搜索工業4.0時代的仿真技術應用
2017-05-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
一、工業4.0時代對企業研發的挑戰
首先請大家思考:工業4.0給我們帶來怎樣的挑戰?大家做研發時應關注哪些點?我認為工業4.0背后就是一個個性化的生產,個性化設計,柔性生產,下面這張圖是未來生產組織的曲線,縱軸是每個產品批量,橫軸是產品的多樣性。工業革命之前產品手工生產成本非常高,隨著流水線生產把成本大幅度降低,因此以后批量制造達到頂峰,成本降到非常低,以前供不應求,慢慢變成生產供大于求,個性化生產需求越來越多,企業和客戶對個性化需求越來越高,對研發提出更高要求,滿足不同階層或者不同種類客戶多樣化需要,給研發提供了非常大的挑戰。沒有大批量的支撐,企業必須要實現柔性的生產,這對智能制造提出了很高的要求。
圖4 工業4.0背后的制造業發展趨勢
現在我與大家分享NIKE的案例,網上預定耐克鞋,大家可以選擇鞋型,材料,交貨時間等,這背后考驗的是研發能力能否跟上,首先產品一定要滿足靈活性,有基本的配置,如鞋底結構,原材料的一致性,但顏色和其他方面都是可選的。定制產品研發的時候有大量的因素考慮,如我怎樣保證不同的配置對同樣的產品具有同樣的質量保證?這對我們的研發有著非常高的要求,包括數據管理。耐克希望未來在線下一個訂單,個性化設計很快可以完成,然后交給最快交付的工廠生產,耐克是很典型的未來工業4.0模式的例子,未來大多數產品都是這樣的消費模式。
圖5 NIKEiD案例
總結工業4.0時代研發部門必須要做的變化,包括:第一、預測產品定義需求;第二、制定產品開發流程和標準體系;第三、進行產品的效率和質量控制,比如供應鏈中供應商體系的參與,另外對用戶的輔導和支持也是研發部門其中的職責之一。工業4.0對所有的職能要求有了變化,其中之一是產品多樣化需求,需要用戶直接參與,另外產品流程、標準要更新,產品配置更加復雜,交貨周期比以前短。一個產品80%是在研發設計階段決定的,這個階段對于控制生命周期的成本是非常關鍵的,研發部門不能再閉門造車,要與用戶和市場直接溝通,需要運用創新思維進行分析和引導;另外需要用虛擬現實的技術,提升潛在用戶的體驗,去引導他們的需求。
圖6 案例:創新思維引導產品需求
怎樣創新思維?當沒有辦法預測用戶需求的時候,怎樣利用創新思維改變他們、引導他們的需求?上圖是很普通的水平儀,一個桿子中間一個氣泡,歷史上從來都是沒有任何變化,這是一家以色列的企業,20多年前面臨生死存亡,當其他國外大的品牌進入以色列市場時,小工廠幾乎沒有生存余地,但是他利用創新思維歷史上第一次發明了垂直水平儀,直接測量垂直方向,他用很小的改變贏得了市場,獲得了專利,現在是全球第三大市場,后來又發明了360度角全周像進行測量,包括電子化顯示。一個企業面臨生死存亡時是無法預測的,但可以利用創新思維來改變自己。
圖7 系統仿真引導需求定義
另外虛擬現實也可以引導產品的開發,最近一家公司利用虛擬現實技術,可以在沒有實際產品的時候,哪怕只有三維模型,就可以用虛擬的手段非常逼真地演示這個產品的內部結構,產品有任何裝備或者故障問題,或者其他需要改進的地方,通過人機交互進行體驗,實現設計的改進。
圖8 虛擬現實技術引導產品設計
二、仿真技術應用的現狀與趨勢
2008年時,我們討論的是仿真技術研究不夠,很多企業材料邊界條件根本沒有實踐數據積累,所以當時對仿真的有效性有更多質疑,此外CAE應用人才匱乏,市場上缺乏長期穩定且具備深入行業知識的CAE服務提供商,這是當時的現實情況,現在這些現狀都已經發生改變,但是與國外相比,我們仍然有所欠缺。
今年5月份,在上海超算組織了一次仿真應用的座談會,討論的第一個問題是如何破解“除了仿真工程師,所有人都不相信仿真的結果;而除了試驗工程師,所有人都相信試驗的結果”這一困境? 我們當時得出一個結論,仿真和實驗一定要互補,相輔相成,仿真為實驗提供方向和指導,實驗為仿真提供原始參數,包括材料、邊界條件的參數,同時又對仿真結構進行有效性的驗證,所以這兩者一定很有效的互補起來,才能真正最大化CAE的價值。
第二個問題是關于一些重要的仿真參數怎樣獲取?我認為包括實驗手段、包括數據分析、數據模擬的手段都是要利用的。數據擬合,仿真的效率和精度之間如何有效平衡?仿真結果怎樣進行判定或者涉及到仿真工程人員否決權的問題,航天器孫老師就在航天器當中贏得了否決權,但他沒有決定權,比如否決五個方案,另外四個都是合理的,要考慮成本及其他方面的因素,是仿真人員沒有辦法介入的,所以否決權怎樣可以獲取?
現在的趨勢仿真工程師,隨便拿一個技術處理分析,老工程師認為這有問題,有隱患,對企業來說應該建立針對自己的問題,建立自己的仿真建模規范,不要什么問題都盲目使用三維模型。還有基層仿真人員如何培養?雖然仿真軟件越來越好用,但是有些理論知識、工藝經驗和設計經驗仍然是仿真工程人員必須掌握,我們過去做培訓碰到這樣的例子,企業和仿真工程師一起搞了方案,沒有考慮任何成本問題,成本太高,直接被斃掉了,反過來也影響了自己的積極性。
最后一個問題是仿真資源如何配置?怎樣更好、最大化利用企業投入軟件和硬件?這這是我們當時探討的一些問題,反過來對未來仿真趨勢的判斷:第一,仿真一定是需求定義階段大量使用的。虛擬現實也可能被用于與客戶溝通,標準化,平民化。軟件應用未來一定會提升,如CAD和CAE應用軟件集成,未來CAD人員一定要用仿真,當然對仿真人員也提出了要求,要懂得設計空間,有些難點需要公關,如新材料,材料商本身在仿真技術上、應用上仍然有一定疑慮;新工藝,3D打印本身對材料是否有影響?是否對仿真流程進行調整?多學科,公差是影響成本和可靠性兩個很重要的因素,所以這時仿真人員一定要積極參與,協助其他部門攻克這些問題。
三、仿真團隊要做的改變
仿真團隊要做的改變,第一是效率提升,第二服務要延伸。效率提升,包括如持續積累材料和邊界條件的基礎數據;組織機構重組,發揮仿真的最大價值;更快的計算速度和軟硬件資源利用效率。現在很多企業正在這樣做,尤其應用比較成熟的企業,像汽車、航空航天企業,他們在嘗試向此方向努力,在型號任務上把團隊打通,不再嚴格分強度部門或者結構部門,或者將CAE部門獨立出來。現在關鍵的流程上還是有專業的團隊進行流程的維護和梳理,很多企業嘗試仿真服務外包,因為現在的供應商越來越多,可選擇的空間比較多,如更快的計算速度,硬件、軟件的升級,軟硬件資源利用效率進一步提升。服務延伸做的事更多,具體內容見下圖。
圖9 服務延伸
從工藝角度來說,工藝仿真或替代品驗證,以及供應商的質量管理,仿真部門未來會越來越多參與。工藝仿真現在有些工作仍然是工藝部門在做,但是隨著工藝和設計越來越緊密結合,未來工藝仿真不能只依靠工藝部門。從維護的角度來說,產品出故障了,故障能不能模擬出來?到底是什么原因?比如這次荊州電梯事故,如果企業有自己的仿真能力,是否很快能找出原因?為什么蓋板會松動?是設計上的問題還是工藝上的問題?如果有足夠強的仿真部門可以幫助他們及時發現問題,及時應對現在輿論的壓力,這家企業現在應該會好受些。
最后一點是仿真部門最關鍵的兩個目標,一個是參與設計創新,不能再像以前設計完了做驗證,要贏得內部的話語權,不斷提升內部的話語權。第二個目標是參與制定研發的標準贏得否決權,這是企業的仿真部門需要去爭取的。
本文根據制學網CEO,國內知名CAE仿真實戰專家葉洎沅先生在2015年中國制造業仿真技術應用研討會上演講內容整理而成。
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