图1 安怀信科技总经理李焕
一、正向设计对仿真的变革性要求
虚拟性能样机库有什么作用?安怀信科技的202规划不仅仅包括制造,还包括如何做研发。虚拟性能样机库的作用是支撑企业产品设计完成以后做设计变更的,是任何一个企业创新设计的最核心的数据。
当安怀信进入该领域的时候,仿真整个角色已经发生了翻天覆地变化。首先从逆向设计来说,它的特点是当企业买别人的产品回来拆解或者做代加工的时候,拿到的设计图纸包含客户需求信息、产品可制造信息、可装配信息、性能信息、成本信息等,拿到产品后企业只需将它拆解后造出来,然后做试验,最理想的是试验一次成功,然后量产,这种情况下没有对仿真的需求。如果是正向设计,例如华为做新手机,在没有国外样机的情况下,会迫使华为去考虑企业客户的身份、定位、预期价位、需求功能等。此时华为要做的工作包括三个方面:一是CAD模型;二是所有的性能,包括成本,强度性能;三是制造性、装配性、成本可维护性。所有的前期步骤变成正向设计企业必须思考的因素,这个变化导致一个问题,企业在逆向设计过程的时候没有仿真,而且不希望出现仿真问题,希望十年均一次通过,直接量产。
但是这种情况在产品出现问题之后,依然需要找仿真人员帮助分析并做报告。可是进入智能设计时代情况已经完全不同,仿真手是唯一能够预测图纸的手段,这种情况下企业必须建立一个完整的,能够支撑整个研发过程,从需求、概念、方案一直到详细阶段的大数据,任何虚拟产品都可以找到一个性能阳样机描述,这个时候企业才能完成核心工作。没有性能虚拟样机库,永远也不敢谈设计。
从逆向转正向的过程,仿真发生了变化。第一,原来仿真是搅合,现在是对设计起到优化和驱动的作用;第二,原来仿真在流程中不希望出现,可有可无,所以对仿真的研究不需要那么固化和精确,找一个趋势就可以了。但是现在因为所有的设计必须有性能预测,否则一点也不敢制造,所以每个模型的每个地方都要进行研究,要形成规范。汽车行业的仿真做的好,也是因为都有规范。除了汽车行业可以拿到规范,其他行业没有规范可以拿回来。所以这个时候企业需要将仿真变成闭环。对于产品,不管是系统级非系统级都需要做好,这是仿真的变化。
二、虚拟样机库建设思路及对正向设计的支撑
虚拟性能样机库怎样对企业设计进行一个完整的支持?如图2,目前企业存在的研发流程主要有以下几种:需求和概念,方案、详细、试验。首先他们是隔离的,仿真和试验是两个概念,设计人员用仿真的时候会导致企业对仿真过程中的规范性和准确性都没有办法控制。那么企业想做成什么样子?虚拟性能样机库起到中间的堆栈作用,它是什么?每一个模型建立的过程中,它都会追寻一个规范,追寻整个产品的性能样机建模的分解的规律,把这些模型建起来以后,利用实验数据进行验证和确认,所有的数据排整齐之后,再用四个阶段来应用。
图2 企业研发流程
这个变化解决了企业原来的几个问题,第一是仿真准确性的问题,原来仿真准还是不准,现在所有的仿真用实验已经确认过,是有精度的;第二是仿真模型的完整性是从层级划分上,由系统一直往下面每一个性能,甚至包括下面的单元材料性能,装配关系性能,包括管理;三是仿真和实验的相互关系,解决了仿真指导实验和实验验证仿真这样一个闭环关系。
如图3是整个虚拟性能样机库的基本框架。这是目前大部分企业在做的,即局部的关键的仿真,同时用局部的实验进行验证。这种验证也是一种比较自发的验证关系,并没有一个完整的逻辑。现在企业如果做虚拟性能样机库,首先是做分层,先做仿真和实验的规划,然后基于规划做一个仿真的金字塔。已经做的模型放到其中某一个位置,根据需要补充一些仿真,同样的事情发生在实验,因而实验也有一个金字塔。已经做好的实验进行完整层级的验证和确认,使得原来的仿真模型经过验证以后具有一个重要的指标,就是置信度,变成这个金字塔,这个金字塔实现方针设计。
图3 产品虚拟性能样机库基本框架
三、虚拟样机库C-SDM界面及主要功能模块
第一代SDM的特征仅仅在于管理仿真管理文件,第二代除了管理结果文件,还管理过程、模板文件,第三代是考虑仿真模型的置信度评估及置信度提升。如图4,V&V主要指仿真和实验的验证和确认这个过程,简单来说第一个V是指在数学模型建立过程中,模型建立的准确性。第二个V是指当数学模型没有很精准的话,检查就是用实验来修正模型,所以这两个V代表仿真模型建立的准确性。
图4 V&V
安怀信的CSDM是完全遵循V&V模块来建立,分四个模块。第一是如何做仿真规划;第二如何做验证规划;第三是如何用实验的数据修正仿真模型,而得到虚拟样机;第四是建立虚拟样机如何用?主要分为四个功能。
图5 C-SDM包含的四大基本功能
从五个维度管理企业产品的性能,第一是层级维度,把性能首先从层级维度管住;第二是学科的维度,从这些维度进行了性能管理;第三从建模工具维度,常见的Ansys这些软件的建模;第四是置信度的维度,有些时候企业用数学模型建立一些模型,但是早期方案非常快,而且可以用于系统仿真,这个时候企业用它进行早期方案。针对网格数不多的仿真模型,这个时候用于方案设计是够的,但是之后企业开始量产,将网格化做的很精确,这种情况下是进行详细设计;第五是型号维度,因为这里每一个性能来自于其中一个性能它的仿真和实验对比,所以每一个产品属于不同性能,所以从五个维度管理整个产品的完整性能。
图6 性能虚拟样机的控制主界面
如图6是性能虚拟样机的控制主界面,首先是金字塔,从主要功能来说,所有的模型管理均在金字塔里面。旁边还有一个主功能菜单,包括仿真规划、仿真验证、虚拟样机、个性工作区、资源管理、系统管理。此外还有编辑工具和任务分解、任务管理,以及一些统计管理的工作。
从层级分解来看,以飞机为例,什么叫层级分解,从系统级的整机模态都是属于整机,到子系统分结构子系统、动力子系统、控制子系统。到基准问题是结构模态分析、强度分析、热分析、气动分析。到单一问题是材料性能、热系数、摩擦系统。V&V对仿真的描述跟PRM不一样,V&V的目标是希望做大量的基础研究,包括基础仿真和基础实验,最终降低复杂系统的实验。
如图7是验证金字塔的规范,仿真金字塔做出来,有一些会做验证,生成验证的性能。做验证的过程中很容易找到所属的模型,包括所参考的一些原来做过的验证的流程、工具、模型全部在这个里面利用已经做过的样本。当真正完成验模的时候会用到工具,包括动力学,这都是安怀信的产品线,安怀信除了管理系统以外做每一个学科的验模工具,还可以在里面调用安怀信任何的验模工具,和已经形成的模板进行验模和生成。
图7 验证金字塔规范
在图7中可以看到,只有规划没有做是蓝色,做了的是绿色,延期是红色,完成的是橙色,就是这样的管理方式。当企业做这样一个任务规划以后,每一个任务都可以进行仿真或者是验证的任务生成,生成有一些标准的模板,这个模板可以找到过去同样的部件或者是同样的建模工具建的模型,或者是已经有高置信度的模板,企业可以利用这些模板进行新模型的生成。图8是个人工作区,有一个人进来以后,从事的仿真任务、验证任务、流程任务这些都会体现出来。
图8 个人工作区
这些样机在被使用的时候,会建立一个非常大的数据库,包含使用情况的所有信息。如果在使用过程中不需要那么庞大的数据库,就可以用视图方式,比如学科视图-我的视图,分配的上下游相关的人,或者只看结构相关模型,这样很容易利用样机库进行工作。包括形成型号,这个型号里面企业做哪些项目?同时里面做了所有的仿真和验证工作,当企业做下一个型号的时候,可以将整个模板生成下一个型号的任务发布,让一个型号的仿真过程变得比原来快很多,是虚拟样机库的一个重要特点。
四、虚拟样机库建设价值
虚拟性能样机库能同时服务仿真人员和设计人员,服务仿真进行快速精确的仿真,服务设计人员进行设计优化。安怀信其它几个系统集成,包括
PLM、快速方案设计系统、CAE工具、V&V工具、TDM实验数据,包括有其它的MES系统安怀信也可以做集成。如果企业有这样一个系统,它建立产品性能访问大数据,首先它的性能按照层级、建模工具进行全面管理,是企业创新的基础。其次才能实现高精度的仿真驱动设计,第一它的高置信度,第二里面所有的信息最后都会形成仿真规范,那么仿真人员只要有仿真规范就可以进行仿真的可预测这样的工作。第三仿真的实验是紧密集成的方式,最后是性能仿真支持的管理和重用一个非常重要的手段。
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本文标题:企业性能虚拟样机库搭建助力正向设计研发
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