歷經(jīng)40多年的發(fā)展，有限元素分析工具(FEA Simulation)又稱作電腦輔助工程(CAE)，已經(jīng)成長為現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)必備的手段之一，并廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，通過提前預(yù)知產(chǎn)品性能與缺陷，大大降低了產(chǎn)品的設(shè)計和實驗成本，同時也大幅縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。隨著近年來云端運(yùn)算和人工智慧的蓬勃發(fā)展，以及數(shù)位樣機(jī)技術(shù)的不斷完善，模擬技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計和制造過程正在進(jìn)一步融合，并以前所未見的方式給予設(shè)計師更多洞見與啟迪。
尤其有意義的是，制造業(yè)本身也正處于千載難逢的發(fā)展機(jī)遇之中，對創(chuàng)新的設(shè)計工具和新洞察能力的要求日漸提升。
產(chǎn)品的本質(zhì)正在發(fā)生變化。蓬勃發(fā)展的網(wǎng)路技術(shù)以及觸手可及的巨量計算資源，給產(chǎn)品創(chuàng)新帶來了前所未有的契機(jī)。傳統(tǒng)的專注于功能實現(xiàn)的產(chǎn)品，正逐漸向更懂使用者需要的互聯(lián)智慧設(shè)備過渡。一旦與智慧平臺相連，諸多產(chǎn)品生成的資料交匯，就仿佛產(chǎn)生了源源不斷的靈性，讓產(chǎn)品能夠更加的理解使用者需求，提供客制化服務(wù)，并且在整個生命周期中不斷改進(jìn)與增強(qiáng)。 Nest、Tesla和iPhone 都是這些新智慧產(chǎn)品中的佼佼者。
產(chǎn)品交付的方式也隨之改變。交付的標(biāo)的也從產(chǎn)品本身轉(zhuǎn)向封裝的整體服務(wù)。勞斯萊斯給它引以為傲的引擎配備了大量的感測器。不論是在三萬英尺的高空還是在海里，引擎產(chǎn)生的運(yùn)行資料都會通過衛(wèi)星擷取，并提交給總部作即時維護(hù)決策使用。這使得勞斯萊斯能夠隨時掌控引擎的狀態(tài)，以執(zhí)行時間和里程的方式交付服務(wù)，這是傳統(tǒng)產(chǎn)品難以做到的。
先進(jìn)的制造過程也極大的激發(fā)了產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新。以3D列印為代表的增材加工技術(shù)發(fā)展迅捷，增材加工的工業(yè)化應(yīng)用在航空和高端模具制造等行業(yè)逐漸展開。其獨有的成型過程賦予工程師極大的自由來操控產(chǎn)品的內(nèi)部構(gòu)成，為創(chuàng)新的外形和突破性的性能提供了廣闊的探索空間。
如雨后春筍般出現(xiàn)的新技術(shù)，和使用者對新形態(tài)產(chǎn)品的渴望，將進(jìn)一步推動制造業(yè)變革升級的浪潮。
初識
歐特克(Autodesk)與許多的制造企業(yè)有深入的合作，不管是位列世界五百強(qiáng)的知名跨國公司，還是嶄露頭角的市場新星，這些合作伙伴在產(chǎn)品研發(fā)中運(yùn)用模擬技術(shù)的熱情、視角和收獲，一直在給予我們啟示。在過去的十年時間里，Autodesk在模擬領(lǐng)域不懈的投入資金和技術(shù)，打造了5大產(chǎn)品線來支援不同的行業(yè)。
● Autodesk Simulation Moldflow 是全球模流注塑分析和加工過程模擬解決方案，在塑膠制品行業(yè)極富盛名。廣泛應(yīng)用于汽車和消費(fèi)電子業(yè)。
● Autodesk Nastran 是源于NASA的三大Nastran分支之一，通過嚴(yán)苛的NAFEMS 基準(zhǔn)測試，擁有極高的可信度和完整的結(jié)構(gòu)分析功能。在線性、頻響、屈曲和熱應(yīng)力等基本能力之上，對非線性、瞬態(tài)、超彈材料和顯式求解等高階功能也有極好的支援。
● Autodesk Simulation CFD 專攻流體和熱分析，主要應(yīng)用在電子散熱、管道閥門、數(shù)值風(fēng)洞和空調(diào)建筑等方面。 CFD尤為稱道的是與各種CAD檔案格式良好的相容性，出色的易用性和與Autodesk建筑業(yè)解決方案的無縫整合。
● Autodesk Simulation Helius 面向復(fù)合材料的設(shè)計與分析，對疊層復(fù)合材料的漸進(jìn)性失效(Progressive Failure)特性有獨到的支持，對航空業(yè)極有意義。 Helius也能夠通過非線屬性的映射，使得對纖維增強(qiáng)塑膠構(gòu)件的性能分析成為可能，這是汽車行業(yè)特別需要的。
● Autodesk Robot Structural Analysis 主要是建筑鋼結(jié)構(gòu)分析,長于結(jié)構(gòu)分析和國家標(biāo)準(zhǔn)適配,長期深耕歐洲市場。
模擬能力是對人類直觀觀察力的有力補(bǔ)充，是工程師的又一雙敏銳的鷹眼。它將以往不直觀的物理現(xiàn)象，以可偵測和量化的方式呈現(xiàn)出來。復(fù)合使用多種模擬能力，能將以往依靠經(jīng)驗和閱歷來決定的判斷，代之以量化和客觀的剖析。從而因應(yīng)答許多以往難以確定的問題，例如:
● 強(qiáng)度要多少才足夠
● 部件何時會失效
● 缺陷會如何發(fā)生
● 是否會過熱
● 不影響性能的前提下，能變得多輕
● 如果跌落會發(fā)生什么
溫度變化的影響是? 這個部件會損毀嗎? 如果跌落，會發(fā)生什么狀況? 是否會過熱? 能夠承載流體的壓力嗎? 能夠更快的生產(chǎn)嗎? 何時會失敗? 缺陷會如何發(fā)生? 部件會相交嗎? 強(qiáng)度到底要多少才夠?能讓它變得多輕? 會有瑕疵嗎?
對于初識模擬的企業(yè)而言，模擬的洞察力較多用于補(bǔ)充和代替產(chǎn)品研發(fā)中的的試件和實驗環(huán)節(jié)。只要有了數(shù)位化的CAD模型和工況載荷描述，無需制造真實部件，就能展開實驗，預(yù)測性能及耐久度。在設(shè)計開始就能以極低的成本隨時開展實驗，以可重現(xiàn)、可比較的方式將性能考量加入到設(shè)計環(huán)節(jié)中，這是非常有吸引力的。對于試制成本高昂的部件（例如飛機(jī)機(jī)翼）、破壞性的實驗（例如汽車碰撞檢測）和難以達(dá)成實驗條件的場合（例如建筑設(shè)計的散熱需求）尤其如此。越早開展模擬分析，就能以越小的成本完成設(shè)計更改，獲得更完整的設(shè)計方案。這是業(yè)界比較通行的認(rèn)知，也是大部分企業(yè)現(xiàn)在所處的應(yīng)用水準(zhǔn)。
進(jìn)階
在熟悉了模擬技術(shù)之后，有越來越多的企業(yè)不再滿足于其虛擬驗證和實驗的用途，開始探索模擬在設(shè)計和加工制造方面的延伸運(yùn)用，希望在設(shè)計階段就增添可加工性檢驗，例如：
● 設(shè)計是否可加工
● 如何設(shè)計才便于制造
● 對工藝參數(shù)有何推薦
● 何處容易出現(xiàn)加工和外觀缺陷
● 加工過程對部件性能的影響
● 材料選擇會產(chǎn)生的差異
● …
Autodesk Moldflow近年來的發(fā)展，就是和模流注塑行業(yè)與時俱進(jìn)的一個典型。塑膠高分子模內(nèi)成形過程極其復(fù)雜，影響因素眾多。同時由于行業(yè)的快速發(fā)展，新制程、新材料、新技術(shù)層出不窮，也激發(fā)了對模擬技術(shù)的需求和發(fā)展創(chuàng)新的動力。
在新制程支援上，Autodesk Moldflow提升了塑膠流動模擬，纖維取向計算，模具/冷卻系統(tǒng)溫度場類比，產(chǎn)品翹曲變形預(yù)測等功能的精度；同時也積極開發(fā)各種新制程的模擬模組，例如微發(fā)泡成型、熱塑性塑膠壓縮成形、樹脂傳送成形、變模溫技術(shù)、電磁感應(yīng)加熱技術(shù)、隨性冷卻分析、粉末注射成形等。
在新材料支持上也是不遺余力。 Autodesk Moldflow為塑膠成形過程模擬軟體，在該產(chǎn)業(yè)鏈上發(fā)揮著極其重要的作用。準(zhǔn)確的材料屬性測試對模擬類比的精度至關(guān)重要，Autodesk Moldflow依托兩個材料實驗室，能夠?qū)π虏牧系恼扯取VT、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱系數(shù)以及CRIMS等參數(shù)進(jìn)行完整測試，同時Autodesk Moldflow和各大材料商保持著戰(zhàn)略合作關(guān)系，雙方緊密合作為客戶提供最新最精確的材料參數(shù)資料庫。
在典型的塑膠模具企業(yè)中，模流分析工程師團(tuán)隊使用Autodesk Moldflow對產(chǎn)品的可成形性以及可能出現(xiàn)的制品缺陷進(jìn)行評估。通過將實際生產(chǎn)的工藝參數(shù)輸入軟體中進(jìn)行計算，Autodesk Moldflow可以模擬制品在模具中的充填行為以及后續(xù)的翹曲變形，并能提供一系列結(jié)果，例如壓力場、溫度場、速度場、剪切速率場、纖維分布取向、收縮率等。通過對模擬結(jié)果的解讀，可以提前發(fā)現(xiàn)各種可能將會出現(xiàn)在實際生產(chǎn)過程中的問題與缺陷。例如:
● 通過對充填模式的解讀，可以判斷是否存在短射，流動不平衡等缺陷
● 通過對壓力結(jié)果的觀察可以判斷成型壓力是否過高，結(jié)合其它結(jié)果，如溫度、粘度、剪切速率來進(jìn)一步分析導(dǎo)致壓力過高的原因。
● 通過對剪切速率的觀察，可以判斷是否存在不合理的澆口設(shè)計，過高的剪切溫升和材料降解。
● 通過對模具和冷卻水路結(jié)果的分析，可以指出模具設(shè)計不合理的區(qū)域。
● 通過對翹曲結(jié)果的分析，可以判斷制品尺寸是否符合要求，進(jìn)一步分析引起翹曲的原因，例如收縮不均或者不合理的纖維取向分布，可以幫助找出改善翹曲變形的關(guān)鍵因素。
基于模擬結(jié)果，模流工程師可以與產(chǎn)品設(shè)計部門、模具廠、生產(chǎn)現(xiàn)場，以及客戶緊密合作。對產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計，以及生產(chǎn)制程提供建議與指導(dǎo)。以短射缺陷為例，可能的改進(jìn)方式有很多種，如修改澆口尺寸或位置、修改流道、增加壁厚、升高溫度、增加排氣等。此時模擬模擬的結(jié)果就能為方案的選擇提供最好的參考，從而提高試模成功率，提升效率，降低成本，提高企業(yè)行業(yè)競爭力。
除了能夠做成形性分析，為工程師提供參考之外，Autodesk Moldflow還具有智慧尋找最優(yōu)化方案的能力。通過使用實驗設(shè)計優(yōu)化，使用者自訂影響因素與目標(biāo)準(zhǔn)則，Autodesk Moldflow能夠自動將這些因素分解成為一系列的分析，進(jìn)而根據(jù)使用者的目標(biāo)來推薦最優(yōu)的方案。 Autodesk Moldflow的試驗設(shè)計優(yōu)化功能相當(dāng)強(qiáng)大，幾乎包含了所有的成形因素。在最新的版本中Autodesk Moldflow更是將CAD模型直接編輯加入到試驗設(shè)計優(yōu)化中。例如使用者可以直接在Autodesk Moldflow中定義模型壁厚的變化范圍，軟體能夠自動生成一組不同壁厚的CAD模型并劃分網(wǎng)格與分析，最終返回給用戶最優(yōu)的壁厚方案。這些功能的出現(xiàn)是各種前沿技術(shù)集大成的結(jié)果，如Autodesk的云計算能力使得試驗設(shè)計優(yōu)化產(chǎn)生的大量方案能夠得到快速求解，又比如Autodesk對CAD內(nèi)核直接編輯的技術(shù)，使得任意格式的CAD模型能夠被修改，并加入到試驗設(shè)計優(yōu)化當(dāng)中。
展望
增材制造近些年很受關(guān)注，其工業(yè)級應(yīng)用漸熱。例如鐳射選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(SLS)結(jié)合金屬材料，可以列印高強(qiáng)度、高精度的工業(yè)制品，屢見于航空和模具制造領(lǐng)域。但是對于SLS加工過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，及其導(dǎo)致的冷卻后的收縮變形，卻一直缺乏有效的分析手段，殘留的熱應(yīng)力也使得傳統(tǒng)的模擬分析變得困難。所以對性能敏感的關(guān)鍵部件，現(xiàn)在的設(shè)計過程大多還停留在試制、實測和試校正的層面。為此Autodesk 在其Netfabb 3D列印套件中新添了Simulation元件，使用美國賓州大學(xué)Pan實驗室的技術(shù)，可以高速模擬整個3D列印過程，通過計算每一個節(jié)點的熱歷史來獲取整個部件的熱應(yīng)力分布，填補(bǔ)了這一空白。
增材制造對制品內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)的掌控，也賦予設(shè)計師更大的創(chuàng)想能力。 Netfabb Optimization可以以擬生的方式，在制品內(nèi)部設(shè)計晶格(Lattice)填充結(jié)構(gòu)。運(yùn)用不同的晶格基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，可以達(dá)成極輕量化、生物親和，彈性緩沖等等不同的優(yōu)化目標(biāo)。下圖就是一個熱交換器的實現(xiàn)，內(nèi)部的仿生結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)熱交換率的最大化，這樣部件的設(shè)計和優(yōu)化，是傳統(tǒng)CAD/CAE軟體和傳統(tǒng)制造工藝難以企及的。
這樣的設(shè)計，其實是依托云計算和人工智慧，運(yùn)用強(qiáng)大的建模規(guī)則和模擬軟體的洞察能力構(gòu)建而成。它改變了傳統(tǒng)設(shè)計過程中以幾何為中心的觀念，轉(zhuǎn)向面向需求的生態(tài)拓樸設(shè)計，從性能要求和加工約束出發(fā)，從實際使用的角度來推導(dǎo)最佳方案。自然界千萬年的演化與科技的自我完善，在這里匯集。
假設(shè)有一天，你可以對手機(jī)說：「我想要一張椅子，它有四個腳，離地90cm高，木頭或者塑膠材質(zhì)，100公斤大漢也坐不壞。」然后就會有成百上千種最優(yōu)化的設(shè)計自動生成任由挑選，然后柔性工廠可以為這款獨特的座椅自動加工成型，那是不是很酷？
在2016年11月的全球用戶大會上，Autodesk首次宣布了名為DreamCatcher產(chǎn)品的雄心壯志。目標(biāo)就是打造一個智慧平臺，能夠理解使用者產(chǎn)品的性能要求與使用場景，自動探索最優(yōu)且可加工的設(shè)計方案組合，供設(shè)計師參考。它所引發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計的重新思考，現(xiàn)在才剛剛開始。未來的唯一局限，也許只是我們的想像力。
制造業(yè)最好的年代，正在路上。
(本文作者夏臻新、陳路為歐特克(中國)軟體研發(fā)高級經(jīng)理、資深研究員)
