(tǒng)。V&V對仿真的描述跟PRM不一樣，V&V的目標(biāo)是希望做大量的基礎(chǔ)研究，包括基礎(chǔ)仿真和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，最終降低復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。
如圖7是驗(yàn)證金字塔的規(guī)范，仿真金字塔做出來，有一些會(huì)做驗(yàn)證，生成驗(yàn)證的性能。做驗(yàn)證的過程中很容易找到所屬的模型，包括所參考的一些原來做過的驗(yàn)證的流程、工具、模型全部在這個(gè)里面利用已經(jīng)做過的樣本。當(dāng)真正完成驗(yàn)?zāi)５臅r(shí)候會(huì)用到工具，包括動(dòng)力學(xué)，這都是安懷信的產(chǎn)品線，安懷信除了管理系統(tǒng)以外做每一個(gè)學(xué)科的驗(yàn)?zāi)９ぞ撸�可以在里面調(diào)用安懷信任何的驗(yàn)?zāi)９ぞ撸鸵呀?jīng)形成的模板進(jìn)行驗(yàn)?zāi)：蜕伞?/div>
圖7 驗(yàn)證金字塔規(guī)范
在圖7中可以看到，只有規(guī)劃沒有做是藍(lán)色，做了的是綠色，延期是紅色，完成的是橙色，就是這樣的管理方式。當(dāng)企業(yè)做這樣一個(gè)任務(wù)規(guī)劃以后，每一個(gè)任務(wù)都可以進(jìn)行仿真或者是驗(yàn)證的任務(wù)生成，生成有一些標(biāo)準(zhǔn)的模板，這個(gè)模板可以找到過去同樣的部件或者是同樣的建模工具建的模型，或者是已經(jīng)有高置信度的模板，企業(yè)可以利用這些模板進(jìn)行新模型的生成。圖8是個(gè)人工作區(qū)，有一個(gè)人進(jìn)來以后，從事的仿真任務(wù)、驗(yàn)證任務(wù)、流程任務(wù)這些都會(huì)體現(xiàn)出來。
圖8 個(gè)人工作區(qū)
這些樣機(jī)在被使用的時(shí)候，會(huì)建立一個(gè)非常大的數(shù)據(jù)庫，包含使用情況的所有信息。如果在使用過程中不需要那么龐大的數(shù)據(jù)庫，就可以用視圖方式，比如學(xué)科視圖-我的視圖，分配的上下游相關(guān)的人，或者只看結(jié)構(gòu)相關(guān)模型，這樣很容易利用樣機(jī)庫進(jìn)行工作。包括形成型號，這個(gè)型號里面企業(yè)做哪些項(xiàng)目？同時(shí)里面做了所有的仿真和驗(yàn)證工作，當(dāng)企業(yè)做下一個(gè)型號的時(shí)候，可以將整個(gè)模板生成下一個(gè)型號的任務(wù)發(fā)布，讓一個(gè)型號的仿真過程變得比原來快很多，是虛擬樣機(jī)庫的一個(gè)重要特點(diǎn)。
四、虛擬樣機(jī)庫建設(shè)價(jià)值
虛擬性能樣機(jī)庫能同時(shí)服務(wù)仿真人員和設(shè)計(jì)人員，服務(wù)仿真進(jìn)行快速精確的仿真，服務(wù)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。安懷信其它幾個(gè)系統(tǒng)集成，包括PLM、快速方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)、CAE工具、V&V工具、TDM實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括有其它的MES系統(tǒng)安懷信也可以做集成。如果企業(yè)有這樣一個(gè)系統(tǒng)，它建立產(chǎn)品性能訪問大數(shù)據(jù)，首先它的性能按照層級、建模工具進(jìn)行全面管理，是企業(yè)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。其次才能實(shí)現(xiàn)高精度的仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，第一它的高置信度，第二里面所有的信息最后都會(huì)形成仿真規(guī)范，那么仿真人員只要有仿真規(guī)范就可以進(jìn)行仿真的可預(yù)測這樣的工作。第三仿真的實(shí)驗(yàn)是緊密集成的方式，最后是性能仿真支持的管理和重用一個(gè)非常重要的手段。
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