2016年12月1-2日，為期兩天的2016年（第十二屆）產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國際峰會在長沙圓滿閉幕。本屆峰會以“智能制造時代的產(chǎn)品創(chuàng)新變革”為主題，由中國電子學會、中國機械工程學會、湖南省經(jīng)濟和信息化委員會指導，e-works數(shù)字化企業(yè)網(wǎng)、長沙智能制造研究總院主辦，湖南省電子學會、湖南省機械工業(yè)協(xié)會、湖南省機械工程學會、中國汽車工程學會車身技術分會、湖南省軟件行業(yè)協(xié)會協(xié)辦。會上，ANSYS北區(qū)技術經(jīng)理袁勇先生發(fā)表了主題為《數(shù)字化制造與數(shù)字雙胞胎》的演講。本文根據(jù)演講內(nèi)容整理而成。
圖1 ANSYS北區(qū)技術經(jīng)理袁勇
我們正處于快速改變的商業(yè)環(huán)境
這個時代充滿了變數(shù)，各種事物都在改變，唯一不變的就是變革。在現(xiàn)今的市場上，沒有一家公司能夠通過以相同的營銷和相同的利潤交付相同的產(chǎn)品而永久成功。這里有一組數(shù)據(jù)：從1955年存活至今的世界500強公司僅有61家；1955年，500強公司預期壽命：75年；2016年，500強公司預期壽命：15年；現(xiàn)實很殘酷，但好的一面就是有更多優(yōu)秀公司不斷涌現(xiàn)。面對快速變革的環(huán)境，我們需要特殊的眼光來發(fā)現(xiàn)機會，需要極大的勇氣克服各種各樣的困難，也需要成熟的團隊來確保成功。要做到以上三點，創(chuàng)新和計算必不可少，創(chuàng)新激發(fā)活力，計算則可以驗證創(chuàng)新，因此大變革時代，對創(chuàng)新的要求和計算的需求越來越大。
創(chuàng)新的機會在哪里？
我們現(xiàn)在即將迎來第四次工業(yè)革命。第一次工業(yè)革命以蒸汽機的發(fā)明為標志，第二次以電的廣泛使用為標志，第三次則是計算機，未來就是工業(yè)4.0，整個以智能化為基礎的工業(yè)變革，工業(yè)4.0有很多特色，區(qū)別于前幾次工業(yè)革命。
- 互操作性：人和機器的相互連接、互動
- 信息透明度：創(chuàng)建物理世界的虛擬副本來研究整個真實物理世界
- 技術輔助：能夠幫助人類的機器
- 分散決策：可自主決策的網(wǎng)絡物理系統(tǒng)
工業(yè)4.0里有很多關鍵詞，像物聯(lián)網(wǎng)（IoT），大數(shù)據(jù)，增材制造，數(shù)字雙胞胎，云，仿真等等。仿真可以說是整個工業(yè)革命的基礎之一，扎根于每一個工業(yè)過程，來推動整個工業(yè)革命的進展。工業(yè)4.0預計未來15年為全球經(jīng)濟增加14.2萬億美元，這就是創(chuàng)新的機會所在。
工程仿真如何進化，以幫助捕捉這些機會？
工業(yè)4.0里面有很多技術熱點，像機器人、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云、系統(tǒng)集成、仿真等等，這些技術都會相互影響，相互進行化學反應，催生出各種各樣新的技術、新的機會。其中，仿真技術一直在不斷變革、不斷進化，幫助我們各位工程師、各大企業(yè)來具備能夠抓住機會的能力。那么工程仿真如何進化，以幫助捕捉這些機會的呢？
類似工業(yè)革命，仿真也從開始的1.0，正進化到4.0。在1.0時代，對單獨物理場進行仿真，仿真目的主要是在設計階段進行一些驗證和確認。到了2.0時代，出現(xiàn)了多物理場仿真，但還是局限于在驗證和確認階段。后來仿真逐步擴展，貫穿了整個產(chǎn)品設計迭代過程，覆蓋了產(chǎn)品需求、系統(tǒng)設計、魯棒性設計、變更管理、驗證確認等環(huán)節(jié)，在這些環(huán)節(jié)里面都用仿真來解決問題，我們稱之為“仿真驅(qū)動研發(fā)（SDPD）”，這就是3.0時代，但這在整個產(chǎn)品生命周期里面仍處于設計階段。到了4.0時代，我們會把仿真與制造工藝和數(shù)字雙胞胎更緊密結(jié)合起來，把仿真推動到制造和運行階段，貫穿產(chǎn)品的整個生命周期。
圖2 工程仿真的進化
同時，仿真用戶的使用模式也在發(fā)生變化：
第一個重大的趨勢就是越來越多的工程師將會使用仿真技術，以前使用仿真的可能只是仿真工程師，我們有問題交給他們進行仿真驗證，但是現(xiàn)在越來越多的設計工程師也在做，包括CAD工程師也需要用到仿真，預計2020年所有工程師都會用上仿真。
圖3 仿真用戶越來越多
第二個重大趨勢：越來越多的企業(yè)會部署并使用高性能計算，執(zhí)行更大規(guī)模的計算，仿真更多的場景。以前一臺計算機算不動，現(xiàn)在用多臺計算機一次就可以算各種各樣的場景，來模擬真實的世界。
第三個重大趨勢：除了具體的仿真驗證工作以外，還要進行更詳盡的分析，從部件到系統(tǒng)，以準確表征現(xiàn)實世界的物理模型。
這是仿真用戶的使用模式方面的變化，他們的需求推動了仿真軟件的變革。
ANSYS仿真平臺進化戰(zhàn)略
2015年ANSYS公司推出了AIM軟件產(chǎn)品——在沉浸式用戶環(huán)境中，可以實現(xiàn)多物理場仿真，使用非常簡便。今年8月份中國用戶大會上，做了一個嘗試，對所有沒有用過軟件的工程師進行半個小時的培訓后，他們就可以上手進行操作，完成實際的案例作業(yè)。AIM能夠提供結(jié)構仿真，流體仿真，熱仿真，還有電磁波仿真，在AIM軟件環(huán)境里，將多物理場仿真變得非常簡單。即使你從來沒有接觸過仿真，掌握AIM軟件也只需要很短的時間，AIM把仿真軟件使用難度進一步降低，軟件里內(nèi)置了很多模板，并將很多工程經(jīng)驗固化在里面，不需要懂算法以及求解的原理，只需要掌握軟件的基本操作。當然，AIM的功能還不像ANSYS Workbench那么強大和全面，因為其定位就是把仿真工作層次化，仿真專家用更專業(yè)強大的工具，他們解決復雜的問題，并定制一些仿真標準，而更多的人是用更簡便的工具，用專家的經(jīng)驗解決設計中的一些問題，這就是AIM的價值所在，它把仿真擴展到整個設計里面每一個工程師，讓使用門檻進一步降低。
但ANSYS并不是簡單推出這樣一個軟件，我們也在進行仿真平臺的戰(zhàn)略化部署，我們有這樣一個很大的愿景，如圖4，橫軸代表整個產(chǎn)品的生命周期，縱軸代表我們所有的用戶，如今的仿真市場就是開發(fā)設計階段專門的CAE工程師使用仿真軟件，未來進一步擴展，擴展到制造階段，實現(xiàn)了完整的仿真驅(qū)動研發(fā)，一直涵蓋了從設計到運行整個生命周期，這依賴很多關鍵技術，比如機器學習，數(shù)字雙胞胎，也依賴于這個軟件能否更易用，有更多靈活的選項，甚至包括定制化的APP。在另一個維度，仿真將擴展到相關的所有工程師。
圖4 ANSYS戰(zhàn)略愿景
ANSYS具有非常全面的仿真產(chǎn)品，ANSYS現(xiàn)在覆蓋產(chǎn)品的五個仿真基礎學科：流體動力學，結(jié)構力學，電磁學，半導體、以及嵌入式軟件，在這基礎之上，進行多學科協(xié)同，一方面可以實現(xiàn)多物理場仿真，另一方面可以做整個系統(tǒng)的仿真。在ANSYS軟件架構下，可以實現(xiàn)從軟件到硬件，從芯片到整個執(zhí)行機構完整的仿真分析，我們稱為全面仿真平臺。這個平臺目前已經(jīng)實現(xiàn)了，我們覺得這還不夠，我們需要實現(xiàn)完整的工藝流程全面覆蓋，包括從需求分析，需求定義到整個功能的仿真。
圖5 最全面的仿真產(chǎn)品，可分析和優(yōu)化完整系統(tǒng)的性能
現(xiàn)在有ANSYS專門的系統(tǒng)軟件SCADE System做功能和需求的分析和定義，然后再做行為級的仿真，此仿真依賴于需求分析得到的系統(tǒng)建模語言來進行一些初步仿真。有了這個仿真后，我們可以定義出具體的設計指標，進行電子電氣系統(tǒng)、三維物理結(jié)構、嵌入式軟件等具體子系統(tǒng)與部件的設計，之后把所有的部件進行虛擬裝配，實現(xiàn)完整的系統(tǒng)級虛擬原型，對整個系統(tǒng)進行虛擬的驗證和集成，這需要把所有的仿真結(jié)合起來。最后進行測試，將仿真與真實的部件去進行交互，從而實現(xiàn)了整個工藝流程全面覆蓋，這就是ANSYS基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE，Model Based Systems Engineering）實現(xiàn)完整的仿真驅(qū)動產(chǎn)品研發(fā)（SDPD，Simulation Driven Product Development）的平臺。
圖6 ANSYS MBSE實現(xiàn)完整的SDPD
下一步要做的就是把這個平臺的開放性和定制化進一步擴展，連接仿真與整個工程的業(yè)務。因為各企業(yè)在應用的軟件不光是ANSYS，還有其他很多軟件，所以仿真平臺需要更多的開放性。ANSYS推出了一個APP商店，使用者可以在商店里在線購買APP，同時還有專門的定制化工具，開發(fā)者或使用者都可以把設計流程和設計經(jīng)驗固化下來形成一個APP，把自動化進一步加強，輸入一個參數(shù)后面就可以得到很多想要的結(jié)果，把十幾步的操作用一個按鈕代替，進而可以把企業(yè)的設計經(jīng)驗變成可以推廣的一個程序去推廣，掛在APP商店上進行分享或者銷售。另外平臺的開放性指的是和第三方工具，和外部數(shù)據(jù)有很多互通接口，另外和整個業(yè)務流程，像需求管理（RM，Requirement Management），服務生命周期管理（SLM，Service Lifecycle Management），產(chǎn)品生命周期管理（PLM，Product Lifecycle Management）、應用生命周期管理（ALM, application lifecycle management）等等進行結(jié)合，形成整個業(yè)務流程的完整環(huán)境。
圖7 ANSYS仿真平臺：開放和可持續(xù)的架構，適應工程需求和IT戰(zhàn)略
ANSYS仿真平臺可以廣泛應用于設計的方方面面，幫助我們實現(xiàn)更好更快的創(chuàng)新。第一，可以進行全方位的仿真，系統(tǒng)&多物理場仿真和數(shù)字雙胞胎&大數(shù)據(jù)的仿真，第二，這是一種可伸縮的解決方案，從桌面用戶到云端、私有云、以及公有云，還包括了從流程管理，數(shù)據(jù)管理在內(nèi)的仿真。第三，這是一個可擴展的生態(tài)系統(tǒng)，我們有很多合作伙伴網(wǎng)絡，還有客戶群以及定制化APP。通過這個平臺，可以定制和自動化專屬的工作流程，包括定制化的工作流程以及新上線的APP商店。目前已經(jīng)超過300個APP，大家可以到我們網(wǎng)站上去查看，下載和使用。
圖8 ANSYS仿真平臺：最廣泛采用的仿真平臺，助力更好、更快地創(chuàng)新
仿真進化推動工業(yè)革命
我們希望仿真領域的變革能夠推動工業(yè)革命的發(fā)展，幫助企業(yè)進行創(chuàng)新。在這個變革的時代，制造卓越產(chǎn)品的要求正在推動大規(guī)模定制，并要求大大縮短開發(fā)周期，現(xiàn)在的產(chǎn)品可能只需要少量的定制，未來產(chǎn)品將需要超大規(guī)模的定制，需要針對特殊的用戶進行專門設計。面對這樣的需求，仿真不再是一個優(yōu)勢，而是基本必備的條件，會覆蓋到整個設計流程里面。
以復合材料為例，加工制造是用增材制造（俗稱3D打�。┻�是傳統(tǒng)方式，有很多需要研究，因為它的應用場景不一樣，對性能的要求就不一樣，我們希望針對不同應用場景專門進行設計，達到更好的付出和收益比，針對復合材料，ANSYS平臺可以從成型、注入、固化，結(jié)構分析等進行全方位，多尺度的仿真。
圖9 示例：復合材料制造中的3D物理仿真
大數(shù)據(jù)是一個非常熱的話題，ANSYS現(xiàn)在正在做的一個產(chǎn)品叫做SeaScape，將大數(shù)據(jù)和仿真的力量結(jié)合在一起，用于IC的設計分析和優(yōu)化，可以十倍地降低周轉(zhuǎn)時間，對整個晶圓進行優(yōu)化，進一步降低生產(chǎn)的成本。
圖10 大數(shù)據(jù)和仿真的力量結(jié)合
數(shù)字雙胞胎將是一個非常重要的概念，數(shù)字雙胞胎的基本原理是現(xiàn)實世界里面的物理原型，希望在虛擬世界里面有一個虛擬原型，就像漫畫里面經(jīng)常說的平行宇宙一樣，存在于另外一個空間，它是虛擬的，但是可以通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，通過云，與實際產(chǎn)品相互交互數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)更好的分析與洞察，GE在這方面走在了時代的前列，他們把整個業(yè)務的重點放到了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域，這是未來重要的技術方向。
利用數(shù)字雙胞胎如何改變設計呢？傳統(tǒng)機械智能化后就能夠獲取很多數(shù)據(jù)，主要是通過部署在上面的傳感器，傳感器得到這些數(shù)據(jù)可以傳送到IoT平臺，一旦發(fā)現(xiàn)有異常情況，會把數(shù)據(jù)反饋給數(shù)字雙胞胎，在仿真環(huán)境里進行一些虛擬試驗，仿真結(jié)果反饋給IoT平臺，然后再推送給智能機械告訴它下一步應該進行什么樣的操作。
圖11 ANSYS仿真平臺用于開發(fā)和操作智能與連接產(chǎn)品
GE的Predix平臺就是與ANSYS合作，這是一種基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云的平臺，它將每一個設備當前的狀態(tài)進行建模，進行基于物理的分析，使它存在于虛擬的環(huán)境里，需要的時候就可以從虛擬環(huán)境里面調(diào)出存在云端的數(shù)字雙胞胎。數(shù)字雙胞胎的實際應用從設計角度看，這是虛擬的；從運行角度看，它們之間是通過傳感器和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互和互連，進而提供運行決策和設計決策。
圖12 數(shù)字雙胞胎的實際應用
圖13所示為GE、PTC和ANSYS聯(lián)合做的一個Pump數(shù)字雙胞胎案例模型。PTC的ThingWorks工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺主要承擔大數(shù)據(jù)分析，歷史，出發(fā)，安全，互連等工作，ANSYS軟件可以提供三維物理場模型與軟件操作界面模擬，包含從系統(tǒng)到部件，從硬件到軟件完整的數(shù)字雙胞胎，在現(xiàn)實環(huán)境里面就是真實的Pump產(chǎn)品，上面集成了很多傳感器，它們之間可以通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)據(jù)交互和互聯(lián)。數(shù)字雙胞胎的存在可以更好地洞察產(chǎn)品性能，為下一代設計奠定了很好的基礎。
圖13 PUMP案例
可以說仿真是幫助我們將“絕妙點子”轉(zhuǎn)化為“偉大產(chǎn)品”的重要手段，企業(yè)有許多聰明且積極的人才，這些人才能夠想出許多絕妙的點子，我們希望這些絕妙的點子可以變成創(chuàng)新性的產(chǎn)品和服務。在實際產(chǎn)品生產(chǎn)之前，仿真可以在虛擬世界中將想法培育并發(fā)展成熟，如果沒有仿真手段，有的想法將因為太困難或太昂貴而難以進行探索，擁有了仿真，意味著可以在概念階段就可以全方位徹底地探索好的想法。
本文根據(jù)ANSYS北區(qū)技術經(jīng)理袁勇先生在第十二屆中國制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國際峰會的演講內(nèi)容整理而成。已經(jīng)本人確認。
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本文標題：仿真進化推動工業(yè)革命
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