CAE应用成为核心理念

2013-06-09 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

如果说几年前,CAE(计算机辅助工程)软件在工程师的认知上是件很高端的工具,这是一件很正常的事情。至于如何普及CAE,显然专业技术门槛高,软件销售价格高都是其推广的制约因素。一方面,相对复杂的建模过程和仿真参数设置,对于工程师自身的理论功底要求是很高的。之前某跨国CAE软件提供商向记者透露,使用此公司软件的都是至少硕士以上的高级人才。理由很简单,因为如果连参数都不能保证设置正确,仿真的结果何从谈起呢?另一方面,国外CAE软件的价格普遍偏高,众多企业对西方流行的软件租赁形式也从习惯上缺乏认同感,所以在华CAE应用的大范围推广,除了航空航天等高端技术领域,确实存在瓶颈。然而,随着设计CAD与仿真CAE在技术上结合的越来越“一气呵成”,面向设计工程师使用的CAD工具中的CAE嵌入式应用让更多的普通工程师有机会接触到了CAE。而这对于CAE仿真技术的推广而言,肯定是件好事。

当前CAE应用需求:简单快速

在今年6月份中国机械工程学会机械工业自动化分会主办的CAE年会上,太原重工的教授级高工王建正先生告诉记者:“再好的CAE,一定要更多的人用才能发挥出它的巨大优势来。”他举例说,“最早的打字机只能由专业的文本输入员才有资格使用,所以当时会打字的人并不多。而现在由于电脑普及了,每个人都能熟练的使用电脑键盘进行文字工作。这说明一件东西是好东西,或者一种技术是好技术,只有流行开了,大家都用,它才是真正的好东西、好技术。” 谈到目前太原重工CAE的应用水平,王建正教授介绍说,CAE提供商提供的通用软件只是一个基础,太原重工结合自身情况进行了CAE上的二次开发,从而实现程式化、模块化、参数化的CAE设计仿真校验。太原重工现在的CAE应用也呈现所谓的二八现象,即CAE专业人员负责相对高端、复杂的CAE校验工作,而这种所谓高端CAE应用的工作量只占公司CAE工作总量的20%,另一方面,占研发团队人员比例80%的普通设计人员虽然在CAE应用难度级别上不高,但对于大量标准的,初级的CAE工作,他们则能够完全胜任。而实际工作中,这种类型的CAE工作量会占到CAE工作总量的80%,这说明,设计工程师已经是公司CAE应用的主力。而每个设计工程师对自身的设计校验工作可以保证一体化,这样的工作方式效率会很高。

另外太原重工还建立了CAE分析库。把设计仿真分析的历史数据和know how固化下来,从而大幅提升CAE工作的质量和效率。

太原重工的教授级高工王建正补充说:太原重工的研发特点是:产品线长,产品种类众多,在产品开发中,数据繁琐、数据量很大,之前使用的CAE软件工具也有很多,这样就因多平台、多文件版本造成了更大的数据负担。所以王建正的总体应用体会是:“软件够用就行,甚至是越少越好。我们一旦确认了CAE分析的可靠性,那剩下的需求指标就是两点:简单、快速。王建正教授所言的简单是指使用简单,也就是软件工具的界面设计人性化、用户友好性高;而快速是指CAE的分析时间。虽然这个指标会受到仿真科目、仿真设置、硬件水平,软件配置等多种因素的制约,但“越快越好”是王建正代表工程师所表达的心声。因为只有速度足够快了,就能增加参数变化后的仿真次数;只有足够快,就能在短时间内对设计模型的细节进行反复推敲;只有速度够快了,才能让设计工程师切实体会到设计、仿真、优化设计、再仿真,从而实现仿真一体化的流畅感,有利于设计者在一定时间内保持思维的连续性。而对于王教授追求CAE的“简单”、“快速”,广州汽轮机有限公司设计研究所的工程师阮文华表示,颇有同感。

广州汽轮机有限公司隶属广州电气集团,是国内生产电力汽轮机的重点企业,在其设计研究所中,汽轮机的设计相对成熟。现在公司已经实现了零样机(无物理样机)的设计流程。全部测试校验工作也是基于CAE的虚拟仿真环境下的了。目前公司团队中有25人参与CAE仿真,而真正负责实物试验的只有5人,而且,他们进行的试验也是产品动平衡试验等必须放在制造过程后端的测试项目。阮文华工程师对目前公司新采用的SolidWorks公司CAE软件Cosmos显得非常满意,他说:“软件很好用,很容易上手,仿真的结果和原先积累的实验数据也很接近。原来需要三周的样机试验工作,现在半天就解决了。而且关键部位、部件的分析都能快速地得到结果。最关键的是这个仿真工具是和公司CAD建模工具SolidWorks软件结合在一起的,这让工程师在设计和仿真中随时自如地切换,非常有利于设计工程师对自己的设计快速地进行优化。”

同样,阮工程师对太原重工设计模块化,仿真模块化的发展思路也十分认同。此外,他再次强调了软件的易用性对自身工作带来的良性影响。“软件使用界面越简单,肯定其后台工作越多。作为设计人员,我们重在应用,因此我们喜欢在使用CAE软件时有更简单的交互界面,和步骤更少的操作流程。至于后台的工作,我们倒不是很关注。” 阮文华如是说。

精益设计理念的提出

采访中发现,目前很多企业都在加速CAE的应用,而中国制造业企业对于CAE的增加投入也是其普遍增加对设计研发上的投入的一个缩影。增加投入的目的显然就是为了提升企业的核心竞争力,但投入的多寡未必直接等同于提升效果的优劣。一些企业软件买了很多,反而因平台多样、文件版本复杂,数据管理混乱;信息化实施细节问题众多,而且不易快速解决等问题陷入更深层次的困境。面对这些企业成长中的烦恼,国家制造业信息化重大专项组组长,中国航天科技集团总工程师杨海成教授(其也是国家863/CIMS主题专家组组长,中国机械工程学会机械工业自动化分会主任委员)对此开出了自己的“药方”。这就是精益设计概念的提出。杨海成教授分析认为:“目前国内企业提升自身创新能力的需要迫切,而在全国制造企业普及二维设计技术后,三维设计的应用推广也在快速展开,三维设计基础已初具规模。这为企业设计创新的下一步发展提供了技术上的前提与基础。目前,制造型企业的设计需求集中在设计软件易学易用、确保设计成果正确有效,设计能为企业快速增值的具体的需求上。”

另一方面,据杨教授分析,当今企业仍旧停留在对软件的应用阶段,尚不能实现多设计流程紧密结合,至于企业重金打造的数字化设计平台,距离全面支撑设计创新的平台也依旧存在不足。

因此,在目前中国企业有一定的数字化设计基础上,企业要做到有效实现设计价值,同时控制设计成本,这就势必呈现出一种设计需求发展的新趋势,即优化设计的成本、效益、效能。做到精益化。

杨海成教授阐述了精益设计概念的内涵和外延:讲精益就是在讲瘦身。其中所谓精,就是少,是无多余设计要素。相对而言的庞大、豪华、或通过堆砌产品功能片面追求通用化的做法都不足取。要达到精,就要考虑设计环节的精简,关键环节的优化和加强。所谓益,就是要经济性好。即在成本与质量上找到平衡。所以精益合起来就是要达到一个最优化的效果。

精益设计的特点要突出工程性、集成性、能力性和整体性。突出工程性是要强调在具体设计项目中,工程性指标大于技术性指标。这很好理解,因为工程中,技术指标只是全局中的重要一环,但不是全部。时间因素、成本因素、以及各种相关条件都会对项目成功产生影响或是制约。所以强调推出工程性就是强调务实。
其次,强调集成性就是要实现1+1等于2甚至大于2的效果。因为在设计环节中涉及人员、设施、软件工具等多个部分,其中数据标准、设计知识等也是影响设计的重要因素。所以,将各种资源有效配置,实现整体上的集成优势,这其中就蕴含有搭配、组合、优化等多种资源的艺术了。

第三,精益设计中要强调能力,而不仅仅是堆砌各种设计业务的手段,因为任何手段都不等于能力,这就好比购买先进机床的数量不等于形成生产力的多寡。能够在每个具体设计项目中驾轻就熟,处置得当,才是精益设计新条件、新要求下的成功之法。杨海成教授说:“企业对于精益设计的应用目标一定要上升到企业核心竞争力为目的。”这说明提升创新能力才是杨海成教授倡导企业贯彻精益设计战略的核心目标。

最后,精益在设计理念再次强调整体性。精益设计的运用核心就在于全局观。和对设计项目的系统整体的把握能力了。

谈到如何在设计中实现精益化,杨海成教授认为:首先就是要落实数字化设计手段作为精益的基础地位。“在信息化与工业化融合的大发展背景下,我们不能将信息化作为简单的工程应用。要将精益化贯彻到这种融合中去。精益将是流程的变革,其中必然包括流程再造和重组。而我们也不能仅仅视信息化为工业化的一只工具。将硬件平台、软件平台和数据简单地累加起来。真正的精益化设计平台是要通过组合、优化,形成企业设计研发的能力平台,而这种工业化与信息化的融合,就是两种方向的集成它的突出表现就是协同化。” 杨海成教授说。

广州汽轮机的阮文华工程师在采访中谈到产品价值核心在于设计,而不是CAE,CAE仿真分析的作用就是为设计保驾护航的。我们姑且不论阮工程师对于CAE价值的判定是否十分准确,单从他的观点中,我们也能体会到CAE应该服务于设计的正确定位,也就是说,CAE作为设计研发中的重要组成部分,是精益设计战略中当然的重要一环。

国家制造业信息化专项组组长杨海成教授同样非常看好CAE技术节约大量研发时间与成本的能力。他提出利用CAE虚拟技术、并行技术、分布式协同等目前最新的技术,从结构性分析、运动学分析、动力学仿真、热力学仿真等多领域为设计需求服务,从而用信息化的手段全面快速地提高设计产品的性能与质量。

同时,杨海成教授还提出在CAE应用中,应预防“大马拉小车”的问题,杨海成说:“企业不应付出高昂的投入,仅为解决自身入门级的应用需求。而应该结合自身特点,选择恰当的CAE平台。另一方面,将CAE应用投入片面的集中在软件平台的购买上,而忽略了目前真正的CAE短板,即对于工程师的培训与投入。因为根据木桶短板原理,企业未来精益的设计研发水平将是最短短板所能达到的水平。”

对于杨教授精益设计理念的产品化解读,安世亚太副总裁赵敏先生应该很有发言权。安世亚太作为国内知名的CAE软件提供商,长期代理ANSYS等国际知名CAE软件产品,对中国CAE用户的需求十分了解。同时,安世亚太正在积极致力于打造先进的国产精益研发软件平台,站在精益的高度,为解决国外CAE产品未必能解决的实际问题提供更好的策略和方法。在赵敏先生介绍安世亚太用自身产品解读精益设计,乃至精益研发的解决方案时,他提出了所谓“大质量”管理的概念。产品、零件、项目时间、项目完成度、服务等各种方面都有质量控制的需求。所以这种质量管理的应用应该是贯穿设计生产服务全周期的。由于安世亚太自身的积淀优势,加上其整合由TRIZ理论支撑的创新管理软件、跨平台CAE软件,和专业质量控制软件等,打造新的企业精益研发平台。这也使安世亚太在呼唤民族企业在当前CAE产业中发挥更大作用的呼声中,被本土用户寄予了更多的期望。

CAE仿真五大热点

比较国内CAE厂商近期围绕精益研发理论的活跃表现而言,跨国公司也有属于自己的认识和分析。Siemens PLM Software 全生命周期数字化仿真的全球市场总监 Richard J. Bush先生为记者分析了近期CAE仿真发展的五大热点。首先,Bush先生认为CAE技术的发展是一种重要的流程改进。因为在此之前,在产品设计过程中,流程是从概念设计,到详细设计,再到生产。在生产之前的测试环节是在产品原型样机阶段进行的,而CAE就是要在这个测试环节部分或完全地替代对物理样机的测试。随着CAE技术的快速发展与完善,CAE技术和CAD(计算机辅助设计)技术的结合更加紧密,越来越多的CAE功能和CAD创建模型可以实现无缝的连接。因此,CAE仿真越来越在设计的前端被频繁的运用起来。工程师对设计的优化效率也随之快速提升。而“验证”本身这个概念也可以事实上被“预见”一词所取代。

其次,通过最新的CAD同步建模方式(SIEMENS PLM Software公司的最新技术成果,其他CAD软件提供商也在逐步推出类似的CAD建模技术)建模,大大加速了建模的速度,使仿真、优化、再仿真的整体流程更高效,更人性化。

第三,先进的技术已经让我们大幅提升了在仿真前端进行几何整理的能力。在一些CAE仿真分析的前处理环节中,对几何模型的“修补”,清理工作变得更加方便、自动化。

“第四的热点是CAE的应用仿真领域正在扩大,比如我在演讲中演示的,对模具装配并实现生产的全过程仿真,”Bush先生说,“考虑到装配的复杂性,从单个关键部件的仿真能力提升到对全产品、全系统的仿真能力,这给企业带来的价值是显而易见的。在未来的不少情况下,也许一件真实存在的物理样机都不用制作出来,工程师就有足够的信心确保产品设计、系统设计的质量。”另外,Bush先生指出,不仅仅是静力学的仿真应用,FEA、CFD(流体动力学仿真)、动力学仿真、声学仿真等的综合运用为CAE仿真领域的快速拓展提供了强有力的技术保障。

最后,站在数据管理的角度,将工程知识融入全生命周期数字化仿真之中将是CAE发展的第五大热点。产品全生命周期在各阶段都是可以进行仿真的。如果按照概念设计,详细设计、原型验证、生产制造到售后服务描绘产品生命周期的关键性阶段,那么从验证环节展开应用的CAE技术,向前到概念设计,向后到售后服务,都是有工程仿真需求的。而仿真数据的信息流将实现从端到端的管理。仅以SIEMENS公司的企业级PDM管理方案Teamcenter的全球超过400万注册用户为例,Teamcenter支持全部的CAE仿真数据管理,而这种基于全生命周期数字化仿真的知识管理从推广上是完全可行的。

从Bush先生的分析中,我们可以看出:从单一的CAE功能实现发展到全生命周期数字化仿真,CAE的发展是快速的。以SIEMENS PLM软件公司(前UGS公司)为例,CAE的发展就已历经了四代。现在最先进的NX6软件中,强大的CAE功能已经被无缝地嵌入在这个本身也堪称完美的CAD系统之中了。“至于目前无论是CAE业界,还是整个研发领域提出的精益研发的观念,SIEMENS PLM软件公司已经从完整的产品系列的务实角度为用户提供了相应的解决方案了。” SIEMENS PLM软件公司全生命周期数字化仿真产品亚太区市场经理徐明博士介绍说。而徐博士的在航空航天领域,以卫星设计为真实CAE仿真案例的讲座在本届CAE年会中同样受到相关领域专业工程人员的追捧。

从今年的CAE年会上看,无论是精益设计理论对企业在研发领域观念上的导向性,还是企业自身务实地展开CAE服务产品设计的良好工作成绩上看,CAE在华的发展正在迎来新的发展阶段。

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