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(zhǎng)為現(xiàn)代先進(jìn)製造業(yè)必備的手段之一，並廣泛應(yīng)用於產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，通過(guò)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(jì)和實(shí)驗(yàn)成本，同時(shí)也大幅縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)週期。隨著近年來(lái)雲(yún)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(jì)和製造過(guò)程正在進(jìn)一步融合，並以前所未見(jiàn)的方式給予設(shè)計(jì)師更多洞見(jiàn)與啟迪。
尤其有意義的是，製造業(yè)本身也正處?kù)肚лd難逢的發(fā)展機(jī)遇之中，對(duì)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)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(jì)算資源，給產(chǎn)品創(chuàng)新帶來(lái)了前所未有的契機(jī)。傳統(tǒng)的專注於功能實(shí)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(guò)渡。一旦與智慧平臺(tái)相連，諸多產(chǎn)品生成的資料交匯，就彷彿產(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，提供客製化服務(wù)，並且在整個(gè)生命週期中不斷改進(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(cè)器。不論是在三萬(wàn)英尺的高空還是在海裡，引擎產(chǎn)生的運(yùn)行資料都會(huì)通過(guò)衛(wèi)星擷取，並提交給總部作即時(shí)維護(hù)決策使用。這使得勞斯萊斯能夠隨時(shí)掌控引擎的狀態(tài)，以執(zhí)行時(shí)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)的製造過(guò)程也極大的激發(fā)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)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製造等行業(yè)逐漸展開(kāi)。其獨(dú)有的成型過(guò)程賦予工程師極大的自由來(lái)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。
如雨後春筍般出現(xiàn)的新技術(shù)，和使用者對(duì)新形態(tài)產(chǎn)品的渴望，將進(jìn)一步推動(dòng)製造業(yè)變革升級(jí)的浪潮。
初識(shí)
歐特克(Autodesk)與許多的製造企業(yè)有深入的合作，不管是位列世界五百?gòu)?qiáng)的知名跨國(guó)公司，還是嶄露頭角的市場(chǎng)新星，這些合作夥伴在產(chǎn)品研發(fā)中運(yùn)用模擬技術(shù)的熱情、視角和收穫，一直在給予我們啟示。在過(guò)去的十年時(shí)間裡，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(lái)支援不同的行業(yè)。
● Autodesk Simulation Moldflow 是全球模流注塑分析和加工過(guò)程模擬解決方案，在塑膠製品行業(yè)極富盛名。廣泛應(yīng)用於汽車和消費(fèi)電子業(yè)。
● Autodesk Nastran 是源於NASA的三大Nastran分支之一，通過(guò)嚴(yán)苛的NAFEMS 基準(zhǔn)測(cè)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(duì)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(mén)、數(shù)值風(fēng)洞和空調(diào)建築等方面。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建築業(yè)解決方案的無(wú)縫整合。
● Autodesk Simulation Helius 面向複合材料的設(shè)計(jì)與分析，對(duì)疊層複合材料的漸進(jìn)性失效(Progressive Failure)特性有獨(dú)到的支持，對(duì)航空業(yè)極有意義。Helius也能夠通過(guò)非線屬性的映射，使得對(duì)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 Structure Analysis 主要是建築鋼結(jié)構(gòu)分析，長(zhǎng)於結(jié)構(gòu)分析和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)適配，長(zhǎng)期深耕歐洲市場(chǎng)。
模擬能力是對(duì)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(cè)和量化的方式呈現(xiàn)出來(lái)。複合使用多種模擬能力，能將以往依靠經(jīng)驗(yàn)和閱歷來(lái)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(wèn)題，例如:
● 強(qiáng)度要多少才足夠
● 部件何時(shí)會(huì)失效
● 缺陷會(huì)如何發(fā)生
● 是否會(huì)過(guò)熱
● 不影響性能的前提下，能變得多輕
● 如果跌落會(huì)發(fā)生什麼
溫度變化的影響是? 這個(gè)部件會(huì)損毀嗎? 如果跌落，會(huì)發(fā)生什麼狀況? 是否會(huì)過(guò)熱? 能夠承載流體的壓力嗎? 能夠更快的生產(chǎn)嗎? 何時(shí)會(huì)失敗? 缺陷會(huì)如何發(fā)生? 部件會(huì)相交嗎? 強(qiáng)度到底要多少才夠?能讓它變得多輕? 會(huì)有瑕疵嗎?
對(duì)於初識(shí)模擬的企業(yè)而言，模擬的洞察力較多用於補(bǔ)充和代替產(chǎn)品研發(fā)中的的試件和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。只要有了數(shù)位化的CAD模型和工況載荷描述，無(wú)需製造真實(shí)部件，就能展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，預(yù)測(cè)性能及耐久度。在設(shè)計(jì)開(kāi)始就能以極低的成本隨時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，以可重現(xiàn)、可比較的方式將性能考量加入到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，這是非常有吸引力的。對(duì)於試製成本高昂的部件（例如飛機(jī)機(jī)翼）、破壞性的實(shí)驗(yàn)（例如汽車碰撞檢測(cè)）和難以達(dá)成實(shí)驗(yàn)條件的場(chǎng)合（例如建築設(shè)計(jì)的散熱需求）尤其如此。越早開(kāi)展模擬分析，就能以越小的成本完成設(shè)計(jì)更改，獲得更完整的設(shè)計(jì)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)之後，有越來(lái)越多的企業(yè)不再滿足於其虛擬驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)的用途，開(kāi)始探索模擬在設(shè)計(jì)和加工製造方面的延伸運(yùn)用，希望在設(shè)計(jì)階段就增添可加工性檢驗(yàn)，例如：
● 設(shè)計(jì)是否可加工
● 如何設(shè)計(jì)才便於製造
● 對(duì)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(guò)程對(duì)部件性能的影響
● 材料選擇會(huì)產(chǎn)生的差異
● …
Autodesk Moldflow近年來(lái)的發(fā)展，就是和模流注塑行業(yè)與時(shí)俱進(jìn)的一個(gè)典型。塑膠高分子模內(nèi)成形過(guò)程極其複雜，影響因素眾多。同時(shí)由於行業(yè)的快速發(fā)展，新製程、新材料、新技術(shù)層出不窮，也激發(fā)了對(duì)模擬技術(shù)的需求和發(fā)展創(chuàng)新的動(dòng)力。
在新製程支援上，Autodesk Moldflow提升了塑膠流動(dòng)模擬，纖維取向計(jì)算，模具/冷卻系統(tǒng)溫度場(chǎng)類比，產(chǎn)品翹曲變形預(yù)測(cè)等功能的精度；同時(shí)也積極開(kāi)發(fā)各種新製程的模擬模組，例如微發(fā)泡成型、熱塑性塑膠壓縮成形、樹(shù)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餘力。Autodesk Moldflow為塑膠成形過(guò)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(cè)試對(duì)模擬類比的精度至關(guān)重要，Autodesk Moldflow依託兩個(gè)材料實(shí)驗(yàn)室，能夠?qū)π虏牧系恼扯取VT、熱傳導(dǎo)係數(shù)、比熱係數(shù)以及CRIMS等參數(shù)進(jìn)行完整測(cè)試，同時(shí)Autodesk Moldflow和各大材料商保持著戰(zhàn)略合作關(guān)係，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(kù)。
在典型的塑膠模具企業(yè)中，模流分析工程師團(tuán)隊(duì)使用Autodesk Moldflow對(duì)產(chǎn)品的可成形性以及可能出現(xiàn)的製品缺陷進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)將實(shí)際生產(chǎn)的工藝參數(shù)輸入軟體中進(jìn)行計(jì)算，Autodesk Moldflow可以模擬製品在模具中的充填行為以及後續(xù)的翹曲變形，並能提供一系列結(jié)果，例如壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、剪切速率場(chǎng)、纖維分佈取向、收縮率等。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的解讀，可以提前發(fā)現(xiàn)各種可能將會(huì)出現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題與缺陷。例如:
● 通過(guò)對(duì)充填模式的解讀，可以判斷是否存在短射，流動(dòng)不平衡等缺陷
● 通過(guò)對(duì)壓力結(jié)果的觀察可以判斷成型壓力是否過(guò)高，結(jié)合其它結(jié)果，如溫度、粘度、剪切速率來(lái)進(jìn)一步分析導(dǎo)致壓力過(guò)高的原因。
● 通過(guò)對(duì)剪切速率的觀察，可以判斷是否存在不合理的澆口設(shè)計(jì)，過(guò)高的剪切溫升和材料降解。
● 通過(guò)對(duì)模具和冷卻水路結(jié)果的分析，可以指出模具設(shè)計(jì)不合理的區(qū)域。
● 通過(guò)對(duì)翹曲結(jié)果的分析，可以判斷製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佈，可以幫助找出改善翹曲變形的關(guān)鍵因素。
基於模擬結(jié)果，模流工程師可以與產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門(mén)、模具廠、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，以及客戶緊密合作。對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)，以及生產(chǎn)製程提供建議與指導(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(shí)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(jìng)爭(zhēng)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(guò)使用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(dòng)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(lái)推薦最優(yōu)的方案。Autodesk Moldflow的試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)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範(fàn)圍，軟體能夠自動(dòng)生成一組不同壁厚的CAD模型並劃分網(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的雲(yún)計(jì)算能力使得試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化產(chǎn)生的大量方案能夠得到快速求解，又比如Autodesk對(duì)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，並加入到試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化當(dāng)中。
展望
增材製造近些年很受關(guān)注，其工業(yè)級(jí)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)製品，屢見(jiàn)於航空和模具製造領(lǐng)域。但是對(duì)於SLS加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，及其導(dǎo)致的冷卻後的收縮變形，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(duì)性能敏感的關(guān)鍵部件，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)過(guò)程大多還停留在試製、實(shí)測(cè)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(guó)賓州大學(xué)Pan實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)，可以高速模擬整個(gè)3D列印過(guò)程，通過(guò)計(jì)算每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱歷史來(lái)獲取整個(gè)部件的熱應(yīng)力分佈，填補(bǔ)了這一空白。
增材製造對(duì)製品內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)的掌控，也賦予設(shè)計(jì)師更大的創(chuàng)想能力。Netfabb Optimization可以以擬生的方式，在製品內(nèi)部設(shè)計(jì)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，彈性緩衝等等不同的優(yōu)化目標(biāo)。下圖就是一個(gè)熱交換器的實(shí)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(jì)和優(yōu)化，是傳統(tǒng)CAD/CAE軟體和傳統(tǒng)製造工藝難以企及的。
這樣的設(shè)計(jì)，其實(shí)是依託雲(yún)計(jì)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(jì)過(guò)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(jì)，從性能要求和加工約束出發(fā)，從實(shí)際使用的角度來(lái)推導(dǎo)最佳方案。自然界千萬(wàn)年的演化與科技的自我完善，在這裡匯集。
假設(shè)有一天，你可以對(duì)手機(jī)說(shuō)：「我想要一張椅子，它有四個(gè)腳，離地90cm高，木頭或者塑膠材質(zhì)，100公斤大漢也坐不壞。」然後就會(huì)有成百上千種最優(yōu)化的設(shè)計(jì)自動(dòng)生成任由挑選，然後柔性工廠可以為這款獨(dú)特的座椅自動(dòng)加工成型，那是不是很酷？
在2016年11月的全球用戶大會(huì)上，Autodesk首次宣佈了名為DreamCatcher產(chǎn)品的雄心壯志。目標(biāo)就是打造一個(gè)智慧平臺(tái)，能夠理解使用者產(chǎn)品的性能要求與使用場(chǎng)景，自動(dòng)探索最優(yōu)且可加工的設(shè)計(jì)方案組合，供設(shè)計(jì)師參考。它所引發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重新思考，現(xiàn)在才剛剛開(kāi)始。未來(lái)的唯一局限，也許只是我們的想像力。
製造業(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(guó))軟體研發(fā)高級(jí)經(jīng)理、資深研究員)
