工业4.0时代的仿真技术应用

2017-05-25  by:CAE仿真在线  来源:互联网



一、工业4.0时代对企业研发的挑战

首先请大家思考:工业4.0给我们带来怎样的挑战?大家做研发时应关注哪些点?我认为工业4.0背后就是一个个性化的生产,个性化设计,柔性生产,下面这张图是未来生产组织的曲线,纵轴是每个产品批量,横轴是产品的多样性。工业革命之前产品手工生产成本非常高,随着流水线生产把成本大幅度降低,因此以后批量制造达到顶峰,成本降到非常低,以前供不应求,慢慢变成生产供大于求,个性化生产需求越来越多,企业和客户对个性化需求越来越高,对研发提出更高要求,满足不同阶层或者不同种类客户多样化需要,给研发提供了非常大的挑战。没有大批量的支撑,企业必须要实现柔性的生产,这对智能制造提出了很高的要求。


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图4 工业4.0背后的制造业发展趋势


现在我与大家分享NIKE的案例,网上预定耐克鞋,大家可以选择鞋型,材料,交货时间等,这背后考验的是研发能力能否跟上,首先产品一定要满足灵活性,有基本的配置,如鞋底结构,原材料的一致性,但颜色和其他方面都是可选的。定制产品研发的时候有大量的因素考虑,如我怎样保证不同的配置对同样的产品具有同样的质量保证?这对我们的研发有着非常高的要求,包括数据管理。耐克希望未来在线下一个订单,个性化设计很快可以完成,然后交给最快交付的工厂生产,耐克是很典型的未来工业4.0模式的例子,未来大多数产品都是这样的消费模式。


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图5 NIKEiD案例


总结工业4.0时代研发部门必须要做的变化,包括:第一、预测产品定义需求;第二、制定产品开发流程和标准体系;第三、进行产品的效率和质量控制,比如供应链中供应商体系的参与,另外对用户的辅导和支持也是研发部门其中的职责之一。工业4.0对所有的职能要求有了变化,其中之一是产品多样化需求,需要用户直接参与,另外产品流程、标准要更新,产品配置更加复杂,交货周期比以前短。一个产品80%是在研发设计阶段决定的,这个阶段对于控制生命周期的成本是非常关键的,研发部门不能再闭门造车,要与用户和市场直接沟通,需要运用创新思维进行分析和引导;另外需要用虚拟现实的技术,提升潜在用户的体验,去引导他们的需求。

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图6 案例:创新思维引导产品需求


怎样创新思维?当没有办法预测用户需求的时候,怎样利用创新思维改变他们、引导他们的需求?上图是很普通的水平仪,一个杆子中间一个气泡,历史上从来都是没有任何变化,这是一家以色列的企业,20多年前面临生死存亡,当其他国外大的品牌进入以色列市场时,小工厂几乎没有生存余地,但是他利用创新思维历史上第一次发明了垂直水平仪,直接测量垂直方向,他用很小的改变赢得了市场,获得了专利,现在是全球第三大市场,后来又发明了360度角全周像进行测量,包括电子化显示。一个企业面临生死存亡时是无法预测的,但可以利用创新思维来改变自己。


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图7 系统仿真引导需求定义


另外虚拟现实也可以引导产品的开发,最近一家公司利用虚拟现实技术,可以在没有实际产品的时候,哪怕只有三维模型,就可以用虚拟的手段非常逼真地演示这个产品的内部结构,产品有任何装备或者故障问题,或者其他需要改进的地方,通过人机交互进行体验,实现设计的改进。


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图8 虚拟现实技术引导产品设计


二、仿真技术应用的现状与趋势

2008年时,我们讨论的是仿真技术研究不够,很多企业材料边界条件根本没有实践数据积累,所以当时对仿真的有效性有更多质疑,此外CAE应用人才匮乏,市场上缺乏长期稳定且具备深入行业知识的CAE服务提供商,这是当时的现实情况,现在这些现状都已经发生改变,但是与国外相比,我们仍然有所欠缺。


今年5月份,在上海超算组织了一次仿真应用的座谈会,讨论的第一个问题是如何破解“除了仿真工程师,所有人都不相信仿真的结果;而除了试验工程师,所有人都相信试验的结果”这一困境? 我们当时得出一个结论,仿真和实验一定要互补,相辅相成,仿真为实验提供方向和指导,实验为仿真提供原始参数,包括材料、边界条件的参数,同时又对仿真结构进行有效性的验证,所以这两者一定很有效的互补起来,才能真正最大化CAE的价值。


第二个问题是关于一些重要的仿真参数怎样获取?我认为包括实验手段、包括数据分析、数据模拟的手段都是要利用的。数据拟合,仿真的效率和精度之间如何有效平衡?仿真结果怎样进行判定或者涉及到仿真工程人员否决权的问题,航天器孙老师就在航天器当中赢得了否决权,但他没有决定权,比如否决五个方案,另外四个都是合理的,要考虑成本及其他方面的因素,是仿真人员没有办法介入的,所以否决权怎样可以获取?


现在的趋势仿真工程师,随便拿一个技术处理分析,老工程师认为这有问题,有隐患,对企业来说应该建立针对自己的问题,建立自己的仿真建模规范,不要什么问题都盲目使用三维模型。还有基层仿真人员如何培养?虽然仿真软件越来越好用,但是有些理论知识、工艺经验和设计经验仍然是仿真工程人员必须掌握,我们过去做培训碰到这样的例子,企业和仿真工程师一起搞了方案,没有考虑任何成本问题,成本太高,直接被毙掉了,反过来也影响了自己的积极性。


最后一个问题是仿真资源如何配置?怎样更好、最大化利用企业投入软件和硬件?这这是我们当时探讨的一些问题,反过来对未来仿真趋势的判断:第一,仿真一定是需求定义阶段大量使用的。虚拟现实也可能被用于与客户沟通,标准化,平民化。软件应用未来一定会提升,如CAD和CAE应用软件集成,未来CAD人员一定要用仿真,当然对仿真人员也提出了要求,要懂得设计空间,有些难点需要公关,如新材料,材料商本身在仿真技术上、应用上仍然有一定疑虑;新工艺,3D打印本身对材料是否有影响?是否对仿真流程进行调整?多学科,公差是影响成本和可靠性两个很重要的因素,所以这时仿真人员一定要积极参与,协助其他部门攻克这些问题。


三、仿真团队要做的改变

仿真团队要做的改变,第一是效率提升,第二服务要延伸。效率提升,包括如持续积累材料和边界条件的基础数据;组织机构重组,发挥仿真的最大价值;更快的计算速度和软硬件资源利用效率。现在很多企业正在这样做,尤其应用比较成熟的企业,像汽车、航空航天企业,他们在尝试向此方向努力,在型号任务上把团队打通,不再严格分强度部门或者结构部门,或者将CAE部门独立出来。现在关键的流程上还是有专业的团队进行流程的维护和梳理,很多企业尝试仿真服务外包,因为现在的供应商越来越多,可选择的空间比较多,如更快的计算速度,硬件、软件的升级,软硬件资源利用效率进一步提升。服务延伸做的事更多,具体内容见下图。


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图9 服务延伸


从工艺角度来说,工艺仿真或替代品验证,以及供应商的质量管理,仿真部门未来会越来越多参与。工艺仿真现在有些工作仍然是工艺部门在做,但是随着工艺和设计越来越紧密结合,未来工艺仿真不能只依靠工艺部门。从维护的角度来说,产品出故障了,故障能不能模拟出来?到底是什么原因?比如这次荆州电梯事故,如果企业有自己的仿真能力,是否很快能找出原因?为什么盖板会松动?是设计上的问题还是工艺上的问题?如果有足够强的仿真部门可以帮助他们及时发现问题,及时应对现在舆论的压力,这家企业现在应该会好受些。


最后一点是仿真部门最关键的两个目标,一个是参与设计创新,不能再像以前设计完了做验证,要赢得内部的话语权,不断提升内部的话语权。第二个目标是参与制定研发的标准赢得否决权,这是企业的仿真部门需要去争取的。


本文根据制学网CEO,国内知名CAE仿真实战专家叶洎沅先生在2015年中国制造业仿真技术应用研讨会上演讲内容整理而成。


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