第三只眼睛看仿真
仿真作為工業(yè)產品研發(fā)制造中必不可少的技術，已經被世界上眾多企業(yè)廣泛應用到工業(yè)各個領域中，是推動工業(yè)技術快速發(fā)展的核心技術知識，在產品優(yōu)化和創(chuàng)新活動中扮演不可或缺的角色。
?經過多年的發(fā)展，仿真技術和軟件越來越豐富，各種類型的仿真層出不窮。對我這種具有分類強迫癥的技術潔癖來說，分明是一種“挑釁”。其實，如果要真正理解現(xiàn)代工業(yè)仿真，還真需要把看似紛雜的仿真軟件做了理清。
傳統(tǒng)上，我們看到有多種分類仿真的方案，有人從技術類型上來分，有人從應用對象來分。但我主張用第三只眼睛——正向設計的視角看仿真，我認為從正向設計模型出發(fā)來解讀才能真正觸及到仿真的本質及價值。下文將以不同以往的視角綜述現(xiàn)代工業(yè)仿真，從正向設計模型出發(fā)來審視仿真的所在及價值，把看似紛雜的仿真軟件做了理清，了解了仿真該有的所有類型，并解釋了為什么會有這么多仿真類型。
仿真是正向設計的核心
系統(tǒng)工程是被世界先進企業(yè)廣泛采用的復雜產品的研發(fā)方法與理論體系，而正向設計是系統(tǒng)工程理論的核心。應用系統(tǒng)工程理論對產品設計過程進行分解和展開，形成V字流程，如下圖（左）所示。
理想的產品設計過程的起點是涉眾需求，經過需求定義、功能分解、系統(tǒng)綜合、物理設計、工藝設計、產品試制、部件驗證、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)驗證和系統(tǒng)確認等階段，最后完成產品的驗收。V模型的右邊部分既是產品交付，又是對左邊相應部分的驗證。如果驗證出現(xiàn)問題，會回到左邊相應流程進行修正。這個過程稱為“正向設計”，而上圖（左）則是正向設計模型。該模型有兩個特點：1）是個標準的對稱模型；2）設計的入手點很高。
但通常來說，企業(yè)發(fā)展歷程都會經歷一個逆向工程過程。產品設計起始點不是涉眾需求，而是從V模型中間某個點開始，如上圖（右）所示。“物理設計”是中國企業(yè)的常見起點，本階段仿照已經存在的產品，完成圖紙繪制，進入試制和驗證各階段，完成產品交付或推向市場。V模型的右邊出現(xiàn)問題時，由于沒有左邊可對應，所以只能回溯到前一階段查詢和解決問題。當回溯到物理設計階段仍然解決不了問題時，那就成為永遠的問題。清醒的企業(yè)會有意識地研究物理設計之前的各個過程，以圖追溯和還原仿制對象的本源，當然，這樣只能還原部分本源。以上的過程我們稱為“逆向工程”，圖（右）則是逆向工程模型。相對正向設計，逆向工程模型也有兩個特點：
1）不對稱的殘缺模型；
2）設計入手點比較低。
逆向工程是一個跟蹤仿制的模型，由于缺少需求、架構和系統(tǒng)設計三個重要的子過程，所以很難對產品進行大幅度創(chuàng)新。因此，只有正向設計體系才為我們提供架構性和顛覆性創(chuàng)新，最高超的仿制也只能產生最好的二流產品。
依據(jù)產品設計的起點可以評判一家企業(yè)的設計能力。從V模型的哪個階段入手設計產品，基本可以斷定該企業(yè)的設計能力就是這個起點所對應的能級。這樣，可以把企業(yè)設計能級（成熟度）分為五級：仿制級、逆向級、系統(tǒng)級、正向級和自由級。
為了保證V左半邊的四個設計過程結果正確，需要引入五個小V循環(huán)，分別是需求確認、功能確認、系統(tǒng)確認、物理確認和制造確認。由于在設計過程中，實物并沒有被制造出來，所以，在數(shù)字化仿真技術出現(xiàn)之前，這種確認只能用實物的替代品來實現(xiàn)，確認難度非常大，效果也很不理想。自從仿真技術出現(xiàn)后，可以通過計算、分析、模擬或仿真等手段對設計進行確認和優(yōu)化，如下圖所示。
這樣最終確定的研發(fā)體系是由多個V嵌套的模型（確切地講是六個V），姑且稱為“多V模型”。整體來看，多V模型的最左側是設計過程，最右側是試驗與驗證過程，最底層是試制過程，中間則是一系列仿真過程。
如上圖所示，在正向設計多V模型中，仿真的位置預示著它是正向設計的核心，事實上也的確如此。仿真是產品得以正向設計的保障，或者說，沒有仿真，正向設計無從談起，至少無法順利進行。設計在任何一個階段都應該驗證后才往下進行，否則后期的返工帶來的成本和周期難以承受。對設計的最終驗證是物理試驗，但在設計前期產品尚未成形，根本無法做物理試驗，有時候可以用替代品做一定程度的驗證，但往往無法達到目的。所以，在計算機中的虛擬驗證就變得無比重要，仿真就是在計算機中做虛擬試驗的過程。
仿真是對設計各階段的結果進行驗證
所謂仿真，是利用虛擬模型替代真實世界的物理模型，在計算機中對真實世界進行模擬，從而以較低的成本和較短的時間，獲得對真實世界更為完整和全面的理解。
仿真可以用于透視產品特性，看到產品的運行本質和規(guī)律，預測產品性能，譬如剛度、強度和疲勞壽命。采用仿真技術可以快速進行虛擬試驗，大量減少實物試驗次數(shù)。與實物試驗相比，仿真能看到實物試驗看不到的數(shù)據(jù)，提前發(fā)現(xiàn)缺陷，預測運行期間的故障以及引起故障的原因。同時仿真具有低成本和高效率的特點，所以可以做遍歷仿真，發(fā)現(xiàn)新方案，驗證各種創(chuàng)新思路的可行性。
仿真最基本的作用就是對設計各階段的結果進行驗證。設計過程具有需求定義、功能分解、系統(tǒng)綜合、物理設計和工藝設計等過程，對每一個設計子過程都有相應的仿真驗證手段，所以，仿真可以分為以下五個大類：指標分析、功能分析、系統(tǒng)分析、物理仿真和制造仿真。
習慣上，人們把需求分析、功能分析和系統(tǒng)分析統(tǒng)稱為系統(tǒng)仿真，把物理仿真與制造仿真統(tǒng)稱為實物仿真。系統(tǒng)仿真的模擬對象是系統(tǒng)架構，屬于抽象模型，而物理仿真和制造仿真的模擬對象是產品實體，屬于實物模型。因此，系統(tǒng)仿真往往用于在概念階段確認產品的總體架構，實物仿真通常用來確認物理產品的初步設計、詳細設計、工藝設計和制造過程。
到了物理設計階段，產品的形態(tài)已經比較具體，所以仿真的類型開始豐富。根據(jù)分析的目的不同，將實物仿真分為單場仿真、多場仿真、多體仿真和虛擬現(xiàn)實，制造仿真分為工藝仿真、干涉檢查、裝備仿真、機構仿真等。根據(jù)物理場的不同，分為結構場仿真、流場仿真、電磁場仿真等。根據(jù)分析對象的不同，分為結機械仿真、流體仿真、電氣仿真、電子仿真、液壓仿真等。根據(jù)計算方法、模型處理方法還有更多的分類方法，此處不再贅述。
實物仿真
仿真技術的常規(guī)化應用
仿真是利用數(shù)字化手段對真實物理世界的模擬，在計算機中透視真實世界的各種現(xiàn)象，這種透視在物理世界往往成本高、難度大甚至做不到。
越來越多的企業(yè)已經充分理解仿真對創(chuàng)新設計能力提升的重要性。在汽車、航空、航天、船舶等工業(yè)領域的大量工程運用實踐，驗證了其適用性和準確性。仿真技術成為企業(yè)產品轉型、研發(fā)創(chuàng)新和技術突破的最基本手段。
仿真技術產生之初主要為產品設計服務，用于對產品特性進行預測或確認。隨著技術和應用的發(fā)展，仿真技術逐步拓展到制造模擬和試驗模擬。當前，仿真應用比較集中在三個方面：產品仿真、工藝（制造）仿真和試驗仿真（或稱虛擬試驗），分別是應用于產品生命周期的三個主要階段：產品設計、產品制造和試驗驗證。
1、產品仿真
產品仿真是產品研發(fā)設計過程中的主要仿真類型，它使產品研發(fā)模式從過去試驗驅動模式轉變?yōu)榉抡骝寗幽Ｊ?。下圖的下半部分展示了曾經的試驗驅動模式。這種模式的特點是串行，仿真是在試驗之后進行分析確認。這種模式下，仿真的作用很小，處于輔助地位。串行模式在產品周期和成本方面都具有較大風險。
仿真驅動研發(fā)的過程
上圖上半部分展示了仿真驅動的研發(fā)模式。在概念設計之后，建立虛擬樣機，利用仿真手段進行大量的循環(huán)迭代，對各種可能的工況和參數(shù)進行模擬試驗，獲得確認后再進行詳細設計、物理樣機試驗和產品投產。這種模式下，仿真是研發(fā)最重要的工具，對研發(fā)成本的節(jié)約和周期的縮短作用巨大。
2、工藝仿真
目前，仿真已經在工藝設計中廣為應用。下圖反映了工藝設計引入仿真前后的差別。在引入仿真技術之前，工藝設計的特點是利用大量實物試驗確認工藝的可行性。而在引入仿真技術之后，工藝方案通過仿真手段進行確認和優(yōu)化，形成最優(yōu)方案后進行實物試驗確認。通常仿真確認和優(yōu)化后，只需要經過很少的實物試驗即可形成最終方案，在成本和周期方面具有巨大效益。
常見的工藝仿真包括鑄造、體成型、板成型和熱處理等的仿真。
3、試驗仿真
即使產品仿真和工藝仿真可以在計算機中對產品和工藝進行虛擬運行，確認了產品和工藝的可行性和合理性，但在實踐中仍然需要進行實物試驗，作為一種最終確認，通常也是國家和行業(yè)的規(guī)范要求。此處的虛擬試驗特指用仿真方法對試驗過程進行模擬，以提高試驗策劃、方案設計及試驗執(zhí)行的效率，對試驗結果的解讀也大有裨益。這種以數(shù)字化技術改進實物試驗的方法，將過去純粹的實物試驗方法升級為虛實結合的驗證方法，是試驗和測試技術發(fā)展的必然趨勢。下展示了常見的虛擬試驗。
仿真技術的深層次應用
近年來，在工業(yè)4.0時代，智能制造、工業(yè)互聯(lián)網、數(shù)字孿生等新一輪工業(yè)革命的興起，新技術與傳統(tǒng)制造的結合催生了大量新型應用。工業(yè)仿真軟件也開始與這些先進技術結合，在研發(fā)設計、生產制造、試驗運維等各環(huán)節(jié)發(fā)揮更重要的作用。
在仿真應用比較集中的每個領域都正在發(fā)生仿真的深層應用，包括產品再設計、增材仿真、虛擬試驗及數(shù)字孿生，這些應用都是工業(yè)4.0時代仿真的新應用方向，我們將在未來的文章中一一展開。
安世亞太具有24年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開發(fā)和服務經驗、6年的工業(yè)品先進設計和增材制造經驗，是我國工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領域的領先者、新型工業(yè)品研制者、企業(yè)仿真體系和精益研發(fā)體系創(chuàng)立者，在國內PLM、虛擬仿真及先進設計領域處于領先地位，提出了基于增材思維的先進設計和智能制造解決方案，聚焦于打造以增材思維為核心的先進設計與智能制造產業(yè)鏈，以全球視野和格局進行資源整合、技術轉化和生態(tài)構建。
