仿真作為工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)制造中必不可少的技術(shù)，已經(jīng)被世界上眾多企業(yè)廣泛應(yīng)用到工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中，是推動(dòng)工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展的核心技術(shù)知識(shí)，在產(chǎn)品優(yōu)化和創(chuàng)新活動(dòng)中扮演不可或缺的角色。

?經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，仿真技術(shù)和軟件越來(lái)越豐富，各種類型的仿真層出不窮。對(duì)我這種具有分類強(qiáng)迫癥的技術(shù)潔癖來(lái)說(shuō)，分明是一種“挑釁”。其實(shí)，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(shù)類型上來(lái)分，有人從應(yīng)用對(duì)象來(lái)分。但我主張用第三只眼睛——正向設(shè)計(jì)的視角看仿真，我認(rèn)為從正向設(shè)計(jì)模型出發(fā)來(lái)解讀才能真正觸及到仿真的本質(zhì)及價(jià)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(shè)計(jì)模型出發(fā)來(lái)審視仿真的所在及價(jià)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(huì)有這么多仿真類型。

仿真是正向設(shè)計(jì)的核心

系統(tǒng)工程是被世界先進(jìn)企業(yè)廣泛采用的復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)方法與理論體系，而正向設(shè)計(jì)是系統(tǒng)工程理論的核心。應(yīng)用系統(tǒng)工程理論對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分解和展開(kāi)，形成V字流程，如下圖（左）所示。

理想的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的起點(diǎn)是涉眾需求，經(jīng)過(guò)需求定義、功能分解、系統(tǒng)綜合、物理設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品試制、部件驗(yàn)證、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)驗(yàn)證和系統(tǒng)確認(rèn)等階段，最后完成產(chǎn)品的驗(yàn)收。V模型的右邊部分既是產(chǎn)品交付，又是對(duì)左邊相應(yīng)部分的驗(yàn)證。如果驗(yàn)證出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)回到左邊相應(yīng)流程進(jìn)行修正。這個(gè)過(guò)程稱為“正向設(shè)計(jì)”，而上圖（左）則是正向設(shè)計(jì)模型。該模型有兩個(gè)特點(diǎn)：1）是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱模型；2）設(shè)計(jì)的入手點(diǎn)很高。

但通常來(lái)說(shuō)，企業(yè)發(fā)展歷程都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)逆向工程過(guò)程。產(chǎn)品設(shè)計(jì)起始點(diǎn)不是涉眾需求，而是從V模型中間某個(gè)點(diǎn)開(kāi)始，如上圖（右）所示?！拔锢碓O(shè)計(jì)”是中國(guó)企業(yè)的常見(jiàn)起點(diǎn)，本階段仿照已經(jīng)存在的產(chǎn)品，完成圖紙繪制，進(jìn)入試制和驗(yàn)證各階段，完成產(chǎn)品交付或推向市場(chǎng)。V模型的右邊出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，由于沒(méi)有左邊可對(duì)應(yīng)，所以只能回溯到前一階段查詢和解決問(wèn)題。當(dāng)回溯到物理設(shè)計(jì)階段仍然解決不了問(wèn)題時(shí)，那就成為永遠(yuǎn)的問(wèn)題。清醒的企業(yè)會(huì)有意識(shí)地研究物理設(shè)計(jì)之前的各個(gè)過(guò)程，以圖追溯和還原仿制對(duì)象的本源，當(dāng)然，這樣只能還原部分本源。以上的過(guò)程我們稱為“逆向工程”，圖（右）則是逆向工程模型。相對(duì)正向設(shè)計(jì)，逆向工程模型也有兩個(gè)特點(diǎn)：

1）不對(duì)稱的殘缺模型；

2）設(shè)計(jì)入手點(diǎn)比較低。

逆向工程是一個(gè)跟蹤仿制的模型，由于缺少需求、架構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)重要的子過(guò)程，所以很難對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行大幅度創(chuàng)新。因此，只有正向設(shè)計(jì)體系才為我們提供架構(gòu)性和顛覆性創(chuàng)新，最高超的仿制也只能產(chǎn)生最好的二流產(chǎn)品。

依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的起點(diǎn)可以評(píng)判一家企業(yè)的設(shè)計(jì)能力。從V模型的哪個(gè)階段入手設(shè)計(jì)產(chǎn)品，基本可以斷定該企業(yè)的設(shè)計(jì)能力就是這個(gè)起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的能級(jí)。這樣，可以把企業(yè)設(shè)計(jì)能級(jí)（成熟度）分為五級(jí)：仿制級(jí)、逆向級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、正向級(jí)和自由級(jí)。

為了保證V左半邊的四個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)果正確，需要引入五個(gè)小V循環(huán)，分別是需求確認(rèn)、功能確認(rèn)、系統(tǒng)確認(rèn)、物理確認(rèn)和制造確認(rèn)。由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)物并沒(méi)有被制造出來(lái)，所以，在數(shù)字化仿真技術(shù)出現(xiàn)之前，這種確認(rèn)只能用實(shí)物的替代品來(lái)實(shí)現(xiàn)，確認(rèn)難度非常大，效果也很不理想。自從仿真技術(shù)出現(xiàn)后，可以通過(guò)計(jì)算、分析、模擬或仿真等手段對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行確認(rèn)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(gè)V嵌套的模型（確切地講是六個(gè)V），姑且稱為“多V模型”。整體來(lái)看，多V模型的最左側(cè)是設(shè)計(jì)過(guò)程，最右側(cè)是試驗(yàn)與驗(yàn)證過(guò)程，最底層是試制過(guò)程，中間則是一系列仿真過(guò)程。

如上圖所示，在正向設(shè)計(jì)多V模型中，仿真的位置預(yù)示著它是正向設(shè)計(jì)的核心，事實(shí)上也的確如此。仿真是產(chǎn)品得以正向設(shè)計(jì)的保障，或者說(shuō)，沒(méi)有仿真，正向設(shè)計(jì)無(wú)從談起，至少無(wú)法順利進(jìn)行。設(shè)計(jì)在任何一個(gè)階段都應(yīng)該驗(yàn)證后才往下進(jìn)行，否則后期的返工帶來(lái)的成本和周期難以承受。對(duì)設(shè)計(jì)的最終驗(yàn)證是物理試驗(yàn)，但在設(shè)計(jì)前期產(chǎn)品尚未成形，根本無(wú)法做物理試驗(yàn)，有時(shí)候可以用替代品做一定程度的驗(yàn)證，但往往無(wú)法達(dá)到目的。所以，在計(jì)算機(jī)中的虛擬驗(yàn)證就變得無(wú)比重要，仿真就是在計(jì)算機(jī)中做虛擬試驗(yàn)的過(guò)程。

仿真是對(duì)設(shè)計(jì)各階段的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證

所謂仿真，是利用虛擬模型替代真實(shí)世界的物理模型，在計(jì)算機(jī)中對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行模擬，從而以較低的成本和較短的時(shí)間，獲得對(duì)真實(shí)世界更為完整和全面的理解。

仿真可以用于透視產(chǎn)品特性，看到產(chǎn)品的運(yùn)行本質(zhì)和規(guī)律，預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能，譬如剛度、強(qiáng)度和疲勞壽命。采用仿真技術(shù)可以快速進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，大量減少實(shí)物試驗(yàn)次數(shù)。與實(shí)物試驗(yàn)相比，仿真能看到實(shí)物試驗(yàn)看不到的數(shù)據(jù)，提前發(fā)現(xiàn)缺陷，預(yù)測(cè)運(yùn)行期間的故障以及引起故障的原因。同時(shí)仿真具有低成本和高效率的特點(diǎn)，所以可以做遍歷仿真，發(fā)現(xiàn)新方案，驗(yàn)證各種創(chuàng)新思路的可行性。

仿真最基本的作用就是對(duì)設(shè)計(jì)各階段的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)計(jì)過(guò)程具有需求定義、功能分解、系統(tǒng)綜合、物理設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)等過(guò)程，對(duì)每一個(gè)設(shè)計(jì)子過(guò)程都有相應(yīng)的仿真驗(yàn)證手段，所以，仿真可以分為以下五個(gè)大類：指標(biāo)分析、功能分析、系統(tǒng)分析、物理仿真和制造仿真。

習(xí)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(shí)物仿真。系統(tǒng)仿真的模擬對(duì)象是系統(tǒng)架構(gòu)，屬于抽象模型，而物理仿真和制造仿真的模擬對(duì)象是產(chǎn)品實(shí)體，屬于實(shí)物模型。因此，系統(tǒng)仿真往往用于在概念階段確認(rèn)產(chǎn)品的總體架構(gòu)，實(shí)物仿真通常用來(lái)確認(rèn)物理產(chǎn)品的初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。

到了物理設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品的形態(tài)已經(jīng)比較具體，所以仿真的類型開(kāi)始豐富。根據(jù)分析的目的不同，將實(shí)物仿真分為單場(chǎng)仿真、多場(chǎng)仿真、多體仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)，制造仿真分為工藝仿真、干涉檢查、裝備仿真、機(jī)構(gòu)仿真等。根據(jù)物理場(chǎng)的不同，分為結(jié)構(gòu)場(chǎng)仿真、流場(chǎng)仿真、電磁場(chǎng)仿真等。根據(jù)分析對(duì)象的不同，分為結(jié)機(jī)械仿真、流體仿真、電氣仿真、電子仿真、液壓仿真等。根據(jù)計(jì)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(shí)物仿真

仿真技術(shù)的常規(guī)化應(yīng)用

仿真是利用數(shù)字化手段對(duì)真實(shí)物理世界的模擬，在計(jì)算機(jī)中透視真實(shí)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(lái)越多的企業(yè)已經(jīng)充分理解仿真對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力提升的重要性。在汽車、航空、航天、船舶等工業(yè)領(lǐng)域的大量工程運(yùn)用實(shí)踐，驗(yàn)證了其適用性和準(zhǔn)確性。仿真技術(shù)成為企業(yè)產(chǎn)品轉(zhuǎn)型、研發(fā)創(chuàng)新和技術(shù)突破的最基本手段。

仿真技術(shù)產(chǎn)生之初主要為產(chǎn)品設(shè)計(jì)服務(wù)，用于對(duì)產(chǎn)品特性進(jìn)行預(yù)測(cè)或確認(rèn)。隨著技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，仿真技術(shù)逐步拓展到制造模擬和試驗(yàn)?zāi)M。當(dāng)前，仿真應(yīng)用比較集中在三個(gè)方面：產(chǎn)品仿真、工藝（制造）仿真和試驗(yàn)仿真（或稱虛擬試驗(yàn)），分別是應(yīng)用于產(chǎn)品生命周期的三個(gè)主要階段：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1、產(chǎn)品仿真

產(chǎn)品仿真是產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要仿真類型，它使產(chǎn)品研發(fā)模式從過(guò)去試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉抡骝?qū)動(dòng)模式。下圖的下半部分展示了曾經(jīng)的試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)模式。這種模式的特點(diǎn)是串行，仿真是在試驗(yàn)之后進(jìn)行分析確認(rèn)。這種模式下，仿真的作用很小，處于輔助地位。串行模式在產(chǎn)品周期和成本方面都具有較大風(fēng)險(xiǎn)。

仿真驅(qū)動(dòng)研發(fā)的過(guò)程

上圖上半部分展示了仿真驅(qū)動(dòng)的研發(fā)模式。在概念設(shè)計(jì)之后，建立虛擬樣機(jī)，利用仿真手段進(jìn)行大量的循環(huán)迭代，對(duì)各種可能的工況和參數(shù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，獲得確認(rèn)后再進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)、物理樣機(jī)試驗(yàn)和產(chǎn)品投產(chǎn)。這種模式下，仿真是研發(fā)最重要的工具，對(duì)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(jīng)在工藝設(shè)計(jì)中廣為應(yīng)用。下圖反映了工藝設(shè)計(jì)引入仿真前后的差別。在引入仿真技術(shù)之前，工藝設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是利用大量實(shí)物試驗(yàn)確認(rèn)工藝的可行性。而在引入仿真技術(shù)之后，工藝方案通過(guò)仿真手段進(jìn)行確認(rèn)和優(yōu)化，形成最優(yōu)方案后進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)確認(rèn)。通常仿真確認(rèn)和優(yōu)化后，只需要經(jīng)過(guò)很少的實(shí)物試驗(yàn)即可形成最終方案，在成本和周期方面具有巨大效益。

常見(jiàn)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(yàn)仿真

即使產(chǎn)品仿真和工藝仿真可以在計(jì)算機(jī)中對(duì)產(chǎn)品和工藝進(jìn)行虛擬運(yùn)行，確認(rèn)了產(chǎn)品和工藝的可行性和合理性，但在實(shí)踐中仍然需要進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，作為一種最終確認(rèn)，通常也是國(guó)家和行業(yè)的規(guī)范要求。此處的虛擬試驗(yàn)特指用仿真方法對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬，以提高試驗(yàn)策劃、方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)執(zhí)行的效率，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的解讀也大有裨益。這種以數(shù)字化技術(shù)改進(jìn)實(shí)物試驗(yàn)的方法，將過(guò)去純粹的實(shí)物試驗(yàn)方法升級(jí)為虛實(shí)結(jié)合的驗(yàn)證方法，是試驗(yàn)和測(cè)試技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。下展示了常見(jiàn)的虛擬試驗(yàn)。

仿真技術(shù)的深層次應(yīng)用

近年來(lái)，在工業(yè)4.0時(shí)代，智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等新一輪工業(yè)革命的興起，新技術(shù)與傳統(tǒng)制造的結(jié)合催生了大量新型應(yīng)用。工業(yè)仿真軟件也開(kāi)始與這些先進(jìn)技術(shù)結(jié)合，在研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)運(yùn)維等各環(huán)節(jié)發(fā)揮更重要的作用。

在仿真應(yīng)用比較集中的每個(gè)領(lǐng)域都正在發(fā)生仿真的深層應(yīng)用，包括產(chǎn)品再設(shè)計(jì)、增材仿真、虛擬試驗(yàn)及數(shù)字孿生，這些應(yīng)用都是工業(yè)4.0時(shí)代仿真的新應(yīng)用方向，我們將在未來(lái)的文章中一一展開(kāi)。

關(guān)于安世亞太

安世亞太具有24年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)、6年的工業(yè)品先進(jìn)設(shè)計(jì)和增材制造經(jīng)驗(yàn)，是我國(guó)工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領(lǐng)域的領(lǐng)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(guó)內(nèi)PLM、虛擬仿真及先進(jìn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，提出了基于增材思維的先進(jìn)設(shè)計(jì)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(jìn)設(shè)計(jì)與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，以全球視野和格局進(jìn)行資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化和生態(tài)構(gòu)建。