MSC通用行業(yè)技術(shù)總監(jiān) 李偉

1 中國制造業(yè)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

    目前中國的制造業(yè)正面臨前所未有的大發(fā)展機(jī)遇，主要體現(xiàn)在電子信息、高鐵、工程機(jī)械等行業(yè)。電子信息產(chǎn)業(yè)中，現(xiàn)在人們消費(fèi)觀念和消費(fèi)方式的轉(zhuǎn)變以及對新產(chǎn)品新技術(shù)的青睞，給電子行業(yè)帶來了巨大的應(yīng)用市場，城鎮(zhèn)化發(fā)展也提供了巨大的需求潛力，國內(nèi)消費(fèi)需求進(jìn)入加快成長期。高鐵和地鐵時代全面來臨，改變了交通運(yùn)輸?shù)母窬�。近幾年國家提出了�?zhàn)略區(qū)域規(guī)劃讓工程機(jī)械行業(yè)持續(xù)受益。新能源戰(zhàn)略對風(fēng)能、核能、太陽能等產(chǎn)業(yè)起了全面推動作用。另外國家產(chǎn)業(yè)升級需要重型裝備制造業(yè)的大力支持，高端裝備制造業(yè)也在國家十二五規(guī)劃里列為重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)。

    當(dāng)然看到機(jī)遇同時也面臨著空前的挑戰(zhàn)，首先是中國制造業(yè)缺乏核心技術(shù)的缺失導(dǎo)致，因此產(chǎn)品的附加值不高。同時勞動生產(chǎn)率低下，單位產(chǎn)品能耗較高。另外在研發(fā)投入少、研發(fā)手段落后導(dǎo)致企業(yè)的創(chuàng)新能力不足。全球化也推動了更為復(fù)雜的市場競爭。

    應(yīng)對挑戰(zhàn)，最重要的事情是縮減產(chǎn)品開發(fā)周期，以更多的創(chuàng)新、更高的質(zhì)量和更低的成本去占領(lǐng)市場。為了幫助制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期以及提高產(chǎn)品的創(chuàng)新能力，MSC提出了虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)（VPD）。VPD的核心是虛擬樣機(jī)建模及仿真測試，而先進(jìn)的仿真技術(shù)又是該核心的關(guān)鍵。

2 MSC VPD多學(xué)科解決方案

    2.1 VPD的發(fā)展趨勢

    多學(xué)科集成。以前仿真技術(shù)的應(yīng)用主要是集中在特定的單學(xué)科，比如產(chǎn)品的應(yīng)力、穩(wěn)定性、耐久性、振動噪聲等。而現(xiàn)在仿真發(fā)展趨勢是各個學(xué)科的融合，為了真實(shí)展現(xiàn)產(chǎn)品在實(shí)際工作環(huán)境中的性能，需要綜合考慮各學(xué)科對它的影響，也就是多學(xué)科的集成仿真，在集成的仿真環(huán)境中研究問題同時還要考慮各學(xué)科之間的耦合影響。

    仿真流程建設(shè)。以前在企業(yè)仿真工作需要專門的技術(shù)人員來做，為了降低仿真工作的技術(shù)門檻，需要把仿真分析的方法用模板制定出標(biāo)準(zhǔn)的流程，這樣即使只有少量專業(yè)知識的人也能進(jìn)行仿真分析工作。這就是仿真流程的定制和管理，通過仿真流程的定制和管理可以對企業(yè)的仿真工作進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，在提高仿真分析效率的同時保證了精度。

    CAD/CAE集成。CAD和CAE的集成有助于企業(yè)研發(fā)部門內(nèi)部的協(xié)同工作，加深設(shè)計部門和仿真部門的交流，更加高效的進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)工作。

    2.2 MSC多學(xué)科仿真環(huán)境

    MSC多學(xué)科仿真環(huán)境

    MSC多學(xué)科虛擬仿真環(huán)境，在運(yùn)動控制、流體力學(xué)、耐久性、振動噪聲等各個學(xué)科領(lǐng)域都提供了仿真分析工具來解決相應(yīng)的問題。以Nastran為例，Nastran在CAE領(lǐng)域是非常著名的結(jié)構(gòu)分析軟件，最早期廣泛地應(yīng)用于航天航空行業(yè)。現(xiàn)在的Nastran與以前相比增加了很多新功能，以前Nastran主要是靜力學(xué)、動力學(xué)、聲學(xué)分析，現(xiàn)在還包含了優(yōu)化、裝配分析、碰撞、跌落、熱、轉(zhuǎn)子動力等分析功能，還和流體分析軟件集合實(shí)現(xiàn)流固耦合分析，是真正意義上的多學(xué)科求解器。

    2.3 解決方案：工具+服務(wù)

    有了優(yōu)秀的CAE軟件并不代表能解決產(chǎn)品設(shè)計中的實(shí)際問題，為了用好CAE軟件，MSC根據(jù)客戶的應(yīng)用層次提供不同的服務(wù)。對初級用戶提供軟件及系統(tǒng)的支持服務(wù)，包括軟件使用技術(shù)的培訓(xùn)和軟件環(huán)境的搭建；對中級用戶提供CAE軟件的分析應(yīng)用和專業(yè)意見，通過導(dǎo)航項(xiàng)目去指導(dǎo)客戶使用軟件解決實(shí)際工程問題；對中高層用戶提供流程自動化、經(jīng)驗(yàn)整合及資料管理方面的服務(wù)，這樣可以幫助用戶制定企業(yè)內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)分析流程，通過分析流程的定制固化企業(yè)的仿真知識經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到知識積累和重用；對高級用戶提供產(chǎn)品研發(fā)的建議和部署平臺架構(gòu)，涉及到企業(yè)仿真管理。

    總的來說MSC為不同應(yīng)用層次的客戶提供軟件工具加技術(shù)服務(wù)的解決方案，有了軟件工具和技術(shù)服務(wù)之后，從根本上解決客戶的實(shí)際問題。

3 應(yīng)用及案例

    3.1 電子行業(yè)

    VPD技術(shù)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用內(nèi)容包括溫度場及熱應(yīng)力分析、密封性分析、電路板振動分析、柔性體機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析、抗沖擊及跌落分析等。

    熱分析是電子行業(yè)仿真中非常重要的內(nèi)容，包括兩個方面。首先是相對簡單的溫度場計算，只要給出熱邊界條件就可以算出溫度分布。另一方面是比較復(fù)雜的熱和結(jié)構(gòu)的耦合分析，一般用在封裝結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)變形和溫度分布相互影響。

    傳熱和熱應(yīng)力分析

    機(jī)械運(yùn)動性能和組裝仿真可以解決電子產(chǎn)品的干擾問題、確認(rèn)組裝的可行性還有評估它的機(jī)械性能。例如通過打印機(jī)中掃描過程的運(yùn)動仿真可以分析接觸圖像傳感器在掃描過程中振動的情況，通過振動程度來優(yōu)化掃描儀結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)。在某型號洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中為了對其減震性能進(jìn)行優(yōu)化，首先用MSC Nastran進(jìn)行洗衣機(jī)柜模態(tài)分析，然后用ADAMS結(jié)合MBD技術(shù)進(jìn)行洗衣機(jī)裝配體分析并創(chuàng)建Nastran等效模型，最后用MSC Nastran進(jìn)行包含柔性洗衣機(jī)面板的等效洗衣機(jī)振動分析，經(jīng)過多次優(yōu)化之后振動位移下降了70%。對于無線電話的插銷插拔過程，在裝配時如果結(jié)構(gòu)不合理插入過程需要用很大的力，某些結(jié)構(gòu)強(qiáng)行插入后會出現(xiàn)材料發(fā)白的現(xiàn)象�？梢酝ㄟ^插銷插拔過程（包括外插銷插入中間支座孔和插入后內(nèi)卡扣插入外插銷兩個插入過程）仿真來優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

    洗衣機(jī)防振結(jié)構(gòu)優(yōu)化

    針對跌落分析，企業(yè)會針對產(chǎn)品各個姿態(tài)的跌落結(jié)果制定標(biāo)準(zhǔn)，出廠之前進(jìn)行試驗(yàn)。除了直接的電子產(chǎn)品跌落分析之外，對于帶包裝的產(chǎn)品也要進(jìn)行仿真模擬，有效評估不同包裝設(shè)計與材質(zhì)的緩沖與抗損能力，來優(yōu)化包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用最合適的包裝材料。同時也可以研究產(chǎn)品的各個部件在沖擊、跌落的過程中的塑性變形、強(qiáng)度等方面的問題，由此來判斷在跌落過程中會不會發(fā)生破壞。

    模組跌落分析

    3.2 通用機(jī)械行業(yè)

    VPD技術(shù)在通用機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用內(nèi)容包括焊接應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、疲勞壽命、控制系統(tǒng)分析、冷卻系統(tǒng)分析、流程自動化、分析和報告自動生成、瞬態(tài)路面平順性分析等。

    工程機(jī)械機(jī)電液一體化仿真

    典型的案例就是ADAMS在風(fēng)電機(jī)的多體系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用，Adams已用于此用途超過10年，它包含齒輪、軸承、控制系統(tǒng)、柔性組件以及空氣動力學(xué)荷載的高級模型。典型應(yīng)用為研究完整系統(tǒng)在各種動態(tài)荷載下的不同行為，方法是查看系統(tǒng)中的位移、速度、加速度和作用力。多體系統(tǒng)仿真是準(zhǔn)確預(yù)測系統(tǒng)中荷載的流行方法，而荷載以后可用于應(yīng)力和疲勞分析。通過查看結(jié)構(gòu)的不同部分之間輸入和輸出之間的傳輸功能，也可以在頻域中進(jìn)行分析，以研究風(fēng)電機(jī)的模式，并進(jìn)而研究系統(tǒng)的激勵。

    風(fēng)電機(jī)的完整仿真

    3.3 汽車行業(yè)

    VPD技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用內(nèi)容有虛擬試驗(yàn)場、車門下沉（流程自動化）、制動器嘯叫分析（鏈?zhǔn)椒治觯�、發(fā)動機(jī)缸體分析（自動裝配）、共模型（碰撞和NVH）等。

    VPD技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用

    3.4 其他行業(yè)

    VPD技術(shù)在交通運(yùn)輸行業(yè)中的應(yīng)用內(nèi)容有詳細(xì)的應(yīng)力分析流程和報告自動化、熱力學(xué)仿真、氣候舒適度和冷卻、噪聲-振動、橫風(fēng)穩(wěn)定性、隧道空氣動力學(xué)、與障礙物等碰撞安全性分析等。在日用品行業(yè)中的應(yīng)用內(nèi)容有非線性屈曲壓碎分析、包裝性能分析、密封性分析、跌落測試過程流固耦合分析、裝配線系統(tǒng)建模仿真等。

4 總結(jié)

    MSC為用戶提供了多學(xué)科仿真全面的分析工具和解決方案， VPD仿真體系是系統(tǒng)和完整的多學(xué)科系統(tǒng)虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，先進(jìn)的多學(xué)科聯(lián)合仿真技術(shù)能幫助用戶降低設(shè)計風(fēng)險、減少物理樣機(jī)試制與試驗(yàn)、節(jié)省開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期，對于制造業(yè)產(chǎn)品開發(fā)有著重要的意義和應(yīng)用前景。

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