第一节
仿真是正向设计的核心

系统工程是被世界先进企业广泛采用的复杂产品的研发方法与理论体系，而正向设计是系统工程理论的核心。应用系统工程理论对产品设计过程进行分解和展开，形成V字流程，如图1-1a所示。

理想的产品设计过程的起点是涉众需求，经过需求定义、功能分解、系统综合、物理设计、工艺/试制、部件验证、系统集成、系统验证和系统确认等阶段，最后完成产品的验收。V模型的右边部分既是产品交付，又是对左边相应部分的验证。如果验证出现问题，会回到左边的相应流程进行修正。这个过程称为“正向设计”，图1-1a则是正向设计模型。该模型有两个特点：①标准的对称模型；②设计入手点很高。

但通常来说，企业发展都会经历一个逆向工程过程。产品设计的起始点不是涉众需求，而是从V模型中间某个点开始，如图1-1b所示。“物理设计”是中国企业的常见起点，本阶段仿照已经存在的产品，绘制图纸，进入试制和验证各阶段，完成产品交付或推向市场。V模型的右边出现问题时，由于左边无法对应，所以只能回溯到前一阶段查询和解决问题。当回溯到物理设计阶段仍然解决不了问题时，则成为永远的问题。清醒的企业会有意识地研究物理设计之前的各个过程，以图追溯和还原仿制对象的本源，当然，这样只能还原部分本源。以上过程我们称为“逆向工程”，图1-1b则是逆向工程模型。相对正向设计，逆向工程模型也有两个特点：①不对称的残缺模型；②设计入手点比较低。

依据产品设计的起点可以评判一家企业的设计能力。从V模型的哪个阶段入手设计产品，基本可以断定该企业的设计能力就是这个起点所对应的能级。这样，我们可以把企业设计能级（成熟度）分为五级：仿制级、逆向级、系统级、正向级和自由级。

为了保证V模型左半边的四个设计过程结果正确，需要引入五个小V循环，分别是需求确认、功能确认、系统确认、物理确认和制造确认。由于在设计过程中，实物并没有被制造出来，所以在数字化仿真技术出现之前，这种确认只能用实物的替代品来实现，确认难度非常大，效果也很不理想。自从仿真技术出现后，可以通过计算、分析、模拟或仿真等手段对设计进行确认和优化，如图1-2所示。

这样最终确定的研发体系是由多个V嵌套的模型（确切地讲是六个V），姑且称为“多V模型”。整体来看，多V模型的最左侧是设计过程，最右侧是试验与验证过程，最底层是试制过程，中间则是一系列仿真过程。

如图1-3所示，在正向设计多V模型中，仿真的位置预示着它是正向设计的核心，事实上也的确如此。仿真是产品得以正向设计的保障，或者说，没有仿真，正向设计无从谈起，至少无法顺利进行。设计在任何一个阶段都应该在得到验证后才往下进行，否则后期返工带来的成本和周期难以承受。对设计的最终验证是物理试验，但在设计前期产品尚未成形，根本无法做物理试验，有时候可以用替代品做一定程度的验证，但往往无法达到目的。所以，在计算机中的虚拟验证就变得无比重要，仿真就是在计算机中做虚拟试验的过程。

所谓仿真，是利用虚拟模型替代真实世界的物理模型，在计算机中对真实世界进行模拟，从而以较低的成本和较短的时间，获得对真实世界更为完整和全面的理解。

仿真可以用于透视产品特性，看到产品的运行本质和规律，预测产品性能，譬如刚度、强度和疲劳寿命。采用仿真技术可以快速进行虚拟试验，大量减少实物试验次数。与实物试验相比，仿真能看到实物试验看不到的数据，提前发现缺陷，预测运行期间的故障以及引起故障的原因。同时仿真具有低成本和高效率的特点，所以可以做遍历仿真，发现新方案，验证各种创新思路的可行性。

仿真最基本的作用就是对设计各阶段的结果进行验证。设计过程具有需求定义、功能分解、系统综合、物理设计和工艺设计等过程，对每一个设计子过程都有相应的仿真验证手段，所以，仿真可以分为以下五大类：指标分析、功能分析、系统分析、物理仿真和制造仿真。

习惯上，人们把指标分析、功能分析和系统分析统称为系统仿真，把物理仿真与制造仿真统称为实物仿真，如图1-4所示。系统仿真的模拟对象是系统架构，属于抽象模型，而物理仿真和制造仿真的模拟对象是产品实体，属于实物模型。因此，系统仿真往往用来在概念阶段确认产品的总体架构（图1-5），实物仿真通常用来确认物理产品的初步设计、详细设计、工艺设计和制造过程（图1-6）。

到了物理设计阶段，产品的形态已经比较具体，仿真的类型开始丰富起来。根据分析目的的不同，将物理仿真分为单场仿真、多场仿真、多体仿真和虚拟现实，制造仿真分为工艺仿真、干涉检查、装配仿真、机构仿真和6σ分析等。根据物理场的不同，分为结构场仿真、流场仿真、电磁场仿真等。根据分析对象的不同，分为机械仿真、流体仿真、电气仿真、电子仿真、液压仿真等。根据计算方法、模型处理方法的不同，还有更多分类方法，此处不再赘述。