《精益研发2.0》简编第6期:综合仿真体系
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大家好,今天我们要向大家介绍的是精益研发体理论的第三个子体系:综合仿真子体系。




仿真技术是一种利用虚拟模型替代真实世界的物理模型,在计算机中对真实世界进行模拟,从而以较低的成本和较短的时间,获得对真实世界更为完整和全面的理解的信息化技术。

仿真可以用于透视产品特性,看到产品的运行本质和规律,预测产品性能。采用仿真技术可以快速进行虚拟试验,大量减少实物试验次数。与实物试验相比,仿真能看到实物试验看不到的数据,提前发现缺陷,譬如预测寿命、运行期间故障以及引起故障的原因。同时仿真具有低成本和高效率的特点,可以发现新方案,验证创新思路的可行性。

仿真的作用是对设计各阶段的结果进行验证。设计过程具有需求定义、功能分解、系统综合、物理设计和工艺设计等过程。对每一个设计子过程都有相应的仿真验证手段。所以,仿真也分为五个大类:指标分析、功能分析、系统分析、物理仿真和制造仿真。

习惯上,人们把需求分析、功能分析和系统分析的统称为系统仿真。系统仿真的模拟对象是系统架构,属于抽象模型,而物理仿真和制造仿真的模拟对象是产品实体,属于实物模型。系统仿真往往用于在概念阶段确认产品的总体架构,实物仿真通常用来确认物理产品的初步设计、详细设计、工艺设计和制造过程。到了物理阶段,产品的形态已经比较具体,仿真的类型也变得丰富。


                     系统仿真                                        实物仿真

当前,仿真应用比较集中在三个方面:产品仿真、工艺(制造)仿真和试验仿真,分别是应用于产品生命周期的三个阶段:产品设计、产品制造和试验验证。


需要特别说明的是,工业再设计是仿真技术的升华应用,是一种全新的工程设计思想和方法。让研发设计回归需求本源,重新审视原有设计,以最自然的方式来探索设计的本质,效法自然。剔除以前由于各种原因或限制导致的不合理之处,或纠正以往对客户需求的错误认知或满足偏差,重新设计核心零部件或整机,达到当前技术条件和认知水平下的最优。

之所以能做再设计,往往是由于突破性新技术和新工艺的出现和成熟。再设计其实就是把握这些已有的新技术和工艺,促使其快速向成果转化。

工业再设计就是将工程仿真手段和精密制造先进工艺(譬如3D打印、苏氏精密铸造等)进行结合,彻底解放因制造工艺的限制而对产品设计带来的制约,使得在产品研发设计过程中,工程师只需关注产品功能的最佳而无需顾忌制造工艺的约束,极大地拓展了设计人员的自由设计空间,能最大限度地发挥创新性,做到效法自然。

再设计过程产生的均是非标准化甚至反传统的产品,没有设计标准及知识经验可参考,唯一能依赖的只有工程仿真和实物试验。在再设计体系面前,传统的标准、规范、知识和经验都将失效甚至成为创新的制约。掌握了工程仿真技术并进行了大量工业实践应用的组织则具有更强的竞争力,也更能体现出仿真的价值。

 

仿真的学科种类繁多,而且各学科之间无可替代。但各学科所分析的产品对象是同一个,他们之间必然具有关联。在产品定型的过程中,不同的设计参数会对不同学科的性能有不同影响,往往这种影响之间是冲突的,必须权衡折衷解决。因此,多学科集成仿真和优化成为一项重要的工作。

多学科设计优化(MDO)的主要目的是在各个设计阶段力求各学科的平衡,充分考虑各学科之间的相互影响和耦合作用,应用有效的设计/优化策略和分布式计算机网络系统,来组织和管理整个系统的设计过程,通过充分利用各个学科之间的相互作用所产生的协同效应,获得系统的整体最优解。

 

此外,对于仿真技术而言,在研发过程中,仿真数据(仿真几何模型、仿真网格数据、仿真载荷数据、仿真边界条件数据、中间结果数据、最终结果数据、仿真流程模型数据、仿真计算报告等)是一类较为复杂的数据,在管理和使用方面都具有独特性,需要特殊系统来处理,而不能使用传统的PDM(产品数据管理)系统简单替代。

仿真数据管理主要实现对协同仿真过程相关数据的规范化管理,并实现仿真过程数据与仿真工具与流程的紧密结合,支持多人、多学科协同设计仿真分析,支持多轮迭代快速设计与仿真分析。

 

当前,无论是集团型企业、大中型企业还是中小型企业,仿真工具的投入均是较高的成本,都有资源共享的需求。仿真云平台是促进仿真资源共享的有效手段。除了仿真工具的共享之外,仿真云还可以促进仿真人员的协同、应用经验的交流、衍生技术的共享等价值。

仿真云平台系统分为五个层次,即展示层、应用层、服务层、支撑层和资源层。平台可以为社会化用户提供软硬件资源,并可做到按需取用,从而减轻使用者的成本和风险,同时提高软硬件资源的利用效率。社会化用户可以方便地通过互联网接入云平台开展各种仿真活动。通过在线仿真培训服务,企业科研人员也可以通过云平台方便地学习各种先进的仿真工具和应用方法。

 

仿真云平台还为企业提供了一个发布技术问题和征求解决方案的平台,其它企业、高校、院所中的研发人员可以通过云平台为企业提供仿真咨询服务和仿真项目外包服务。社会具有大量多年工程经验的专家与高水平仿真技术专家,都可以通过云平台为企业排疑解难。


对于大型企业集团而言,仿真云平台同时还是一种常见的仿真云建设和应用模式。根据集团子企业的现有仿真资源情况,建设覆盖全集团的仿真私有云平台,在集团内提供以上所述各种仿真云服务。

 

在企业中,复杂产品研发是一项专业面广、综合性强的系统工程,涉及系统、结构、流体、电磁、电路、液压、机构运动等多项仿真技术。各种仿真技术采用的软件各异,且来自多个厂商,这为工程应用带来益处的同时也带来诸多烦恼。

协同仿真平台按照企业仿真流程进行规范化管控,并充分利用已有软硬件基础,通过平台框架及专业应用工具的补充建设和整合,实现对数字化仿真流程和仿真数据管理的支撑。同时满足不同学科领域的仿真需求,如流体、结构、电磁、多学科耦合分析及相应的高性能计算等,实现上述多个软件及工具的协同与集成。实现仿真知识沉淀和应用,将知识与仿真过程有机融合。对分散存储在工程师个人计算机上的仿真数据进行合理有效的管理,促进仿真数据在整个研发团队中的共享重用。可以根据仿真结果快速追溯到相关的原始条件,做到知其所以然,同时可以自动从庞大的数据文件中判读所需结果。

 

仿真技术的应用,不单纯依靠技术上的深化,如今越来越多的企业意识到,企业研发能力的提升需要依靠完备和先进的综合仿真体系,而不仅是仿真软硬件系统,下图展现了综合仿真体系建设路线。


从企业现状出发,根据企业战略和研发战略选择适应的仿真战略。根据产品需求和研发流程,结合仿真战略建立仿真流程。通过对仿真流程的分析,结合行业标准形成仿真标准,利用试验手段建立仿真规范。标准解决什么时候做什么仿真的问题,规范解决一项仿真任务应该怎么做的问题。

在规范和标准的指导下,进行组织建设和装备建设,包括任职资格、人员培养和考核激励制度的建设,以及软硬件的规划与选型,搭建企业仿真云。在综合仿真体系建设的过程中,根据统一规划分步实施原则,逐步建设协同仿真平台。协同仿真平台是整个综合仿真体系的信息化载体,将流程、标准、规范、知识、数据、组织以及软硬件集成起来,形成企业仿真的协同工作环境。

通过综合仿真体系的持续建设,可以全面提升企业的仿真能力,在研发过程中充分运用仿真技术,引领“仿真驱动研发”的发展趋势。仿真体系成熟度将达到国内同类企业的领先水平。

 

下一讲我们将向大家介绍综合试验子体系,敬请关注,谢谢!

发表于: 2016-11-21 15:37 阅读(391) 评论(0) 收藏 好文推荐

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