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模拟能力推动产品创新
[作者 夏臻新、陳路]   2017年04月27日 星期四 浏览人次: [13738]


历经40多年的发展,有限元素分析工具(FEA Simulation)又称作电脑辅助工程(CAE),已经成长为现代先进制造业必备的手段之一,并广泛应用于产品研发和生产环节中,通过提前预知产品性能与缺陷,大大降低了产品的设计和实验成本,同时也大幅缩短了产品的开发周期。随着近年来云端运算和人工智慧的蓬勃发展,以及数位样机技术的不断完善,模拟技术、产品设计和制造过程正在进一步融合,并以前所未见的方式给予设计师更多洞见与启迪。


尤其有意义的是,制造业本身也正处于千载难逢的发展机遇之中,对创新的设计工具和新洞察能力的要求日渐提升。


产品的本质正在发生变化。蓬勃发展的网路技术以及触手可及的巨量计算资源,给产品创新带来了前所未有的契机。传统的专注于功能实现的产品,正逐渐向更懂使用者需要的互联智慧设备过渡。一旦与智慧平台相连,诸多产品生成的资料交汇,就仿佛产生了源源不断的灵性,让产品能够更加的理解使用者需求,提供客制化服务,并且在整个生命周期中不断改进与增强。 Nest、Tesla和iPhone 都是这些新智慧产品中的佼佼者。


产品交付的方式也随之改变。交付的标的也从产品本身转向封装的整体服务。劳斯莱斯给它引以为傲的引擎配备了大量的感测器。不论是在三万英尺的高空还是在海里,引擎产生的运行资料都会通过卫星撷取,并提交给总部作即时维护决策使用。这使得劳斯莱斯能够随时掌控引擎的状态,以执行时间和里程的方式交付服务,这是传统产品难以做到的。


先进的制造过程也极大的激发了产品设计的创新。以3D列印为代表的增材加工技术发展迅捷,增材加工的工业化应用在航空和高端模具制造等行业逐渐展开。其独有的成型过程赋予工程师极大的自由来操控产品的内部构成,为创新的外形和突破性的性能提供了广阔的探索空间。


如雨后春笋般出现的新技术,和使用者对新形态产品的渴望,将进一步推动制造业变革升级的浪潮。


初识

欧特克(Autodesk)与许多的制造企业有深入的合作,不管是位列世界五百强的知名跨国公司,还是崭露头角的市场新星,这些合作伙伴在产品研发中运用模拟技术的热情、视角和收获,一直在给予我们启示。在过去的十年时间里,Autodesk在模拟领域不懈的投入资金和技术,打造了5大产品线来支援不同的行业。



图1 : (source: Autodesk)
图1 : (source: Autodesk)

● Autodesk Simulation Moldflow 是全球模流注塑分析和加工过程模拟解决方案,在塑胶制品行业极富盛名。广泛应用于汽车和消费电子业。


● Autodesk Nastran 是源于NASA的三大Nastran分支之一,通过严苛的NAFEMS 基准测试,拥有极高的可信度和完整的结构分析功能。在线性、频响、屈曲和热应力等基本能力之上,对非线性、瞬态、超弹材料和显式求解等高阶功能也有极好的支援。


● Autodesk Simulation CFD 专攻流体和热分析,主要应用在电子散热、管道阀门、数值风洞和空调建筑等方面。 CFD尤为称道的是与各种CAD档案格式良好的相容性,出色的易用性和与Autodesk建筑业解决方案的无缝整合。


● Autodesk Simulation Helius 面向复合材料的设计与分析,对叠层复合材料的渐进性失效(Progressive Failure)特性有独到的支持,对航空业极有意义。 Helius也能够通过非线属性的映射,使得对纤维增强塑胶构件的性能分析成为可能,这是汽车行业特别需要的。


● Autodesk Robot Structural Analysis 主要是建筑钢结构分析,长于结构分析和国家标准适配,长期深耕欧洲市场。


模拟能力是对人类直观观察力的有力补充,是工程师的又一双敏锐的鹰眼。它将以往不直观的物理现象,以可侦测和量化的方式呈现出来。复合使用多种模拟能力,能将以往依靠经验和阅历来决定的判断,代之以量化和客观的剖析。从而因应答许多以往难以确定的问题,例如:


● 强度要多少才足够


● 部件何时会失效


● 缺陷会如何发生


● 是否会过热


● 不影响性能的前提下,能变得多轻


● 如果跌落会发生什么



图2 : (source: Autodesk)
图2 : (source: Autodesk)

温度变化的影响是? 这个部件会损毁吗? 如果跌落,会发生什么状况? 是否会过热? 能够承载流体的压力吗? 能够更快的生产吗? 何时会失败? 缺陷会如何发生? 部件会相交吗? 强度到底要多少才够?能让它变得多轻? 会有瑕疵吗?


对于初识模拟的企业而言,模拟的洞察力较多用于补充和代替产品研发中的的试件和实验环节。只要有了数位化的CAD模型和工况载荷描述,无需制造真实部件,就能展开实验,预测性能及耐久度。在设计开始就能以极低的成本随时开展实验,以可重现、可比较的方式将性能考量加入到设计环节中,这是非常有吸引力的。对于试制成本高昂的部件(例如飞机机翼)、破坏性的实验(例如汽车碰撞检测)和难以达成实验条件的场合(例如建筑设计的散热需求)尤其如此。越早开展模拟分析,就能以越小的成本完成设计更改,获得更完整的设计方案。这是业界比较通行的认知,也是大部分企业现在所处的应用水准。


进阶

在熟悉了模拟技术之后,有越来越多的企业不再满足于其虚拟验证和实验的用途,开始探索模拟在设计和加工制造方面的延伸运用,希望在设计阶段就增添可加工性检验,例如:


● 设计是否可加工


● 如何设计才便于制造


● 对工艺参数有何推荐


● 何处容易出现加工和外观缺陷


● 加工过程对部件性能的影响


● 材料选择会产生的差异


● …


Autodesk Moldflow近年来的发展,就是和模流注塑行业与时俱进的一个典型。塑胶高分子模内成形过程极其复杂,影响因素众多。同时由于行业的快速发展,新制程、新材料、新技术层出不穷,也激发了对模拟技术的需求和发展创新的动力。



图3 : (source: Autodesk)
图3 : (source: Autodesk)

在新制程支援上,Autodesk Moldflow提升了塑胶流动模拟,纤维取向计算,模具/冷却系统温度场类比,产品翘曲变形预测等功能的精度;同时也积极开发各种新制程的模拟模组,例如微发泡成型、热塑性塑胶压缩成形、树脂传送成形、变模温技术、电磁感应加热技术、随性冷却分析、粉末注射成形等。


在新材料支持上也是不遗余力。 Autodesk Moldflow为塑胶成形过程模拟软体,在该产业链上发挥着极其重要的作用。准确的材料属性测试对模拟类比的精度至关重要,Autodesk Moldflow依托两个材料实验室,能够对新材料的粘度、PVT、热传导系数、比热系数以及CRIMS等参数进行完整测试,同时Autodesk Moldflow和各大材料商保持着战略合作关系,双方紧密合作为客户提供最新最精确的材料参数资料库。


在典型的塑胶模具企业中,模流分析工程师团队使用Autodesk Moldflow对产品的可成形性以及可能出现的制品缺陷进行评估。通过将实际生产的工艺参数输入软体中进行计算,Autodesk Moldflow可以模拟制品在模具中的充填行为以及后续的翘曲变形,并能提供一系列结果,例如压力场、温度场、速度场、剪切速率场、纤维分布取向、收缩率等。通过对模拟结果的解读,可以提前发现各种可能将会出现在实际生产过程中的问题与缺陷。例如:


● 通过对充填模式的解读,可以判断是否存在短射,流动不平衡等缺陷


● 通过对压力结果的观察可以判断成型压力是否过高,结合其它结果,如温度、粘度、剪切速率来进一步分析导致压力过高的原因。


● 通过对剪切速率的观察,可以判断是否存在不合理的浇口设计,过高的剪切温升和材料降解。


● 通过对模具和冷却水路结果的分析,可以指出模具设计不合理的区域。


● 通过对翘曲结果的分析,可以判断制品尺寸是否符合要求,进一步分析引起翘曲的原因,例如收缩不均或者不合理的纤维取向分布,可以帮助找出改善翘曲变形的关键因素。


基于模拟结果,模流工程师可以与产品设计部门、模具厂、生产现场,以及客户紧密合作。对产品设计、模具设计,以及生产制程提供建议与指导。以短射缺陷为例,可能的改进方式有很多种,如修改浇口尺寸或位置、修改流道、增加壁厚、升高温度、增加排气等。此时模拟模拟的结果就能为方案的选择提供最好的参考,从而提高试模成功率,提升效率,降低成本,提高企业行业竞争力。


除了能够做成形性分析,为工程师提供参考之外,Autodesk Moldflow还具有智慧寻找最优化方案的能力。通过使用实验设计优化,使用者自订影响因素与目标准则,Autodesk Moldflow能够自动将这些因素分解成为一系列的分析,进而根据使用者的目标来推荐最优的方案。 Autodesk Moldflow的试验设计优化功能相当强大,几乎包含了所有的成形因素。在最新的版本中Autodesk Moldflow更是将CAD模型直接编辑加入到试验设计优化中。例如使用者可以直接在Autodesk Moldflow中定义模型壁厚的变化范围,软体能够自动生成一组不同壁厚的CAD模型并划分网格与分析,最终返回给用户最优的壁厚方案。这些功能的出现是各种前沿技术集大成的结果,如Autodesk的云计算能力使得试验设计优化产生的大量方案能够得到快速求解,又比如Autodesk对CAD内核直接编辑的技术,使得任意格式的CAD模型能够被修改,并加入到试验设计优化当中。


展望

增材制造近些年很受关注,其工业级应用渐热。例如镭射选区烧结技术(SLS)结合金属材料,可以列印高强度、高精度的工业制品,屡见于航空和模具制造领域。但是对于SLS加工过程中产生的热应力,及其导致的冷却后的收缩变形,却一直缺乏有效的分析手段,残留的热应力也使得传统的模拟分析变得困难。所以对性能敏感的关键部件,现在的设计过程大多还停留在试制、实测和试校正的层面。为此Autodesk 在其Netfabb 3D列印套件中新添了Simulation元件,使用美国宾州大学Pan实验室的技术,可以高速模拟整个3D列印过程,通过计算每一个节点的热历史来获取整个部件的热应力分布,填补了这一空白。



图4 : (source: Autodesk)
图4 : (source: Autodesk)

增材制造对制品内部细微结构的掌控,也赋予设计师更大的创想能力。 Netfabb Optimization可以以拟生的方式,在制品内部设计晶格(Lattice)填充结构。运用不同的晶格基础结构,可以达成极轻量化、生物亲和,弹性缓冲等等不同的优化目标。下图就是一个热交换器的实现,内部的仿生结构能够实现热交换率的最大化,这样部件的设计和优化,是传统CAD/CAE软体和传统制造工艺难以企及的。



图5 : (source: Autodesk)
图5 : (source: Autodesk)

这样的设计,其实是依托云计算和人工智慧,运用强大的建模规则和模拟软体的洞察能力构建而成。它改变了传统设计过程中以几何为中心的观念,转向面向需求的生态拓朴设计,从性能要求和加工约束出发,从实际使用的角度来推导最佳方案。自然界千万年的演化与科技的自我完善,在这里汇集。


假设有一天,你可以对手机说:「我想要一张椅子,它有四个脚,离地90cm高,木头或者塑胶材质,100公斤大汉也坐不坏。」然后就会有成百上千种最优化的设计自动生成任由挑选,然后柔性工厂可以为这款独特的座椅自动加工成型,那是不是很酷?



图6 : (source: Autodesk)
图6 : (source: Autodesk)

在2016年11月的全球用户大会上,Autodesk首次宣布了名为DreamCatcher产品的雄心壮志。目标就是打造一个智慧平台,能够理解使用者产品的性能要求与使用场景,自动探索最优且可加工的设计方案组合,供设计师参考。它所引发的产品设计的重新思考,现在才刚刚开始。未来的唯一局限,也许只是我们的想像力。


制造业最好的年代,正在路上。


(本文作者夏臻新、陈路为欧特克(中国)软体研发高级经理、资深研究员)


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