第二節　仿真技術的常規化應用

仿真是利用數字化手段對真實物理世界的模擬，在計算機中透視真實世界的各種現象，而這種透視在物理世界往往成本高、難度大甚至做不到。

越來越多的企業已經充分理解仿真對創新設計能力提升的重要性。在汽車、航空、航天、船舶等工業領域的大量工程運用實踐，驗證了其適用性和準確性。仿真技術成為企業產品轉型、研發創新和技術突破的最基本手段。

從20世紀60年代開始到未來幾十年的時間里，仿真分析逐步成為產品研發的必經過程。仿真分析的數量和產生的仿真數據也隨之大量增加。伴隨著計算機性能的不斷提升，仿真分析成本大幅降低，而物理試驗成本卻在不斷增加，因此，大量物理驗證正在通過仿真來完成。以汽車工業為例，在過去的20年時間里，通過采用碰撞仿真技術，對于汽車平臺車型的開發，碰撞試驗的次數由240多次下降到了80多次，大大縮短了汽車開發的周期。與此同時，世界各大汽車公司每天都有幾十次甚至近百次的碰撞仿真計算，從事碰撞仿真的仿真工程師數量也在急劇增加，每家公司從事碰撞仿真工作的工程師達上百人。

仿真技術產生之初主要是為產品設計服務，用于對產品特性進行預測或確認。隨著技術和應用的發展，仿真技術逐步拓展到制造模擬和試驗模擬。當前，仿真應用集中在三個方面，即產品仿真、工藝（制造）仿真和試驗仿真（或稱虛擬試驗），分別應用于產品生命周期的三個主要階段：產品設計、產品制造和試驗驗證，如圖1-7所示。

圖1-7　仿真應用集中的三個方面

本節對仿真技術在產品（設計）、工藝和試驗領域的常規化應用做簡單介紹。我們在每個領域保留一項深層應用—產品再設計、增材仿真及虛擬試驗，這些應用都是工業4.0時代仿真的新應用方向，在后續三節將對這些新應用進行深入介紹。

1.產品仿真

產品仿真是產品研發設計過程中的主要仿真類型，它使產品研發模式從過去的試驗驅動模式轉變為仿真驅動模式。圖1-8的下半部分展示了曾經的試驗驅動模式。這種模式的特點是串行，仿真是在試驗之后進行分析確認。在這種模式下，仿真的作用很小，處于輔助地位。串行模式在產品周期和成本方面都具有較大風險。

圖1-8上半部分展示了仿真驅動的研發模式。在概念設計之后，建立虛擬樣機，利用仿真手段進行大量的循環迭代，對各種可能的工況和參數進行模擬試驗，獲得確認后再進行詳細設計、物理樣機試驗和產品投產。在這種模式下，仿真是研發最重要的工具，對研發成本的節約和周期的縮短作用巨大。

通常，產品設計可分為以下三類，每類對仿真的需求不同，作用也不同：

·在現有產品基礎上的改進設計。這種設計模式對仿真的需求較小，有時甚至不需要仿真。

·在現有產品基礎上的系列化設計。這種設計模式對仿真有一定的需求，不同參數的選取對產品性能的影響需要做研究。

·全新產品設計（開發新產品）。這種設計模式對仿真的需求是最大的。

圖1-8　仿真驅動模式與試驗驅動模式

在產品研發的各個階段，仿真的價值各不相同。認識到研發早期、中期、后期等各階段的不同作用，才能正確發揮仿真的價值，也才能獲得仿真的最大效益，譬如：

1）在產品研發早期，仿真可以探索新設計，發現新方案，在幾個可選項中正確挑選設計方案，預測產品性能。

2）在產品研發中期，仿真可以確認參數的正確性，修正不合理的設計細節，優化設計參數。

3）在產品研發后期，仿真可以幫助產品定型，在加工過程中返回設計問題時選擇最優方案，當產品在市場中出現質量問題時選擇最需要召回的批次等。

仿真技術和軟件的終極目的是對產品進行優化甚至創新。工業技術的任何一次革命性的進步都可能讓傳統產品煥發新生。仿真技術總是在這種革命性時刻發揮巨大作用，產品再設計就是這樣一個實例。對此，我們將在第三節展開介紹。

2.工藝仿真

目前，仿真已經在工藝設計中廣為應用。圖1-9反映了工藝設計引入仿真前后的差別。在引入仿真技術之前，工藝設計的特點是利用大量實物試驗確認工藝的可行性。而在引入仿真技術之后，工藝方案通過仿真手段進行確認和優化，形成最優方案后進行實物試驗確認。通常仿真確認和優化后，只需要經過很少的實物試驗即可形成最終方案，在成本和周期方面具有巨大效益。

圖1-9　工藝仿真驅動工藝設計

常見的工藝仿真包括鑄造、體成形、板成形和熱處理等的仿真，如圖1-10所示。

圖1-10　工藝仿真的類型

在工業4.0時代，增材制造是一項革命性新工藝，這種工藝的仿真是仿真技術的一項新挑戰，我們將在第四節展開介紹。

3.試驗仿真

即使產品仿真和工藝仿真可以在計算機中對產品和工藝進行虛擬運行，確認了產品和工藝的可行性與合理性，在實踐中仍然需要進行實物試驗。將實物試驗作為一種最終確認，通常也是國家和行業的規范要求。此處的虛擬試驗特指用仿真方法對試驗過程進行模擬，以提高試驗策劃、方案設計及試驗執行的效率，它對試驗結果的解讀也大有裨益。這種以數字化技術改進實物試驗的方法，將過去純粹的實物試驗方法升級為虛實結合的驗證方法（圖1-11），是試驗和測試技術發展的必然趨勢。

圖1-11　虛擬試驗過程

圖1-12展示了幾例常見的虛擬試驗：數字風動試驗（圖1-12a）、汽車虛擬試驗場（圖1-12b）、電子產品跌落試驗（圖1-12c）。

圖1-12　常見的虛擬試驗

虛擬試驗不僅僅是仿真技術和工具的應用，還需要建立完整的體系和平臺，這將在第五節中展開介紹。