CAE應用成為核心理念

2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

如果說幾年前,CAE(計算機輔助工程)軟件在工程師的認知上是件很高端的工具,這是一件很正常的事情。至于如何普及CAE,顯然專業(yè)技術門檻高,軟件銷售價格高都是其推廣的制約因素。一方面,相對復雜的建模過程和仿真參數(shù)設置,對于工程師自身的理論功底要求是很高的。之前某跨國CAE軟件提供商向記者透露,使用此公司軟件的都是至少碩士以上的高級人才。理由很簡單,因為如果連參數(shù)都不能保證設置正確,仿真的結果何從談起呢?另一方面,國外CAE軟件的價格普遍偏高,眾多企業(yè)對西方流行的軟件租賃形式也從習慣上缺乏認同感,所以在華CAE應用的大范圍推廣,除了航空航天等高端技術領域,確實存在瓶頸。然而,隨著設計CAD與仿真CAE在技術上結合的越來越“一氣呵成”,面向設計工程師使用的CAD工具中的CAE嵌入式應用讓更多的普通工程師有機會接觸到了CAE。而這對于CAE仿真技術的推廣而言,肯定是件好事。

當前CAE應用需求:簡單快速

在今年6月份中國機械工程學會機械工業(yè)自動化分會主辦的CAE年會上,太原重工的教授級高工王建正先生告訴記者:“再好的CAE,一定要更多的人用才能發(fā)揮出它的巨大優(yōu)勢來?！彼e例說,“最早的打字機只能由專業(yè)的文本輸入員才有資格使用,所以當時會打字的人并不多。而現(xiàn)在由于電腦普及了,每個人都能熟練的使用電腦鍵盤進行文字工作。這說明一件東西是好東西,或者一種技術是好技術,只有流行開了,大家都用,它才是真正的好東西、好技術?！?談到目前太原重工CAE的應用水平,王建正教授介紹說,CAE提供商提供的通用軟件只是一個基礎,太原重工結合自身情況進行了CAE上的二次開發(fā),從而實現(xiàn)程式化、模塊化、參數(shù)化的CAE設計仿真校驗。太原重工現(xiàn)在的CAE應用也呈現(xiàn)所謂的二八現(xiàn)象,即CAE專業(yè)人員負責相對高端、復雜的CAE校驗工作,而這種所謂高端CAE應用的工作量只占公司CAE工作總量的20%,另一方面,占研發(fā)團隊人員比例80%的普通設計人員雖然在CAE應用難度級別上不高,但對于大量標準的,初級的CAE工作,他們則能夠完全勝任。而實際工作中,這種類型的CAE工作量會占到CAE工作總量的80%,這說明,設計工程師已經(jīng)是公司CAE應用的主力。而每個設計工程師對自身的設計校驗工作可以保證一體化,這樣的工作方式效率會很高。

另外太原重工還建立了CAE分析庫。把設計仿真分析的歷史數(shù)據(jù)和know how固化下來,從而大幅提升CAE工作的質量和效率。

太原重工的教授級高工王建正補充說:太原重工的研發(fā)特點是:產品線長,產品種類眾多,在產品開發(fā)中,數(shù)據(jù)繁瑣、數(shù)據(jù)量很大,之前使用的CAE軟件工具也有很多,這樣就因多平臺、多文件版本造成了更大的數(shù)據(jù)負擔。所以王建正的總體應用體會是:“軟件夠用就行,甚至是越少越好。我們一旦確認了CAE分析的可靠性,那剩下的需求指標就是兩點:簡單、快速。王建正教授所言的簡單是指使用簡單,也就是軟件工具的界面設計人性化、用戶友好性高;而快速是指CAE的分析時間。雖然這個指標會受到仿真科目、仿真設置、硬件水平,軟件配置等多種因素的制約,但“越快越好”是王建正代表工程師所表達的心聲。因為只有速度足夠快了,就能增加參數(shù)變化后的仿真次數(shù);只有足夠快,就能在短時間內對設計模型的細節(jié)進行反復推敲;只有速度夠快了,才能讓設計工程師切實體會到設計、仿真、優(yōu)化設計、再仿真,從而實現(xiàn)仿真一體化的流暢感,有利于設計者在一定時間內保持思維的連續(xù)性。而對于王教授追求CAE的“簡單”、“快速”,廣州汽輪機有限公司設計研究所的工程師阮文華表示,頗有同感。

廣州汽輪機有限公司隸屬廣州電氣集團,是國內生產電力汽輪機的重點企業(yè),在其設計研究所中,汽輪機的設計相對成熟?，F(xiàn)在公司已經(jīng)實現(xiàn)了零樣機(無物理樣機)的設計流程。全部測試校驗工作也是基于CAE的虛擬仿真環(huán)境下的了。目前公司團隊中有25人參與CAE仿真,而真正負責實物試驗的只有5人,而且,他們進行的試驗也是產品動平衡試驗等必須放在制造過程后端的測試項目。阮文華工程師對目前公司新采用的SolidWorks公司CAE軟件Cosmos顯得非常滿意,他說:“軟件很好用,很容易上手,仿真的結果和原先積累的實驗數(shù)據(jù)也很接近。原來需要三周的樣機試驗工作,現(xiàn)在半天就解決了。而且關鍵部位、部件的分析都能快速地得到結果。最關鍵的是這個仿真工具是和公司CAD建模工具SolidWorks軟件結合在一起的,這讓工程師在設計和仿真中隨時自如地切換,非常有利于設計工程師對自己的設計快速地進行優(yōu)化?！?/P>

同樣,阮工程師對太原重工設計模塊化,仿真模塊化的發(fā)展思路也十分認同。此外,他再次強調了軟件的易用性對自身工作帶來的良性影響。“軟件使用界面越簡單,肯定其后臺工作越多。作為設計人員,我們重在應用,因此我們喜歡在使用CAE軟件時有更簡單的交互界面,和步驟更少的操作流程。至于后臺的工作,我們倒不是很關注。” 阮文華如是說。

精益設計理念的提出

采訪中發(fā)現(xiàn),目前很多企業(yè)都在加速CAE的應用,而中國制造業(yè)企業(yè)對于CAE的增加投入也是其普遍增加對設計研發(fā)上的投入的一個縮影。增加投入的目的顯然就是為了提升企業(yè)的核心競爭力,但投入的多寡未必直接等同于提升效果的優(yōu)劣。一些企業(yè)軟件買了很多,反而因平臺多樣、文件版本復雜,數(shù)據(jù)管理混亂;信息化實施細節(jié)問題眾多,而且不易快速解決等問題陷入更深層次的困境。面對這些企業(yè)成長中的煩惱,國家制造業(yè)信息化重大專項組組長,中國航天科技集團總工程師楊海成教授(其也是國家863/CIMS主題專家組組長,中國機械工程學會機械工業(yè)自動化分會主任委員)對此開出了自己的“藥方”。這就是精益設計概念的提出。楊海成教授分析認為:“目前國內企業(yè)提升自身創(chuàng)新能力的需要迫切,而在全國制造企業(yè)普及二維設計技術后,三維設計的應用推廣也在快速展開,三維設計基礎已初具規(guī)模。這為企業(yè)設計創(chuàng)新的下一步發(fā)展提供了技術上的前提與基礎。目前,制造型企業(yè)的設計需求集中在設計軟件易學易用、確保設計成果正確有效,設計能為企業(yè)快速增值的具體的需求上?！?/P>

另一方面,據(jù)楊教授分析,當今企業(yè)仍舊停留在對軟件的應用階段,尚不能實現(xiàn)多設計流程緊密結合,至于企業(yè)重金打造的數(shù)字化設計平臺,距離全面支撐設計創(chuàng)新的平臺也依舊存在不足。

因此,在目前中國企業(yè)有一定的數(shù)字化設計基礎上,企業(yè)要做到有效實現(xiàn)設計價值,同時控制設計成本,這就勢必呈現(xiàn)出一種設計需求發(fā)展的新趨勢,即優(yōu)化設計的成本、效益、效能。做到精益化。

楊海成教授闡述了精益設計概念的內涵和外延:講精益就是在講瘦身。其中所謂精,就是少,是無多余設計要素。相對而言的龐大、豪華、或通過堆砌產品功能片面追求通用化的做法都不足取。要達到精,就要考慮設計環(huán)節(jié)的精簡,關鍵環(huán)節(jié)的優(yōu)化和加強。所謂益,就是要經(jīng)濟性好。即在成本與質量上找到平衡。所以精益合起來就是要達到一個最優(yōu)化的效果。

精益設計的特點要突出工程性、集成性、能力性和整體性。突出工程性是要強調在具體設計項目中,工程性指標大于技術性指標。這很好理解,因為工程中,技術指標只是全局中的重要一環(huán),但不是全部。時間因素、成本因素、以及各種相關條件都會對項目成功產生影響或是制約。所以強調推出工程性就是強調務實。
其次,強調集成性就是要實現(xiàn)1+1等于2甚至大于2的效果。因為在設計環(huán)節(jié)中涉及人員、設施、軟件工具等多個部分,其中數(shù)據(jù)標準、設計知識等也是影響設計的重要因素。所以,將各種資源有效配置,實現(xiàn)整體上的集成優(yōu)勢,這其中就蘊含有搭配、組合、優(yōu)化等多種資源的藝術了。

第三,精益設計中要強調能力,而不僅僅是堆砌各種設計業(yè)務的手段,因為任何手段都不等于能力,這就好比購買先進機床的數(shù)量不等于形成生產力的多寡。能夠在每個具體設計項目中駕輕就熟,處置得當,才是精益設計新條件、新要求下的成功之法。楊海成教授說:“企業(yè)對于精益設計的應用目標一定要上升到企業(yè)核心競爭力為目的?！边@說明提升創(chuàng)新能力才是楊海成教授倡導企業(yè)貫徹精益設計戰(zhàn)略的核心目標。

最后,精益在設計理念再次強調整體性。精益設計的運用核心就在于全局觀。和對設計項目的系統(tǒng)整體的把握能力了。

談到如何在設計中實現(xiàn)精益化,楊海成教授認為:首先就是要落實數(shù)字化設計手段作為精益的基礎地位?！霸谛畔⒒c工業(yè)化融合的大發(fā)展背景下,我們不能將信息化作為簡單的工程應用。要將精益化貫徹到這種融合中去。精益將是流程的變革,其中必然包括流程再造和重組。而我們也不能僅僅視信息化為工業(yè)化的一只工具。將硬件平臺、軟件平臺和數(shù)據(jù)簡單地累加起來。真正的精益化設計平臺是要通過組合、優(yōu)化,形成企業(yè)設計研發(fā)的能力平臺,而這種工業(yè)化與信息化的融合,就是兩種方向的集成它的突出表現(xiàn)就是協(xié)同化?！?楊海成教授說。

廣州汽輪機的阮文華工程師在采訪中談到產品價值核心在于設計,而不是CAE,CAE仿真分析的作用就是為設計保駕護航的。我們姑且不論阮工程師對于CAE價值的判定是否十分準確,單從他的觀點中,我們也能體會到CAE應該服務于設計的正確定位,也就是說,CAE作為設計研發(fā)中的重要組成部分,是精益設計戰(zhàn)略中當然的重要一環(huán)。

國家制造業(yè)信息化專項組組長楊海成教授同樣非?？春肅AE技術節(jié)約大量研發(fā)時間與成本的能力。他提出利用CAE虛擬技術、并行技術、分布式協(xié)同等目前最新的技術,從結構性分析、運動學分析、動力學仿真、熱力學仿真等多領域為設計需求服務,從而用信息化的手段全面快速地提高設計產品的性能與質量。

同時,楊海成教授還提出在CAE應用中,應預防“大馬拉小車”的問題,楊海成說:“企業(yè)不應付出高昂的投入,僅為解決自身入門級的應用需求。而應該結合自身特點,選擇恰當?shù)腃AE平臺。另一方面,將CAE應用投入片面的集中在軟件平臺的購買上,而忽略了目前真正的CAE短板,即對于工程師的培訓與投入。因為根據(jù)木桶短板原理,企業(yè)未來精益的設計研發(fā)水平將是最短短板所能達到的水平?！?

對于楊教授精益設計理念的產品化解讀,安世亞太副總裁趙敏先生應該很有發(fā)言權。安世亞太作為國內知名的CAE軟件提供商,長期代理ANSYS等國際知名CAE軟件產品,對中國CAE用戶的需求十分了解。同時,安世亞太正在積極致力于打造先進的國產精益研發(fā)軟件平臺,站在精益的高度,為解決國外CAE產品未必能解決的實際問題提供更好的策略和方法。在趙敏先生介紹安世亞太用自身產品解讀精益設計,乃至精益研發(fā)的解決方案時,他提出了所謂“大質量”管理的概念。產品、零件、項目時間、項目完成度、服務等各種方面都有質量控制的需求。所以這種質量管理的應用應該是貫穿設計生產服務全周期的。由于安世亞太自身的積淀優(yōu)勢,加上其整合由TRIZ理論支撐的創(chuàng)新管理軟件、跨平臺CAE軟件,和專業(yè)質量控制軟件等,打造新的企業(yè)精益研發(fā)平臺。這也使安世亞太在呼喚民族企業(yè)在當前CAE產業(yè)中發(fā)揮更大作用的呼聲中,被本土用戶寄予了更多的期望。

CAE仿真五大熱點

比較國內CAE廠商近期圍繞精益研發(fā)理論的活躍表現(xiàn)而言,跨國公司也有屬于自己的認識和分析。Siemens PLM Software 全生命周期數(shù)字化仿真的全球市場總監(jiān) Richard J. Bush先生為記者分析了近期CAE仿真發(fā)展的五大熱點。首先,Bush先生認為CAE技術的發(fā)展是一種重要的流程改進。因為在此之前,在產品設計過程中,流程是從概念設計,到詳細設計,再到生產。在生產之前的測試環(huán)節(jié)是在產品原型樣機階段進行的,而CAE就是要在這個測試環(huán)節(jié)部分或完全地替代對物理樣機的測試。隨著CAE技術的快速發(fā)展與完善,CAE技術和CAD(計算機輔助設計)技術的結合更加緊密,越來越多的CAE功能和CAD創(chuàng)建模型可以實現(xiàn)無縫的連接。因此,CAE仿真越來越在設計的前端被頻繁的運用起來。工程師對設計的優(yōu)化效率也隨之快速提升。而“驗證”本身這個概念也可以事實上被“預見”一詞所取代。

其次,通過最新的CAD同步建模方式(SIEMENS PLM Software公司的最新技術成果,其他CAD軟件提供商也在逐步推出類似的CAD建模技術)建模,大大加速了建模的速度,使仿真、優(yōu)化、再仿真的整體流程更高效,更人性化。

第三,先進的技術已經(jīng)讓我們大幅提升了在仿真前端進行幾何整理的能力。在一些CAE仿真分析的前處理環(huán)節(jié)中,對幾何模型的“修補”,清理工作變得更加方便、自動化。

“第四的熱點是CAE的應用仿真領域正在擴大,比如我在演講中演示的,對模具裝配并實現(xiàn)生產的全過程仿真,”Bush先生說,“考慮到裝配的復雜性,從單個關鍵部件的仿真能力提升到對全產品、全系統(tǒng)的仿真能力,這給企業(yè)帶來的價值是顯而易見的。在未來的不少情況下,也許一件真實存在的物理樣機都不用制作出來,工程師就有足夠的信心確保產品設計、系統(tǒng)設計的質量?！绷硗?Bush先生指出,不僅僅是靜力學的仿真應用,FEA、CFD(流體動力學仿真)、動力學仿真、聲學仿真等的綜合運用為CAE仿真領域的快速拓展提供了強有力的技術保障。

最后,站在數(shù)據(jù)管理的角度,將工程知識融入全生命周期數(shù)字化仿真之中將是CAE發(fā)展的第五大熱點。產品全生命周期在各階段都是可以進行仿真的。如果按照概念設計,詳細設計、原型驗證、生產制造到售后服務描繪產品生命周期的關鍵性階段,那么從驗證環(huán)節(jié)展開應用的CAE技術,向前到概念設計,向后到售后服務,都是有工程仿真需求的。而仿真數(shù)據(jù)的信息流將實現(xiàn)從端到端的管理。僅以SIEMENS公司的企業(yè)級PDM管理方案Teamcenter的全球超過400萬注冊用戶為例,Teamcenter支持全部的CAE仿真數(shù)據(jù)管理,而這種基于全生命周期數(shù)字化仿真的知識管理從推廣上是完全可行的。

從Bush先生的分析中,我們可以看出:從單一的CAE功能實現(xiàn)發(fā)展到全生命周期數(shù)字化仿真,CAE的發(fā)展是快速的。以SIEMENS PLM軟件公司(前UGS公司)為例,CAE的發(fā)展就已歷經(jīng)了四代。現(xiàn)在最先進的NX6軟件中,強大的CAE功能已經(jīng)被無縫地嵌入在這個本身也堪稱完美的CAD系統(tǒng)之中了。“至于目前無論是CAE業(yè)界,還是整個研發(fā)領域提出的精益研發(fā)的觀念,SIEMENS PLM軟件公司已經(jīng)從完整的產品系列的務實角度為用戶提供了相應的解決方案了。” SIEMENS PLM軟件公司全生命周期數(shù)字化仿真產品亞太區(qū)市場經(jīng)理徐明博士介紹說。而徐博士的在航空航天領域,以衛(wèi)星設計為真實CAE仿真案例的講座在本屆CAE年會中同樣受到相關領域專業(yè)工程人員的追捧。

從今年的CAE年會上看,無論是精益設計理論對企業(yè)在研發(fā)領域觀念上的導向性,還是企業(yè)自身務實地展開CAE服務產品設計的良好工作成績上看,CAE在華的發(fā)展正在迎來新的發(fā)展階段。

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