仿真分析技术提升产品研发水平.doc

仿真分析技术提升产品研发水平CAE技术在整个产品生命周期的作用及投入产出（ROI）分析一、CAE技术的变革与发展 当前，我国的制造企业大都采用了各种CAD/CAM软件进行产品设计和制造，基本上实现了“甩图板”，还有不少企业采用了三维CAD/CAM软件完成更高 级的设计与制造工作，使产品的开发能力获得明显的增强。与之相比，CAE即计算机辅助仿真分析的作用似乎还没有被充分认识，在大多数企业，CAE的有限元 分析计算只是配角，似乎可有可无。不少企业领导和产品开发人员也认为自己的产品大都是在原有产品基础上的改型，其尺寸、应力等没必要再做复杂的计算，只要 足够的保险系数就可以了。 应该说这是很明显的误解。事实上CAE仿真很早就在产品的设计开发方面发挥着不可替代的作用，并为企业提供了丰厚的效益。早在上世纪60年代初，美国 NASA的宇航计划，就要求利用计算机进行仿真分析，以减少物理样机试验的次数，以提高运载火箭和卫星的可靠性、降低开发费用。到1991年，在美国“国 家关键技术委员会”向美国国会和总统递交的报告中，“计算机仿真与建模”更被列为22项优先发展的关键技术之一；1992年，美国国防部国防研究与工程署 提出了11项核心技术领域，“设计自动化”也是其中之一。 计算机辅助设计（CAD）是设计自动化和仿真分析的基础，设计师可以利用强大的图形绘制和三维造型功能，生成数 字化的图形数据，其图面的清晰、准确、易于修改确实使产品开发水平提高了一大步。但关键的产品质量和性能问题，在CAD中却无法涉及，很多新产品及改型产 品还只能通过多次的样机试验、设计修改来完成定型过程，要耗费大量的费用和时间。 CAE仿真分析正是解决这个问题的利器。一般情况下，CAE仿真主要完成工作包括：发现设计缺陷、减少重量、 增加强度、优化零部件尺寸、优化性能、 选择恰当材料、检查安全要素。CAE 仿真分析，是利用成熟的数学、力学算法，将一个连续的物理对象划分成多个离散而相互关联的对象，即有限元方法，根据给定的工况、边界条件，计算其各点的 力、热、振动、声学等特性，最终得出分析结果。一般包括：静力学、应力/位移、模态、振动/固有频率、其他（热传递、非线性材料、屈曲、噪声、优化、动态 响应）等部分。 最早研制的用于实际产品设计的商业软件恐怕是始于上世纪60年代美国NASA为完成登月计划而由MSC公司专门开发的分析程序了，它也就是后来闻名于世的 NASTRAN分析软件。经过近40年的发展，MSC.Software公司到今天已经拥有了涵盖广泛的分析软件，如MSC.Marc及 MSC.Dytran及MSC.Fatigue等。这些分析软件，绝大多数是以有限元法作为分析的理论基础的，虽然后来也曾出现过一些特殊的、例如以边界 元素法、等参元法和其他特殊理论为基础的分析软件，但时至今天，分析软件的种类已经日趋集中，而分析的功能则更加强大，不仅能够分析一般的静应力和动应力，而且可以分析温度场和温度应力、冲击应力等等。有些分析软件的功能已经扩大到电学和声学等领域。二、CAE仿真分析技术在产品生命周期中的作用 CAE仿真分析在整个产品生命周期都可以发挥重要作用，为企业创造巨大的效益。每一种产品从概念设计直到报废，都有一个生命周期，如下图所示： 仿真分析在这个周期的各个阶段都可以创造效益，重点是在设计早期，在机床、工装、原材料准备等重大的投入之前，保证设计的正确性，避免浪费和失误，而且为制造、销售、后期支持服务等阶段提供良好的保证。1.概念设计阶段的仿真分析概念设计阶段，需要根据市场需求、产品功能、及商业考虑等进行产品规划、方案设计，CAE仿真分析可以为设计人员用来完成基础设计的验证、不同方案的比较， 满足功能、性能方面的要求，并为企业领导层进行产品决策提供参考，回答是否能够在预定时间、预定成本等约束条件下开发出满足要求的产品的问题。2.详细设计阶段的仿真分析在这个阶段，所有的设计将全部展开，从系统设计、装配部件、子装配、零件设计、直到图纸、材料、制造工艺等。CAE仿真分析在这个阶段的作用，就是验证各种零部件是否满足预期的性能、制造上是否可行，而且从系统到单个零件都可以进行仿真。这些工作主要由设计工程师和制造工艺师参与完成。3.试验阶段的仿真分析试验阶段是设计完成后的关键阶段。大多数企业都是先制造物理样机，投入试验，如果某些地方试验失败，则重新设计、重新制造、重新试验，如此反复，直到定型通过。显然，这样反复多次的“设计、试验、修改”过程，既耗费时间，又极为昂贵。如果采用计算机仿真分析，样机的数量和重新制造、重新试验的次数必然会减少。在数字样机的仿真试验中发现问题、修改设计，与物理样机相比，显然其成本降低很多。据统计，数字样机的开发方式能够减少一半以上的物理样机制造和试验，从而争取到更多的时间，节约大量的费用。更进一步，CAE仿真分析可以使物理试验更快获得通过。事实上，仿真分析可以“透视”整个样机的试验，显示出所有检测点的数据，测试工程师利用仿真软件，在 实际试验之前就掌握最佳测试方法和最可能的载荷/激励位置，从而显著地减少试验时间，尽可能避免在试验现场进行“猜测”。4.制造阶段的仿真分析这个阶段是产品实际制造的阶段。仿真分析技术可以优化制造的工艺流程、减少废料、简化工艺步骤。通过找出、并消除那些可能导致产品缺陷的设计要素，仿真分析技术在提高产品“可生产性”的同时也可以大大减少售后服务成本。而一些新的制造工艺流程还可以通过仿真分析来确定其中的某些重要参数，如温度、压力和速度等。5.市场/销售阶段的仿真分析当产品上市销售时，仿真分析可以在推广阶段向客户展示其产品在客户使用环境下的表现，同时仿真分析的结果也可以用到广告中辅佐厂家对产品的介绍。由于仿真分析带来了更好的设计、当然也带来了更好的产品，所以销售也必将增加。6.支持服务阶段的仿真分析售出的产品都需要技术支持、保养维护、检查、修理。仿真分析技术可以指导现场的维修及备件更换，确保问题的解决，使产品保持原设计的功能。7.报废阶段的仿真分析产品的使用寿命到期之后，就必须报废或回收。仿真分析在这个阶段的作用是，选择合适的工艺、材料、以及便宜、可行的回收方式。多数情况下，厂家都会制造大量备用的“接触件”，仿真分析也可以保证这些备用件被合理回收利用。三、仿真分析的投资回报采购CAE仿真分析软件、计算机以及服务，看上去是一笔不小的花费，但可以肯定，那是一笔能够获得丰厚回报的投资。正确的投资决策，自然会带来远高于投入金额的经济效益。在评估这样的采购是否能够真正获得效益时，企业一般应考虑：投资（初期投入及后期投入）、效益（财务利润）、对利润增长的贡献、内部收益率、投资回收期等因素。通过一个例子，可以看到减少物理样机的制造和试验，为企业带来的效益。美国某汽车配件公司一直采用传统的“设计、试验、修改”方式。将CAE仿真分析技术应用到某些样机试验场合后，他们减少了50%的物理样机以及试验费用，而且还更快地完成了这些部件的设计、验证工作。其投资回报见下表（美元）。上表中，第一年为初期投资12个月后，第二年为第一年底12个月后，第三年为第二年底12个月后。在这个例子中，投资和回报情况是：(1)仿真分析技术的投资，初期为85，000美元，包括了仿真软件、新的计算机和培训。追加的每年20，000美元投资是软件和计算机的升级维护费用。在三年中，此客户共投入145，000美元。(2)财务回报的来源，是减少样机制造和试验后节约的资金，总计100，000美元。(3) 利润贡献是投资与回报的差。初期，仅有投资没有回报，其利润贡献为负的85，000美元，表中以加括号的数字表示；随后的第一年，即初期投资的12个月之 后，利润成为正数，投入20，000而效益为100，000美元，产生80，000美元的利润；第3年也同样产生80，000美元利润。(4)内部收益率就相当于现金流的投资回报率。现金流在这里是可以产生利润的。例子中的现金流：($85，000)，$80，000，$80，000， 和$80，000，经过计算可以获得这个投资项目的内部收益率（IRR）为77%。我们经常用内部收益率和最低预期资本回收率作比较来评估投资项目的可行性。最低预期资本回收率是投资方可以接受的最低投资回报率。在确定这个比率时，需要考虑到其他可投资机会及可能遇到的风险。比如这个例子：如果公 司将最初投资的$85，000存入银行，就有可能获得10%的利息。不考虑其他投资机会，那么这个项目的最低投资回报率就是10%。最低预期资本回收率也叫做最小可接受投资回报率(Minimum Acceptable Rate of Return)，简称MARR。对许多公司来说，MARR都定在30%左右。如果一个投资项目的MARR小于30%，那么投资方很可能就不会做出投资决定了。对上面的例子来说，它的内部收益率（IRR）为77%远远超过了MARR所假定的30%。我们说，从内部受益率的角度来说这个投资项目就是可行的。(5)回收期是投资全部收回的时间。上面的例子的回收期是13个月。这个结果是建立在每年利润相同的假设之上的。实际上，CAE仿真分析技术的投资，还可以从缩短上市周期、提高设计效率、降低维修和保修费用、调整产品销售价格（如电子产品）等各方面获得回报。四、关于MSC公司 作为CAE领域重量级的工程校验、有限元分析和计算机仿真预测应用软件供应商，MSC.Software公司的CAE仿真软件已经被广泛应用于各个行业的工程仿真分析，包括国防、航