第二节
仿真技术的常规化应用

仿真是利用数字化手段对真实物理世界的模拟，在计算机中透视真实世界的各种现象，而这种透视在物理世界往往成本高、难度大甚至做不到。

越来越多的企业已经充分理解仿真对创新设计能力提升的重要性。在汽车、航空、航天、船舶等工业领域的大量工程运用实践，验证了其适用性和准确性。仿真技术成为企业产品转型、研发创新和技术突破的最基本手段。

从20世纪60年代开始到未来几十年的时间里，仿真分析逐步成为产品研发的必经过程。仿真分析的数量和产生的仿真数据也随之大量增加。伴随着计算机性能的不断提升，仿真分析成本大幅降低，而物理试验成本却在不断增加，因此，大量物理验证正在通过仿真来完成。以汽车工业为例，在过去的20年时间里，通过采用碰撞仿真技术，对于汽车平台车型的开发，碰撞试验的次数由240多次下降到了80多次，大大缩短了汽车开发的周期。与此同时，世界各大汽车公司每天都有几十次甚至近百次的碰撞仿真计算，从事碰撞仿真的仿真工程师数量也在急剧增加，每家公司从事碰撞仿真工作的工程师达上百人。

仿真技术产生之初主要是为产品设计服务，用于对产品特性进行预测或确认。随着技术和应用的发展，仿真技术逐步拓展到制造模拟和试验模拟。当前，仿真应用集中在三个方面，即产品仿真、工艺（制造）仿真和试验仿真（或称虚拟试验），分别应用于产品生命周期的三个主要阶段：产品设计、产品制造和试验验证，如图1-7所示。

本节对仿真技术在产品（设计）、工艺和试验领域的常规化应用做简单介绍。我们在每个领域保留一项深层应用—产品再设计、增材仿真及虚拟试验，这些应用都是工业4.0时代仿真的新应用方向，在后续三节将对这些新应用进行深入介绍。

1.产品仿真

产品仿真是产品研发设计过程中的主要仿真类型，它使产品研发模式从过去的试验驱动模式转变为仿真驱动模式。图1-8的下半部分展示了曾经的试验驱动模式。这种模式的特点是串行，仿真是在试验之后进行分析确认。在这种模式下，仿真的作用很小，处于辅助地位。串行模式在产品周期和成本方面都具有较大风险。

图1-8上半部分展示了仿真驱动的研发模式。在概念设计之后，建立虚拟样机，利用仿真手段进行大量的循环迭代，对各种可能的工况和参数进行模拟试验，获得确认后再进行详细设计、物理样机试验和产品投产。在这种模式下，仿真是研发最重要的工具，对研发成本的节约和周期的缩短作用巨大。

通常，产品设计可分为以下三类，每类对仿真的需求不同，作用也不同：

·在现有产品基础上的改进设计。这种设计模式对仿真的需求较小，有时甚至不需要仿真。

·在现有产品基础上的系列化设计。这种设计模式对仿真有一定的需求，不同参数的选取对产品性能的影响需要做研究。

·全新产品设计（开发新产品）。这种设计模式对仿真的需求是最大的。

在产品研发的各个阶段，仿真的价值各不相同。认识到研发早期、中期、后期等各阶段的不同作用，才能正确发挥仿真的价值，也才能获得仿真的最大效益，譬如：

1）在产品研发早期，仿真可以探索新设计，发现新方案，在几个可选项中正确挑选设计方案，预测产品性能。

2）在产品研发中期，仿真可以确认参数的正确性，修正不合理的设计细节，优化设计参数。

3）在产品研发后期，仿真可以帮助产品定型，在加工过程中返回设计问题时选择最优方案，当产品在市场中出现质量问题时选择最需要召回的批次等。

仿真技术和软件的终极目的是对产品进行优化甚至创新。工业技术的任何一次革命性的进步都可能让传统产品焕发新生。仿真技术总是在这种革命性时刻发挥巨大作用，产品再设计就是这样一个实例。对此，我们将在第三节展开介绍。

2.工艺仿真

目前，仿真已经在工艺设计中广为应用。图1-9反映了工艺设计引入仿真前后的差别。在引入仿真技术之前，工艺设计的特点是利用大量实物试验确认工艺的可行性。而在引入仿真技术之后，工艺方案通过仿真手段进行确认和优化，形成最优方案后进行实物试验确认。通常仿真确认和优化后，只需要经过很少的实物试验即可形成最终方案，在成本和周期方面具有巨大效益。

常见的工艺仿真包括铸造、体成形、板成形和热处理等的仿真，如图1-10所示。

在工业4.0时代，增材制造是一项革命性新工艺，这种工艺的仿真是仿真技术的一项新挑战，我们将在第四节展开介绍。

3.试验仿真

即使产品仿真和工艺仿真可以在计算机中对产品和工艺进行虚拟运行，确认了产品和工艺的可行性与合理性，在实践中仍然需要进行实物试验。将实物试验作为一种最终确认，通常也是国家和行业的规范要求。此处的虚拟试验特指用仿真方法对试验过程进行模拟，以提高试验策划、方案设计及试验执行的效率，它对试验结果的解读也大有裨益。这种以数字化技术改进实物试验的方法，将过去纯粹的实物试验方法升级为虚实结合的验证方法（图1-11），是试验和测试技术发展的必然趋势。

图1-12展示了几例常见的虚拟试验：数字风动试验（图1-12a）、汽车虚拟试验场（图1-12b）、电子产品跌落试验（图1-12c）。

虚拟试验不仅仅是仿真技术和工具的应用，还需要建立完整的体系和平台，这将在第五节中展开介绍。 1YCth/pR0PwxUZJ8ohibBx5/s+DX++ZnYuytHKIz4pTvVUDI3iY5K9DNLup1XC8V