為什么要進行建模仿真？

今天，數(shù)字孿生、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算這些概念在整個產(chǎn)業(yè)里非常的火熱，但是，要知道，如果這些概念沒有“模型”作為基礎的話，這些概念將無法真正落地，因為模型是數(shù)字世界與物理世界連接的橋梁，另一方面，仿真技術使得在復雜變化的制造現(xiàn)場可以實現(xiàn)非常多的虛擬測試、早期驗證，降低整個制造業(yè)的整體成本，很多時候，我們必須了解為什么要進行建模仿真？

機器生產(chǎn)中的復雜變化

究竟機器的生產(chǎn)有多么復雜？只有研發(fā)機器的工程師們才能更清楚，在每個行業(yè)，生產(chǎn)的復雜度都包含了多個維度：

（1）材料的復雜性：在印刷中，紙張或薄膜都是數(shù)千種可能性，而在紡織機械領域天然的纖維如棉花、絲、羊絨等都是隨著產(chǎn)地而纖維特性不同，在塑料領域的顆粒種類也千變?nèi)f化，他們都擁有不同的流體加熱變形屬性，在灌裝領域，瓶子的材料、規(guī)格也是千變?nèi)f化。

（2）工藝的復雜性：對于印刷本身也有柔版、凹版、膠印多種，包括輪轉(zhuǎn)與單張的組合，還有涂布、裁切等的組合，對于紡紗也包含了轉(zhuǎn)杯紡、渦流紡、氣流紡、環(huán)錠紡等多種形式。

（3）流程的復雜性：生產(chǎn)的工序也隨著生產(chǎn)任務的不同而變化，比如灌裝不同類型的飲料時候所需的電子閥動作流程也不同，碳酸飲料與非碳酸飲料，或者貼標單元可能會有1個、2個、3個不同的標簽，都會組合成不同的工序流程。

圖1-機器的變化組合成千上萬

如圖1所示，從上面三點，我們就可以看到，一臺機器如果希望它具有廣泛的適應力，那么，它在材料、工藝、流程三個方面就會組合出成千上萬種組合，這是制造的復雜的地方—也是為什么必須進行建模仿真的原因。

如果不采用建模仿真來進行這樣的模型構(gòu)建，對于機器的開發(fā)而言，就必須進行大量的物理測試與驗證，這個成本是極其巨大的。盡管，我們采用了測繪的方式，減少測試驗證環(huán)節(jié)的投入，一個機器的研發(fā)仍然是投入巨大的，尤其是具有“高端”定位的機器，它必須擁有穩(wěn)定而可靠的，適應變化生產(chǎn)的能力。

建模仿真帶來哪些應用優(yōu)勢？

如果我們?nèi)鞒痰目创龣C器的開發(fā)，從概念設計、原型設計、測試驗證，整個流程中，最燒錢的地方在哪里？

 圖2-基于V模式的開發(fā)

對于機器與系統(tǒng)的開發(fā)，V-Mode是普遍被應用的模式，在整個設計與開發(fā)階段，從概念到需求、功能規(guī)范、子系統(tǒng)設計再到實現(xiàn)，各個階段對應都有相應的測試與驗證，這個集成測試驗證是確保每個流程都能夠保證任務的質(zhì)量與進度得到控制，順利完成產(chǎn)品整個的研發(fā)過程，而這些過程中，真正需要耗費大量成本的往往是測試驗證這些過程。

在傳統(tǒng)的機器設計中，這個環(huán)節(jié)往往需要按照嚴格的流程來進行，而通過建模仿真所實現(xiàn)的虛擬測試與驗證可以使得這個環(huán)節(jié)被提前，縮短整個流程周期，如圖3所示即是并行工程，有了建模仿真這樣的開發(fā)工具和方法，可以實現(xiàn)電氣控制與應用軟件和機械的并行開發(fā)。

圖3-并行工程

建模仿真可以讓機器的開發(fā)帶來非常多的便利，包括如圖4的幾個方面：

（1）虛擬調(diào)試縮短開發(fā)周期與降低成本

對材料的工藝特性、機械傳動、控制的聯(lián)合測試中，只有在虛擬環(huán)境中，對參數(shù)進行最優(yōu)的調(diào)整，才是最節(jié)省成本的，只有幾乎完成最優(yōu)后，再下載到物理對象上進行驗證，才能更好的實現(xiàn)成本的降低，否則，例如印刷機，如果要進行某種材料的測試，300米的速度下一卷紙就10分鐘多燒完了，幾千塊的材料費用就很快消耗掉，而大量的機器功能會造成巨額的測試成本。

（2）降低安全風險

對于一些設備而言，虛擬測試與驗證還可以降低安全風險，例如風力發(fā)電對于各種安全機制的測試，包括在一些大型機械裝備的開發(fā)中，如果沒有良好的安全機制保障，那么就有潛在的安全風險，因此，可以在虛擬環(huán)境中進行。

（3）復用的組件開發(fā)

對于很多具有共性的應用軟件來說，例如張力控制模型針對塑料薄膜、印刷的紙張、紡織的紗線、金屬板材的開卷校平、彈簧送絲等各種場景來說，可以用于開發(fā)各種控制模式下（閉環(huán)、開環(huán)、伺服電機調(diào)節(jié)等）的模型及其參數(shù)驗證，然后封裝為可復用的共性組件，在應用開發(fā)中，直接配置其模式、參數(shù)等，加速機器的配置，響應快速的市場變化需求。

圖4-建模仿真帶來的好處

因此，建模仿真是一種顯著降低成本的方案，而且有了這些模型后，針對未來的數(shù)據(jù)應用可以實現(xiàn)：

（1）數(shù)字孿生：通過動態(tài)的實時交互，數(shù)字系統(tǒng)與物理系統(tǒng)可以進行動態(tài)驗證，尤其在個性化生產(chǎn)中，這種實時交互對于響應產(chǎn)線變化至關重要。（2）AR/VR應用：有了模型后，這些模型與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的匹配會讓AR/VR的應用成為可能，可以進行可視化培訓、在線安裝調(diào)試的指導等等工作。（3）機器學習：數(shù)據(jù)驅(qū)動與模型驅(qū)動必須融合，才能各自發(fā)揮其優(yōu)勢，基于數(shù)據(jù)的可以發(fā)掘潛在的規(guī)律，而模型將已有的知識形成控制，兩者互補，學習到的新規(guī)律可以被融入到機理模型，而機理模型又能夠為學習奠定基礎。

總之，有了模型，可以做非常多的事情，可以讓機器制造商實現(xiàn)非常多的機器靈活設計和功能設計。

建模仿真是真正創(chuàng)新設計的源頭

“知其然，也要知其所以然”—這就是在制造領域里我們必須知道機器設計的“Why”-源頭的原理，建模就是對整個機器進行真正的根源性設計，而這種設計也是后續(xù)所有“創(chuàng)新”的源泉，如果缺乏這些數(shù)字建模，那么就意味著我們?nèi)狈Α白兓钡哪芰?，只是測繪了一種機械，而沒有掌握它的原理性設計，即使采用“逆向工程”，其實，也是不能完全掌握其設計精髓，無法讓我們在這個基礎上獲得創(chuàng)新，當在競爭中，做一些調(diào)整，尤其是現(xiàn)在機械的Know-How更多的是工藝軟件形式存在、安裝方式的話，對我們來說就會意味著不知道的“坑”—要想真正實現(xiàn)差異化、超越，必須回到原始的建模上，才能真正掌握“核心技術”。

有限元科技助力建模仿真

深圳市有限元科技有限公司是一家計算機輔助工程CAE為主業(yè)，以工程仿真軟件開發(fā)為核心，集CAE仿真軟件銷售、CAE仿真咨詢、CAE培訓、CAE軟件二次開發(fā)為一體的國家高科技企業(yè)。

公司成立于2007年，不僅是Abaqus、Flotherm、Hyperworks、Moldex3D等世界知名CAE軟件的代理商，還成為了國內(nèi)領先的CAE仿真應用綜合解決方案提供商。深耕CAE領域十三載，依托深厚的CAE技術背景和豐富的工程經(jīng)驗，為鐵科院（北京）、華為、中興、三一重工、一汽、格力、大族激光等1200多家客戶提供高水平的CAE工程咨詢服務，獲得客戶的高度認可。真正為客戶提供全維度CAE解決方案，解決實際工程問題，助力卓越產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)！

來源：數(shù)字化企業(yè)