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(zhì)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(chǎn)品線長,產(chǎn)品種類眾多,在產(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)生產(chǎn)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(chǎn)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。”

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(diào)了軟件的易用性對自身工作帶來的良性影響?！败浖褂媒缑嬖胶唵?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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(zhì)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(diào)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(chǎn)生影響或是制約。所以強調(diào)推出工程性就是強調(diào)務實。
其次,強調(diào)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(diào)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(chǎn)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(diào)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。“在信息化與工業(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(chǎn)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(chǎn)品的性能與質(zhì)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(chǎn)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(nèi)知名的CAE軟件提供商,長期代理ANSYS等國際知名CAE軟件產(chǎn)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(chǎn)精益研發(fā)軟件平臺,站在精益的高度,為解決國外CAE產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)量”管理的概念。產(chǎn)品、零件、項目時間、項目完成度、服務等各種方面都有質(zhì)量控制的需求。所以這種質(zhì)量管理的應用應該是貫穿設計生產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)品設計過程中,流程是從概念設計,到詳細設計,再到生產(chǎn)。在生產(chǎn)之前的測試環(huán)節(jié)是在產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品設計、系統(tǒng)設計的質(zhì)量。”另外,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(chǎn)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(chǎn)制造到售后服務描繪產(chǎn)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?，F(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?！爸劣谀壳盁o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(chǎn)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(chǎn)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?qū)I(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(chǎn)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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