搜索工業(yè)4.0時(shí)代的仿真技術(shù)應(yīng)用
2017-05-25 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
一、工業(yè)4.0時(shí)代對(duì)企業(yè)研發(fā)的挑戰(zhàn)
首先請(qǐng)大家思考:工業(yè)4.0給我們帶來(lái)怎樣的挑戰(zhàn)?大家做研發(fā)時(shí)應(yīng)關(guān)注哪些點(diǎn)?我認(rèn)為工業(yè)4.0背后就是一個(gè)個(gè)性化的生產(chǎn),個(gè)性化設(shè)計(jì),柔性生產(chǎn),下面這張圖是未來(lái)生產(chǎn)組織的曲線,縱軸是每個(gè)產(chǎn)品批量,橫軸是產(chǎn)品的多樣性。工業(yè)革命之前產(chǎn)品手工生產(chǎn)成本非常高,隨著流水線生產(chǎn)把成本大幅度降低,因此以后批量制造達(dá)到頂峰,成本降到非常低,以前供不應(yīng)求,慢慢變成生產(chǎn)供大于求,個(gè)性化生產(chǎn)需求越來(lái)越多,企業(yè)和客戶對(duì)個(gè)性化需求越來(lái)越高,對(duì)研發(fā)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(fā)提供了非常大的挑戰(zhàn)。沒(méi)有大批量的支撐,企業(yè)必須要實(shí)現(xiàn)柔性的生產(chǎn),這對(duì)智能制造提出了很高的要求。
圖4 工業(yè)4.0背后的制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)
現(xiàn)在我與大家分享NIKE的案例,網(wǎng)上預(yù)定耐克鞋,大家可以選擇鞋型,材料,交貨時(shí)間等,這背后考驗(yàn)的是研發(fā)能力能否跟上,首先產(chǎn)品一定要滿足靈活性,有基本的配置,如鞋底結(jié)構(gòu),原材料的一致性,但顏色和其他方面都是可選的。定制產(chǎn)品研發(fā)的時(shí)候有大量的因素考慮,如我怎樣保證不同的配置對(duì)同樣的產(chǎn)品具有同樣的質(zhì)量保證?這對(duì)我們的研發(fā)有著非常高的要求,包括數(shù)據(jù)管理。耐克希望未來(lái)在線下一個(gè)訂單,個(gè)性化設(shè)計(jì)很快可以完成,然后交給最快交付的工廠生產(chǎn),耐克是很典型的未來(lái)工業(yè)4.0模式的例子,未來(lái)大多數(shù)產(chǎn)品都是這樣的消費(fèi)模式。
圖5 NIKEiD案例
總結(jié)工業(yè)4.0時(shí)代研發(fā)部門必須要做的變化,包括:第一、預(yù)測(cè)產(chǎn)品定義需求;第二、制定產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程和標(biāo)準(zhǔn)體系;第三、進(jìn)行產(chǎn)品的效率和質(zhì)量控制,比如供應(yīng)鏈中供應(yīng)商體系的參與,另外對(duì)用戶的輔導(dǎo)和支持也是研發(fā)部門其中的職責(zé)之一。工業(yè)4.0對(duì)所有的職能要求有了變化,其中之一是產(chǎn)品多樣化需求,需要用戶直接參與,另外產(chǎn)品流程、標(biāo)準(zhǔn)要更新,產(chǎn)品配置更加復(fù)雜,交貨周期比以前短。一個(gè)產(chǎn)品80%是在研發(fā)設(shè)計(jì)階段決定的,這個(gè)階段對(duì)于控制生命周期的成本是非常關(guān)鍵的,研發(fā)部門不能再閉門造車,要與用戶和市場(chǎng)直接溝通,需要運(yùn)用創(chuàng)新思維進(jìn)行分析和引導(dǎo);另外需要用虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù),提升潛在用戶的體驗(yàn),去引導(dǎo)他們的需求。
圖6 案例:創(chuàng)新思維引導(dǎo)產(chǎn)品需求
怎樣創(chuàng)新思維?當(dāng)沒(méi)有辦法預(yù)測(cè)用戶需求的時(shí)候,怎樣利用創(chuàng)新思維改變他們、引導(dǎo)他們的需求?上圖是很普通的水平儀,一個(gè)桿子中間一個(gè)氣泡,歷史上從來(lái)都是沒(méi)有任何變化,這是一家以色列的企業(yè),20多年前面臨生死存亡,當(dāng)其他國(guó)外大的品牌進(jìn)入以色列市場(chǎng)時(shí),小工廠幾乎沒(méi)有生存余地,但是他利用創(chuàng)新思維歷史上第一次發(fā)明了垂直水平儀,直接測(cè)量垂直方向,他用很小的改變贏得了市場(chǎng),獲得了專利,現(xiàn)在是全球第三大市場(chǎng),后來(lái)又發(fā)明了360度角全周像進(jìn)行測(cè)量,包括電子化顯示。一個(gè)企業(yè)面臨生死存亡時(shí)是無(wú)法預(yù)測(cè)的,但可以利用創(chuàng)新思維來(lái)改變自己。
圖7 系統(tǒng)仿真引導(dǎo)需求定義
另外虛擬現(xiàn)實(shí)也可以引導(dǎo)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),最近一家公司利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),可以在沒(méi)有實(shí)際產(chǎn)品的時(shí)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(gè)產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu),產(chǎn)品有任何裝備或者故障問(wèn)題,或者其他需要改進(jìn)的地方,通過(guò)人機(jī)交互進(jìn)行體驗(yàn),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)。
圖8 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)
二、仿真技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀與趨勢(shì)
2008年時(shí),我們討論的是仿真技術(shù)研究不夠,很多企業(yè)材料邊界條件根本沒(méi)有實(shí)踐數(shù)據(jù)積累,所以當(dāng)時(shí)對(duì)仿真的有效性有更多質(zhì)疑,此外CAE應(yīng)用人才匱乏,市場(chǎng)上缺乏長(zhǎng)期穩(wěn)定且具備深入行業(yè)知識(shí)的CAE服務(wù)提供商,這是當(dāng)時(shí)的現(xiàn)實(shí)情況,現(xiàn)在這些現(xiàn)狀都已經(jīng)發(fā)生改變,但是與國(guó)外相比,我們?nèi)匀挥兴啡薄?
今年5月份,在上海超算組織了一次仿真應(yīng)用的座談會(huì),討論的第一個(gè)問(wèn)題是如何破解“除了仿真工程師,所有人都不相信仿真的結(jié)果;而除了試驗(yàn)工程師,所有人都相信試驗(yàn)的結(jié)果”這一困境? 我們當(dāng)時(shí)得出一個(gè)結(jié)論,仿真和實(shí)驗(yàn)一定要互補(bǔ),相輔相成,仿真為實(shí)驗(yàn)提供方向和指導(dǎo),實(shí)驗(yàn)為仿真提供原始參數(shù),包括材料、邊界條件的參數(shù),同時(shí)又對(duì)仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效性的驗(yàn)證,所以這兩者一定很有效的互補(bǔ)起來(lái),才能真正最大化CAE的價(jià)值。
第二個(gè)問(wèn)題是關(guān)于一些重要的仿真參數(shù)怎樣獲取?我認(rèn)為包括實(shí)驗(yàn)手段、包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)模擬的手段都是要利用的。數(shù)據(jù)擬合,仿真的效率和精度之間如何有效平衡?仿真結(jié)果怎樣進(jìn)行判定或者涉及到仿真工程人員否決權(quán)的問(wèn)題,航天器孫老師就在航天器當(dāng)中贏得了否決權(quán),但他沒(méi)有決定權(quán),比如否決五個(gè)方案,另外四個(gè)都是合理的,要考慮成本及其他方面的因素,是仿真人員沒(méi)有辦法介入的,所以否決權(quán)怎樣可以獲取?
現(xiàn)在的趨勢(shì)仿真工程師,隨便拿一個(gè)技術(shù)處理分析,老工程師認(rèn)為這有問(wèn)題,有隱患,對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)應(yīng)該建立針對(duì)自己的問(wèn)題,建立自己的仿真建模規(guī)范,不要什么問(wèn)題都盲目使用三維模型。還有基層仿真人員如何培養(yǎng)?雖然仿真軟件越來(lái)越好用,但是有些理論知識(shí)、工藝經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)仍然是仿真工程人員必須掌握,我們過(guò)去做培訓(xùn)碰到這樣的例子,企業(yè)和仿真工程師一起搞了方案,沒(méi)有考慮任何成本問(wèn)題,成本太高,直接被斃掉了,反過(guò)來(lái)也影響了自己的積極性。
最后一個(gè)問(wèn)題是仿真資源如何配置?怎樣更好、最大化利用企業(yè)投入軟件和硬件?這這是我們當(dāng)時(shí)探討的一些問(wèn)題,反過(guò)來(lái)對(duì)未來(lái)仿真趨勢(shì)的判斷:第一,仿真一定是需求定義階段大量使用的。虛擬現(xiàn)實(shí)也可能被用于與客戶溝通,標(biāo)準(zhǔn)化,平民化。軟件應(yīng)用未來(lái)一定會(huì)提升,如CAD和CAE應(yīng)用軟件集成,未來(lái)CAD人員一定要用仿真,當(dāng)然對(duì)仿真人員也提出了要求,要懂得設(shè)計(jì)空間,有些難點(diǎn)需要公關(guān),如新材料,材料商本身在仿真技術(shù)上、應(yīng)用上仍然有一定疑慮;新工藝,3D打印本身對(duì)材料是否有影響?是否對(duì)仿真流程進(jìn)行調(diào)整?多學(xué)科,公差是影響成本和可靠性兩個(gè)很重要的因素,所以這時(shí)仿真人員一定要積極參與,協(xié)助其他部門攻克這些問(wèn)題。
三、仿真團(tuán)隊(duì)要做的改變
仿真團(tuán)隊(duì)要做的改變,第一是效率提升,第二服務(wù)要延伸。效率提升,包括如持續(xù)積累材料和邊界條件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);組織機(jī)構(gòu)重組,發(fā)揮仿真的最大價(jià)值;更快的計(jì)算速度和軟硬件資源利用效率?，F(xiàn)在很多企業(yè)正在這樣做,尤其應(yīng)用比較成熟的企業(yè),像汽車、航空航天企業(yè),他們?cè)趪L試向此方向努力,在型號(hào)任務(wù)上把團(tuán)隊(duì)打通,不再嚴(yán)格分強(qiáng)度部門或者結(jié)構(gòu)部門,或者將CAE部門獨(dú)立出來(lái)。現(xiàn)在關(guān)鍵的流程上還是有專業(yè)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行流程的維護(hù)和梳理,很多企業(yè)嘗試仿真服務(wù)外包,因?yàn)楝F(xiàn)在的供應(yīng)商越來(lái)越多,可選擇的空間比較多,如更快的計(jì)算速度,硬件、軟件的升級(jí),軟硬件資源利用效率進(jìn)一步提升。服務(wù)延伸做的事更多,具體內(nèi)容見(jiàn)下圖。
圖9 服務(wù)延伸
從工藝角度來(lái)說(shuō),工藝仿真或替代品驗(yàn)證,以及供應(yīng)商的質(zhì)量管理,仿真部門未來(lái)會(huì)越來(lái)越多參與。工藝仿真現(xiàn)在有些工作仍然是工藝部門在做,但是隨著工藝和設(shè)計(jì)越來(lái)越緊密結(jié)合,未來(lái)工藝仿真不能只依靠工藝部門。從維護(hù)的角度來(lái)說(shuō),產(chǎn)品出故障了,故障能不能模擬出來(lái)?到底是什么原因?比如這次荊州電梯事故,如果企業(yè)有自己的仿真能力,是否很快能找出原因?為什么蓋板會(huì)松動(dòng)?是設(shè)計(jì)上的問(wèn)題還是工藝上的問(wèn)題?如果有足夠強(qiáng)的仿真部門可以幫助他們及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,及時(shí)應(yīng)對(duì)現(xiàn)在輿論的壓力,這家企業(yè)現(xiàn)在應(yīng)該會(huì)好受些。
最后一點(diǎn)是仿真部門最關(guān)鍵的兩個(gè)目標(biāo),一個(gè)是參與設(shè)計(jì)創(chuàng)新,不能再像以前設(shè)計(jì)完了做驗(yàn)證,要贏得內(nèi)部的話語(yǔ)權(quán),不斷提升內(nèi)部的話語(yǔ)權(quán)。第二個(gè)目標(biāo)是參與制定研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)贏得否決權(quán),這是企業(yè)的仿真部門需要去爭(zhēng)取的。
本文根據(jù)制學(xué)網(wǎng)CEO,國(guó)內(nèi)知名CAE仿真實(shí)戰(zhàn)專家葉洎沅先生在2015年中國(guó)制造業(yè)仿真技術(shù)應(yīng)用研討會(huì)上演講內(nèi)容整理而成。
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