e-works数字化企业网  »  文章频道  »  产品创新数字化(PLM)  »  CAE

仿真到底是怎么驱动产品研发的

2021/2/7    来源:e-works    作者:田锋      
关键字:仿真  产品研发  
在产品研发体系中,在正确的地方做正确的仿真,并且把仿真做正确。这意味着要在研发的关键环节正确利用仿真技术,打通设计瓶颈。

    如果你的业务涉猎仿真产业和技术,一定听说过“仿真驱动研发”这一词汇。该词最初被某供应商提出,之后被更多供应商使用,然后被媒体采纳,被企业接纳……。说多了就成了“成语”。但什么是“仿真驱动研发”,仿真到底是怎么驱动研发的?似乎很多人的理解有一定偏差,许多仿真技术供应商对“仿真驱动研发”表述都不尽正确。关于此成语,见过比较多的一张图是下面这张图:

仿真驱动研发

仿真驱动研发

    本图的确反映了仿真在产品设计单一过程中的驱动作用,但产品研发是具有更大时空框架的过程。研发过程就行南水北调工程,仿真就像是水泵。整个工程有无数个不同类型的水泵,在哪地方安置何种水泵才能最高效地发挥水泵们的作用是一个系统工程。

    在企业中往往有两种极端思维:一种是认为仿真无所不能,应该尽量多地用仿真来指导设计;另一种是认为仿真就是锦上添花,在确定设计方案后做一定的确认即可,有些企业甚至把仿真作为展示或做秀之用。

    其实,仿真是个高投入、高成本的活动,不仅软件价格昂贵,使用人员的成本也较高,时间投入也相对较长。对于一个产品的设计,在不必要的环节投入仿真,换取的回报也许会小于投入,所以,仿真并不是用的越多越好。相反,把仿真完全看成是花瓶和做秀,就过于轻视了仿真的价值,企业花重金购买仿真软件变成了一种浪费。

    界定仿真能发挥最大价值的环节,以最高的性价比来引入仿真,并且在仿真执行的过程中得到最有价值的结果,才是“仿真驱动研发”的精髓。

    在正文展开之前,我们先界定两个容易混淆的词汇——标准与规范。由于业界对“标准”和“规范”两个词汇的定义没有一定之规,所以这里有必要对这两个词汇做一定的定义。我们用以下两句话来概括这两个词汇的区别:

    ●“规范”用来回答在什么地方用仿真、用什么仿真的问题;

    ●“标准”用来回答如何做好仿真的问题,定义所谓好的评判标准(依据)。

设计流程的仿真化改造

    仿真标准与规范建设的前提是设计流程的仿真化改造。设计就像打仗,打仗就得熟悉兵力布局、作战地形、行军路线和作战路线。设计流程就是反映设计地形和路线的地图。

    复杂产品的设计必然有着复杂的设计流程和大量设计活动,相当于有着错综复杂的地形和路线。如果缺少这样一张地图,从布局、行军到作战,必然处处受制。因此,设计流程既具有引领作用,又具有枢纽作用,同时又具有保障和管控作用。

    所谓兵马未动粮草先行,当我们清楚了作战地形和路线之后,我们可以在那些关键环节提前部署兵器,仿真工具就是这些兵器中的重要一类。经过仿真化改造的设计流程称为“综合设计流程”。

    设计流程仿真化的具体方法是重新审视设计流程,找到仿真价值最大的环节,将正确的仿真技术嵌入其中。仿真最直接的价值是替代试验,所以传统上的试验环节往往是流程优化工作的最先关注的地方。当然,仿真的最终目的是创新,而不是验证,所以在设计早期,虽然没有太多试验活动,但仿真的价值却最大。

    产品设计一般划分为以下几个阶段:方案论证阶段、概念设计阶段、技术设计阶段、试验验证阶段等。仿真在不同阶段的用途不同,例如:

    ●方案论证阶段——利用仿真进行快速论证。此时追求仿真的快速,不追求精确;

    ●概念设计阶段——利用仿真进行方案快速验证。系统仿真和多学科仿真是主要手段;

    ●技术设计阶段——利用仿真完成关键设计参数的优化与确定。此处实物仿真是重点;

    ●试验验证阶段——尽管仿真的目的是替代试验,但在实践中必要的试验还需要保留,特别是某些行业规范要求如此。利用仿真帮助规划试验方案,准确定位测试点,减少试错,精益地获得数据,用较少的次数达到试验目的,提升试验效率。

    相同零部件的同类仿真分析在不同设计阶段的分析目的不同,因此,采用的技术、工具、仿真模型、网格的处理方式、结果的处理与评价等也各不相同。

仿真规范用来排兵布阵

    如何界定仿真能发挥最大价值的环节,确保必要的时候做正确的仿真,是“仿真规范”建设的任务。

    仿真规范规定了产品在不同设计阶段、不同专业应开展的仿真工作以及各仿真任务应采用的技术和方法。本规范应作为强制性文件要求全体仿真人员使用和遵守。

    另外,考虑到企业仿真体系的成熟度是逐步进化的,所以,仿真规范不仅要规定“理想情况下产品研发在什么时候要做什么仿真”,还应该规定“在仿真体系不同成熟度级别,应该做何种裁剪。”

    仿真规范最终应该形成一套仿真规范手册,手册中除了描述产品研发阶段中所涉及的所有仿真任务清单外,还应该描述每个仿真任务的SIPOC模型中的具体信息。

某企业在发动机设计中的关键仿真工作项

某企业在发动机设计中的关键仿真工作项

    在相应的仿真技术规范中,明确仿真任务的工作要求、输入输出、上下游工作关系、使用的技术和工具、执行人要求、预测工作量、可参考的知识或规范等,详见下图:

仿真任务的描述模型

仿真任务的描述模型

    1)任务约束:该项任务需要在何种原则、规范或标准之下来完成;

    2)输入与输出:该任务的输入数据及数据来源、输出数据的要求和去向;

    3)采用的技术、工具和模板:分析并规范该任务所采用的技术、工具及模板;

    4)执行人要求:根据难度和重要度,提出执行人员的能力要求;

    5)工作量预测:本信息对于产品研发周期和仿真项目管理有指导意义;

    6)参考的知识:本信息对于执行人员按规定时间和质量完成任务有指导意义。

仿真标准用来精准打击

    在中国,很多企业每天热闹地做仿真,其实都是在做“假仿真”!企业的仿真能级被“封印”的1级成熟度无法突破,每天沉迷于“大拿迷局”无力自拔。“大拿迷局”的表现如下:

    1)对同一个问题,使用同一款仿真软件,两个大拿做出来的结果不同!

    2)同一个大拿,用不同的软件,做出来的结果不同!

    3)用试验进行验证,发现这个两个仿真结果与试验都不同!

    “大拿迷局”中的这三句话有同一个令人烦恼的词——不同。也就是说,我们一直在追逐它的反义词——一致性——而不得。这就是仿真标准为什么重要的最直接原因。

    “仿真”一词本身就代表我们获得结果都不是真的,不然怎么会用“仿”字呢?既然是用计算机模仿真实世界,必然不能和真实世界一模一样,所以“假”是“仿真”的天然属性。但“假”显然也无碍大局,不然仿真技术怎么可能在世界工业中发挥那么重要的作用?虽然“假”不是问题,但弄清楚“假”到什么程度却是关键问题。就像A、B两块手表,我很清楚A手表慢10分钟,而我不知道B慢多少,只知道慢得不到10分钟。显然,B比A更接近真实时间,但A更具有参考性,因为A手表清晰地给出了一个标定:慢10分钟,每次看表,加上10分钟就是真实时间。

    仿真世界也是如此。一个工程问题,用某个软件、某个处理方法,仿真计算获得结果与真实世界差异如果能被标定的话,仿真的结果就是可以被参考的。即使与真实世界差距较大,只要这种差距是恒定的,可以用某个数据或方法修订,那可以认为仿真结果就是“精确”的。这种“精确”不是软件、计算方法、处理方法等决定的,而是通过标准获得的。从此之后,每遇到这种问题,就按照相同的处理方法、相同的软件来计算,计算结果通过标定的偏差来修订,就可以获得正确结果。某汽车企业曾用100个单元剖分一个车门,计算结果与试验有20%的差距,但这个差距是稳定的。有好事者认为100个单元未免太粗糙了,把网格加密10倍,达到1000个单元。相比数年前标准建立的时候,计算机性能明显提升了,10倍的计算量并不算什么。理论上讲,细化网格的计算结果也的确更接近与现实,但问题是我们不知道1000个单元的计算结果与试验的差距到底是多少,所以这种做法从理论上是正确的,对工程却是无益的。

    所以,仿真标准的根本目的不是让计算结果更接近真实世界,而是“保持计算结果的一致性”,解决“大拿迷局”问题。只要遵守同一个标准,对同一个问题,不同的人、不同的软件,仿真得到的结论都应该是一致的。标准的规定未必是最优的,但结果是可重复的,可以被重现和追溯的结果才是最可靠的。这就是仿真标准的意义所在。可重复!细心的朋友可能注意到我们提出的仿真能力体系成熟度模型中第二级别的名字就叫这个——重复。

    仿真标准是对仿真过程做出具体规定的技术准则及强制执行文件,包括某项仿真工作的技术原理、前提假设、计算方法、软件工具、模型处理、材料选择与等效、边界条件确定、仿真步骤、计算控制、结果检查、结果处理及评价、试验标定等。

仿真标准卡片实例

仿真标准卡片实例

    相对于仿真软件使用,仿真标准要复杂得多,形成的难度也更大,不仅需要对仿真过程做大量的调试,还需要大量的试验验证和误差标定。

    仿真标准的建设成果是形成一套标准手册,作为仿真工作的依据和准则,是企业的核心资产。愿意的话,每个相对独立的标准,提取其中的核心,可以做个一张纸的卡片,用起来就方便多了。

    仿真标准与行业、企业和产品相关度很高,所以,世界上不存在一个放之四海皆准的仿真标准,但可以存在一个放之四海皆准的《仿真标准的编制指南》。本指南是我参与数字仿真联盟的一个项目的成果,并为之写了编者按。本指南就在今天发布,这也是我今天发表这篇文章的动因。

    需要注意的是,企业应当在仿真体系成熟度的不同级别应该选做相适应的标准,并不是标准越多越好,与现状不相匹配的丰富反倒是一种浪费。

“仿真驱动研发”的真谛

    在产品研发体系中,在正确的地方做正确的仿真,并且把仿真做正确。这意味着要在研发的关键环节正确利用仿真技术,打通设计瓶颈。这里强调要让仿真只出现在正确的地方,好钢用在刀刃上,而不是将仿真泛滥在研发流程的所有环节。这是仿真能力体系建设的核心,也是“仿真驱动研发”真谛。

责任编辑:程玥
本文为e-works原创投稿文章,未经e-works书面许可,任何人不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用。如已是e-works授权合作伙伴,应在授权范围内使用。e-works内容合作伙伴申请热线:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐