第一節(jié)　仿真是正向設(shè)計的核心

系統(tǒng)工程是被世界先進企業(yè)廣泛采用的復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)方法與理論體系，而正向設(shè)計是系統(tǒng)工程理論的核心。應(yīng)用系統(tǒng)工程理論對產(chǎn)品設(shè)計過程進行分解和展開，形成V字流程，如圖1-1a所示。

理想的產(chǎn)品設(shè)計過程的起點是涉眾需求，經(jīng)過需求定義、功能分解、系統(tǒng)綜合、物理設(shè)計、工藝/試制、部件驗證、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)驗證和系統(tǒng)確認等階段，最后完成產(chǎn)品的驗收。V模型的右邊部分既是產(chǎn)品交付，又是對左邊相應(yīng)部分的驗證。如果驗證出現(xiàn)問題，會回到左邊的相應(yīng)流程進行修正。這個過程稱為“正向設(shè)計”，圖1-1a則是正向設(shè)計模型。該模型有兩個特點：①標準的對稱模型；②設(shè)計入手點很高。

圖1-1　基于V模型的正向設(shè)計和逆向工程

但通常來說，企業(yè)發(fā)展都會經(jīng)歷一個逆向工程過程。產(chǎn)品設(shè)計的起始點不是涉眾需求，而是從V模型中間某個點開始，如圖1-1b所示?！拔锢碓O(shè)計”是中國企業(yè)的常見起點，本階段仿照已經(jīng)存在的產(chǎn)品，繪制圖紙，進入試制和驗證各階段，完成產(chǎn)品交付或推向市場。V模型的右邊出現(xiàn)問題時，由于左邊無法對應(yīng)，所以只能回溯到前一階段查詢和解決問題。當回溯到物理設(shè)計階段仍然解決不了問題時，則成為永遠的問題。清醒的企業(yè)會有意識地研究物理設(shè)計之前的各個過程，以圖追溯和還原仿制對象的本源，當然，這樣只能還原部分本源。以上過程我們稱為“逆向工程”，圖1-1b則是逆向工程模型。相對正向設(shè)計，逆向工程模型也有兩個特點：①不對稱的殘缺模型；②設(shè)計入手點比較低。

依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的起點可以評判一家企業(yè)的設(shè)計能力。從V模型的哪個階段入手設(shè)計產(chǎn)品，基本可以斷定該企業(yè)的設(shè)計能力就是這個起點所對應(yīng)的能級。這樣，我們可以把企業(yè)設(shè)計能級（成熟度）分為五級：仿制級、逆向級、系統(tǒng)級、正向級和自由級。

為了保證V模型左半邊的四個設(shè)計過程結(jié)果正確，需要引入五個小V循環(huán)，分別是需求確認、功能確認、系統(tǒng)確認、物理確認和制造確認。由于在設(shè)計過程中，實物并沒有被制造出來，所以在數(shù)字化仿真技術(shù)出現(xiàn)之前，這種確認只能用實物的替代品來實現(xiàn)，確認難度非常大，效果也很不理想。自從仿真技術(shù)出現(xiàn)后，可以通過計算、分析、模擬或仿真等手段對設(shè)計進行確認和優(yōu)化，如圖1-2所示。

這樣最終確定的研發(fā)體系是由多個V嵌套的模型（確切地講是六個V），姑且稱為“多V模型”。整體來看，多V模型的最左側(cè)是設(shè)計過程，最右側(cè)是試驗與驗證過程，最底層是試制過程，中間則是一系列仿真過程。

圖1-2　產(chǎn)品研發(fā)的完整過程

如圖1-3所示，在正向設(shè)計多V模型中，仿真的位置預(yù)示著它是正向設(shè)計的核心，事實上也的確如此。仿真是產(chǎn)品得以正向設(shè)計的保障，或者說，沒有仿真，正向設(shè)計無從談起，至少無法順利進行。設(shè)計在任何一個階段都應(yīng)該在得到驗證后才往下進行，否則后期返工帶來的成本和周期難以承受。對設(shè)計的最終驗證是物理試驗，但在設(shè)計前期產(chǎn)品尚未成形，根本無法做物理試驗，有時候可以用替代品做一定程度的驗證，但往往無法達到目的。所以，在計算機中的虛擬驗證就變得無比重要，仿真就是在計算機中做虛擬試驗的過程。

所謂仿真，是利用虛擬模型替代真實世界的物理模型，在計算機中對真實世界進行模擬，從而以較低的成本和較短的時間，獲得對真實世界更為完整和全面的理解。

仿真可以用于透視產(chǎn)品特性，看到產(chǎn)品的運行本質(zhì)和規(guī)律，預(yù)測產(chǎn)品性能，譬如剛度、強度和疲勞壽命。采用仿真技術(shù)可以快速進行虛擬試驗，大量減少實物試驗次數(shù)。與實物試驗相比，仿真能看到實物試驗看不到的數(shù)據(jù)，提前發(fā)現(xiàn)缺陷，預(yù)測運行期間的故障以及引起故障的原因。同時仿真具有低成本和高效率的特點，所以可以做遍歷仿真，發(fā)現(xiàn)新方案，驗證各種創(chuàng)新思路的可行性。

仿真最基本的作用就是對設(shè)計各階段的結(jié)果進行驗證。設(shè)計過程具有需求定義、功能分解、系統(tǒng)綜合、物理設(shè)計和工藝設(shè)計等過程，對每一個設(shè)計子過程都有相應(yīng)的仿真驗證手段，所以，仿真可以分為以下五大類：指標分析、功能分析、系統(tǒng)分析、物理仿真和制造仿真。

圖1-3　仿真處于產(chǎn)品設(shè)計體系的核心位置

習(xí)慣上，人們把指標分析、功能分析和系統(tǒng)分析統(tǒng)稱為系統(tǒng)仿真，把物理仿真與制造仿真統(tǒng)稱為實物仿真，如圖1-4所示。系統(tǒng)仿真的模擬對象是系統(tǒng)架構(gòu)，屬于抽象模型，而物理仿真和制造仿真的模擬對象是產(chǎn)品實體，屬于實物模型。因此，系統(tǒng)仿真往往用來在概念階段確認產(chǎn)品的總體架構(gòu)（圖1-5），實物仿真通常用來確認物理產(chǎn)品的初步設(shè)計、詳細設(shè)計、工藝設(shè)計和制造過程（圖1-6）。

到了物理設(shè)計階段，產(chǎn)品的形態(tài)已經(jīng)比較具體，仿真的類型開始豐富起來。根據(jù)分析目的的不同，將物理仿真分為單場仿真、多場仿真、多體仿真和虛擬現(xiàn)實，制造仿真分為工藝仿真、干涉檢查、裝配仿真、機構(gòu)仿真和6σ分析等。根據(jù)物理場的不同，分為結(jié)構(gòu)場仿真、流場仿真、電磁場仿真等。根據(jù)分析對象的不同，分為機械仿真、流體仿真、電氣仿真、電子仿真、液壓仿真等。根據(jù)計算方法、模型處理方法的不同，還有更多分類方法，此處不再贅述。

圖1-4　仿真分為系統(tǒng)仿真和實物仿真

圖1-5　系統(tǒng)仿真

圖1-6　實物仿真