圖1 安懷信科技總經(jīng)理李煥
一、正向設(shè)計對仿真的變革性要求
虛擬性能樣機庫有什么作用？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)。虛擬性能樣機庫的作用是支撐企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計完成以后做設(shè)計變更的，是任何一個企業(yè)創(chuàng)新設(shè)計的最核心的數(shù)據(jù)。
當(dāng)安懷信進(jìn)入該領(lǐng)域的時候，仿真整個角色已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地變化。首先從逆向設(shè)計來說，它的特點是當(dāng)企業(yè)買別人的產(chǎn)品回來拆解或者做代加工的時候，拿到的設(shè)計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，最理想的是試驗一次成功，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，例如華為做新手機，在沒有國外樣機的情況下，會迫使華為去考慮企業(yè)客戶的身份、定位、預(yù)期價位、需求功能等。此時華為要做的工作包括三個方面：一是CAD模型；二是所有的性能，包括成本，強度性能；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)計企業(yè)必須思考的因素，這個變化導(dǎo)致一個問題，企業(yè)在逆向設(shè)計過程的時候沒有仿真，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告�？墒沁M(jìn)入智能設(shè)計時代情況已經(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)必須建立一個完整的，能夠支撐整個研發(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)品都可以找到一個性能陽樣機描述，這個時候企業(yè)才能完成核心工作。沒有性能虛擬樣機庫，永遠(yuǎn)也不敢談設(shè)計。
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)計起到優(yōu)化和驅(qū)動的作用；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，找一個趨勢就可以了。但是現(xiàn)在因為所有的設(shè)計必須有性能預(yù)測，否則一點也不敢制造，所以每個模型的每個地方都要進(jìn)行研究，要形成規(guī)范。汽車行業(yè)的仿真做的好，也是因為都有規(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。所以這個時候企業(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、虛擬樣機庫建設(shè)思路及對正向設(shè)計的支撐
虛擬性能樣機庫怎樣對企業(yè)設(shè)計進(jìn)行一個完整的支持？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。首先他們是隔離的，仿真和試驗是兩個概念，設(shè)計人員用仿真的時候會導(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？虛擬性能樣機庫起到中間的堆棧作用，它是什么？每一個模型建立的過程中，它都會追尋一個規(guī)范，追尋整個產(chǎn)品的性能樣機建模的分解的規(guī)律，把這些模型建起來以后，利用實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證和確認(rèn)，所有的數(shù)據(jù)排整齊之后，再用四個階段來應(yīng)用。
圖2 企業(yè)研發(fā)流程
這個變化解決了企業(yè)原來的幾個問題，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)在所有的仿真用實驗已經(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；三是仿真和實驗的相互關(guān)系，解決了仿真指導(dǎo)實驗和實驗驗證仿真這樣一個閉環(huán)關(guān)系。
如圖3是整個虛擬性能樣機庫的基本框架。這是目前大部分企業(yè)在做的，即局部的關(guān)鍵的仿真，同時用局部的實驗進(jìn)行驗證。這種驗證也是一種比較自發(fā)的驗證關(guān)系，并沒有一個完整的邏輯�，F(xiàn)在企業(yè)如果做虛擬性能樣機庫，首先是做分層，先做仿真和實驗的規(guī)劃，然后基于規(guī)劃做一個仿真的金字塔。已經(jīng)做的模型放到其中某一個位置，根據(jù)需要補充一些仿真，同樣的事情發(fā)生在實驗，因而實驗也有一個金字塔。已經(jīng)做好的實驗進(jìn)行完整層級的驗證和確認(rèn)，使得原來的仿真模型經(jīng)過驗證以后具有一個重要的指標(biāo)，就是置信度，變成這個金字塔，這個金字塔實現(xiàn)方針設(shè)計。
圖3 產(chǎn)品虛擬性能樣機庫基本框架
三、虛擬樣機庫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主要指仿真和實驗的驗證和確認(rèn)這個過程，簡單來說第一個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，檢查就是用實驗來修正模型，所以這兩個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，分四個模塊。第一是如何做仿真規(guī)劃；第二如何做驗證規(guī)劃；第三是如何用實驗的數(shù)據(jù)修正仿真模型，而得到虛擬樣機；第四是建立虛擬樣機如何用？主要分為四個功能。
圖5 C-SDM包含的四大基本功能
從五個維度管理企業(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，有些時候企業(yè)用數(shù)學(xué)模型建立一些模型，但是早期方案非�？欤铱梢杂糜谙到y(tǒng)仿真，這個時候企業(yè)用它進(jìn)行早期方案。針對網(wǎng)格數(shù)不多的仿真模型，這個時候用于方案設(shè)計是夠的，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；第五是型號維度，因為這里每一個性能來自于其中一個性能它的仿真和實驗對比，所以每一個產(chǎn)品屬于不同性能，所以從五個維度管理整個產(chǎn)品的完整性能。
圖6 性能虛擬樣機的控制主界面
如圖6是性能虛擬樣機的控制主界面，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。旁邊還有一個主功能菜單，包括仿真規(guī)劃、仿真驗證、虛擬樣機、個性工作區(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)計管理的工作。
從層級分解來看，以飛機為例，什么叫層級分解，從系統(tǒng)級的整機模態(tài)都是屬于整機，到子系統(tǒng)分結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)。到基準(zhǔn)問題是結(jié)構(gòu)模態(tài)分析、強度分析、熱分析、氣動分析。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)實驗，最終降低復(fù)雜系統(tǒng)的實驗。
如圖7是驗證金字塔的規(guī)范，仿真金字塔做出來，有一些會做驗證，生成驗證的性能。做驗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證的流程、工具、模型全部在這個里面利用已經(jīng)做過的樣本。當(dāng)真正完成驗?zāi)５臅r候會用到工具，包括動力學(xué)，這都是安懷信的產(chǎn)品線，安懷信除了管理系統(tǒng)以外做每一個學(xué)科的驗?zāi)９ぞ�，還可以在里面調(diào)用安懷信任何的驗?zāi)９ぞ�，和已�?jīng)形成的模板進(jìn)行驗?zāi)：蜕伞?/div>
圖7 驗證金字塔規(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)做這樣一個任務(wù)規(guī)劃以后，每一個任務(wù)都可以進(jìn)行仿真或者是驗證的任務(wù)生成，生成有一些標(biāo)準(zhǔn)的模板，這個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是個人工作區(qū)，有一個人進(jìn)來以后，從事的仿真任務(wù)、驗證任務(wù)、流程任務(wù)這些都會體現(xiàn)出來。
圖8 個人工作區(qū)
這些樣機在被使用的時候，會建立一個非常大的數(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庫進(jìn)行工作。包括形成型號，這個型號里面企業(yè)做哪些項目？同時里面做了所有的仿真和驗證工作，當(dāng)企業(yè)做下一個型號的時候，可以將整個模板生成下一個型號的任務(wù)發(fā)布，讓一個型號的仿真過程變得比原來快很多，是虛擬樣機庫的一個重要特點。
四、虛擬樣機庫建設(shè)價值
虛擬性能樣機庫能同時服務(wù)仿真人員和設(shè)計人員，服務(wù)仿真進(jìn)行快速精確的仿真，服務(wù)設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。安懷信其它幾個系統(tǒng)集成，包括PLM、快速方案設(shè)計系統(tǒng)、CAE工具、V&V工具、TDM實驗數(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)。其次才能實現(xiàn)高精度的仿真驅(qū)動設(shè)計，第一它的高置信度，第二里面所有的信息最后都會形成仿真規(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。第三仿真的實驗是緊密集成的方式，最后是性能仿真支持的管理和重用一個非常重要的手段。
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