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正向方案设计四步法
时间:2016-12-20  作者:模具联盟网  点击:  评论:  字体:T|T
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    2016年12月1-2日,为期两天的2016年(第十二届)产品创新数字化国际峰会在长沙圆满闭幕。本届峰会以“智能制造时代的产品创新变革”为主题,由中国电子学会、中国机械工程学会、湖南省经济和信息化委员会指导,e-works数字化企业网、长沙智能制造研究总院主办,湖南省电子学会、湖南省机械工业协会、湖南省机械工程学会、中国汽车工程学会车身技术分会、湖南省软件行业协会协办。会上,北京安怀信科技股份有限公司总经理李焕先生发表了主题为《正向方案设计四步法》的演讲。本文根据演讲内容整理而成。yq8模具联盟网

 图1 北京安怀信科技股份有限公司总经理李焕yq8模具联盟网

图1 北京安怀信科技股份有限公司总经理李焕yq8模具联盟网

正向设计定义及四步法yq8模具联盟网

    中国是一个制造大国,很多时候是从逆向设计开始做起,那么逆向怎么能变成正向?最大的区别是什么?yq8模具联盟网

    代加工经济(逆向设计):面对成熟设计方案。包含客户需求、可制造性、可装配性、可靠性、成本设计、性能满足。企业仅需考虑3D测绘,采购加工工具,完成制造加工。yq8模具联盟网

    而智能制造(正向设计)面对的是直接客户的抽象需求:如功能、成本、外形等,企业必须全部考虑设计方案、设计性能、设计可制造性、可装配性、可靠性、加工成本、可维护性等。yq8模具联盟网

    那么我们如何从逆向设计转向正向设计?需要哪些辅助条件呢?第一,工具。这里的工具不是设计工具或仿真工具,而是为正向设计准备的集成化工具,即搭建正向设计的流程和环境。第二,数据。第三,环境。yq8模具联盟网

图2 逆向工程迈向智能制造(正向设计)的GAPyq8模具联盟网

图2 逆向工程迈向智能制造(正向设计)的GAPyq8模具联盟网

    按照四步法来讲,正向设计流程从需求收集,到概念设计,详细设计,再到制造系统。很多企业比较重视生产或者实物设计的流程,我们一直比较重视方案设计,就是产品从无到有的前期过程。所以从过程来说,我们可以把正向设计分为研发阶段和制造阶段。在真实物理样机出来前(也称为虚拟样机阶段/前沿工程阶段)的过程为正向研发过程。yq8模具联盟网

    正向设计的主导流程,从1960年代的串行设计,逐步过渡到1980年代的并行工程。并行工程简单归纳,就是多重落选迭代研发方式,即产品在概念设计、详细设计、真实生产销售维护三大过程中,都提前考虑了设计、制造、装配、测试、销售、维护等一系列问题。yq8模具联盟网

图3 正向设计流程yq8模具联盟网

图3 正向设计流程yq8模具联盟网

    设计师团队最早就是一个建模团队,正向设计理念实施后就不是了。首先要吸取客户的需求,把不同地区,不同层级的客户需求收集起来,按正向排序,然后变成你的产品整体指标,系统指标。如汽车就是一个典型的案例,高端客户和入门级客户的需求是不一样的,如果你按照一个高端客户的需求给入门级客户设计车的话,最后不会有人买你的账。有需求之后就有指标了,这时设计团队开始建模,建模后还要考虑性能的问题,也就是仿真的问题,仿真结果不够准确永远做不到仿真驱动设计,仿真工作重点就是要得到经过实验修正后准确的仿真模型。最后还要考虑制造性能、成本、可靠性、可检测性等等。yq8模具联盟网

图4 正向研发和正向制造yq8模具联盟网

图4 正向研发和正向制造yq8模具联盟网

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    正向设计研发企业,必须在产品研发过程中,逐步形成以下各个数据库内容,才能清晰定义下一代产品的竞争性,如:yq8模具联盟网

  •     不同区域、不同性质客户的需求列表及重要度排序;
  •     主要对手产品竞争性评分列表;
  •     产品系统级技术特性列表;
  •     产品各层级各分系统选型列表及技术特性列表;
  •     产品系统级:需求/技术特性相关度数据库;
  •     产品系统级:技术特性自相关度数据库;
  •     产品上级系统技术特性/下级系统技术特性相关度数据库;

    产品建模相关技术yq8模具联盟网

    目前,对多数企业而言,有限元分析模型都是在产品的细设计完成之后,针对某种特定产品简化完成的,在设计进行修改或变更时,有限元模型很难得到重复利用,需要重新进行有限元建模及进行进行工况求解等设置。而由于有限元建模在整个有限元分析工作量中占70%~80%左右,因此,如何快速、准确、高质量地进行自动化进行参数化有限元建模,一直是有限元建模的研究方向。yq8模具联盟网

    为用户提供参数化CAE模型库建模的方式和咨询服务,并基于用户已有的有限元分析建模软件和分析要求,开发符合企业分析要求的自动化仿真分析流程模板和参数化CAE模型库系统平台,使用户在无需打开CAD设计软件的情况下,通过修改系统界面设计参数即可自动变更或生成CAE前处理几何模型,并定义好的仿真分析流程模板自动生成相应的包含求解设置和工况条件的有限元网格模型。yq8模具联盟网

    三维参数化CAE模型库可以给客户带来价值如下:yq8模具联盟网

  •     提高有限元分析效率:用户可基于参数化模型库中的参数化模型,通过参数变更即可快速生成相应的有限元仿真分析前处理几何模型,并基于定义好的仿真分析流程模板快速生成包含求解设置和工况条件的有限元网格模型,极大提高有限元建模效率;
  •     保证有限元仿真分析精度:CAE参数化模型库集成了企业内部仿真部门经过验证的的规范和经验,其保证不同分析工程师得到的仿真结果是一样的,保证了仿真分析的精度;
  •     提高有限元模型的重用性:参数化CAE模型库的仿真流程模板基于抽象模型(虚拟模型)创建,可适用于不同的前处理几何模型,提高了CAE模型的重用性;
  •     加快市场响应速度:对于快速投标项目,三维参数化CAE模型库可在原分析三分之一左右的时间内可完成相应产品的仿真分析,占得投标先机;
  •     提高仿真部分在企业内部的地位:通过参数化模型库的建立,加快了仿真分析的效率和精度,提高了仿真部分在企业中的地位和作用。

    产品仿真性能满足相关技术yq8模具联盟网

    重点介绍一下仿真性能相关的技术:第一,多学科联合仿真;第二,多目标优化;第三,V&V仿真验证与确认技术;第四,产品虚拟样机库建立与管理技术。着重介绍第三点和第四点。yq8模具联盟网

    世界两大有限元组织,ASME(美国机械工程师协会)和NAFEMS(国际有限元工程师协会)共同做出的对V&V全流程的定义:V&V流程包括真实物理简化、仿真、试验、比较验证四个部分,Verification验证发生在仿真过程内部,Validation确认发生在试验和仿真结果之间。yq8模具联盟网

图8 V&V流程yq8模具联盟网

图8 V&V流程yq8模具联盟网

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    V&V面向的领域主要有一维数学模型,结构静/动力,流体/气动/热,电/磁/声/光四大领域。以静力学为例,V&V工具包括:yq8模具联盟网

  •     MOC工具-模型自检工具:创建一个可以自动化仿真的CAE模板,便于后期V&V过程的自动验证和修正。
  •     SEC工具-网格验证工具:进行网格验证,获得离散误差可控的最佳网格并输出网格模型。
  •     DEC工具-求解器验证工具:同一模型比较多个求解器结果,判断求解器误差;模型选择的求解器,与标准解析解比较,判断并消除求解器误差。
  •     Virtual Test-虚拟实验工具:利用仿真工具建立与实验现场完全一致的环境,最大程度消除试验误差。
  •     Test Design-试验设计工具:利用仿真后处理结果,辅助生成最有效的试验设计方案。
  •     CAST工具-模型一致性检查:比较仿真和试验数据结果,判断模型理想化假设误差。
  •     PSA工具-参数灵敏度分析工具:对影响仿真结果的参数进行敏感度分析,找出最大敏感性参数进行修正。
  •     Updating工具-模型修正工具:修正模型以拟合试验结果。
  •     UQ-仿真结果不确定性量化工具。

    Updating模块修正后的模型,仿真结果与试验结果误差分布概率结果明显得到改进。根据灵敏度分析结果,对模型参数进行修改验证,修改后仿真模型,15%的测点误差小于5%,65%的测点误差小于10%,约83%的测点误差小于15%,最大误差为22.71%。yq8模具联盟网

图9 模型修正yq8模具联盟网

图9 模型修正yq8模具联盟网

    做正向设计,一定要有自己产品性能的数据库,要把产品从上到下,从底层系统级到分系统,一直到零部件,甚至一直到材料,装配关系,约束,载荷全部要得到相关的验证,这样才有产品完整的数据库,这是研究的重点。yq8模具联盟网

    针对动力学验证我们也有一些工具,从动力学实验,噪声,振动,到实验数据的可视化,再到动力学性能优化,还包括用外部导入的方法做修正。yq8模具联盟网

图10 动力学验模功能模块yq8模具联盟网

图10 动力学验模功能模块yq8模具联盟网

图11 产品虚拟样机库建立过程yq8模具联盟网

图11 产品虚拟样机库建立过程yq8模具联盟网

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    以我们自己开发的C-SDM产品为例,我们有任务管理,流程管理,数据管理和工具集成,工具和管理是分开的。yq8模具联盟网

  •     V&V任务管理:V&V主管任务管理;V&V工程师任务管理。
  •     V&V流程管理:V&V工作流程管理;模型、模板、规范发布流程管理。
  •     V&V数据管理:模型数据管理;模板数据管理;规范及文档数据管理。
  •     V&V工具集成:Verification工具;Validation工具;不确定性分析工具。

    C-sdm可以从不同层级、不同学科、不同建模工具、不同置信度、不同人员视角来管理产品的所有性能虚拟样机,并方便用于新方案设计。yq8模具联盟网

    产品DFX要求满足相关技术yq8模具联盟网

    DFX技术主要包括:DFM---基于制造的设计、DFA---基于装配的设计、DFC---基于成本的设计、DFR---基于可靠性的设计、DFT---基于可检测性的设计、DFMa---基于可维护性的设计。即六性:制造,装配,成本,可靠性,可检测性,可维护性;DFM Pro可检查的加工类型规则包有注塑,装配,公差,钣金,铸造,弯管,机加,焊接,3D打印。从软件操作来说,操作非常简单,一键式操作。yq8模具联盟网

  •     步骤1:打开模型,选择检查的规则包,一键检查,列出DFX错误列表。
  •     步骤2:点击错误列表,相应错误位置高亮显示。
  •     步骤3:跳出Dashboard面板,给出错误方式、错误数据及规范建议。

    当然后面的过程稍微繁琐一点,但是用起来非常容易。而且DFX并行工程很有价值,会给企业带来30%到50%的价值,包括周期,成本,质量提升。yq8模具联盟网

图12 DFX并行工程对设计周期的明显改进yq8模具联盟网

图12 DFX并行工程对设计周期的明显改进yq8模具联盟网

    前台很容易操作,而后台就要做规则库,软件里已有200多条通用规则,但是到企业实施时还有企业实际加工能力的添加,可以用制造部门来收集和整理DFX规则,形成各种规则库,设计部门可以通过PDM系统将这些规则下载到你的设计界面,可以直接去使用它,然后检查你的设计模型。这个规则库一旦搭建起来,对企业来说价值非常大。yq8模具联盟网

图13 DFX规则库的添加和使用yq8模具联盟网

图13 DFX规则库的添加和使用yq8模具联盟网

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    DFX知识库平台搭建价值:yq8模具联盟网

  •     防止DFX知识流失

    员工是企业最大的人力资本,也是“知识资本”或“智力资本”。DFX知识作为一种无形资产和源泉,其知识和经验都存储在制造、运维、测试、成本专家的大脑里,如果不及时加以保留和保存,一旦人员流动或变化,企业将承担知识流失风险和高额人力资源成本。建立DFX知识库就是要防止知识的流失,降低这种风险和成本。yq8模具联盟网

  •     实现DFX知识共享

    DFX是协作/并行/妥协的工程知识,很难通过某一个专家将这件事情做好。DFX知识库平台可以将分散于个人、部门的知识经验等进行统一管理,并利用计算机联网和检索技术,便于员工获得所需的知识资源,保证适当的人在适当的时间找到适当的信息。从而改变散乱的知识管理方式,大大利用现有资源,参考以往项目经验,减少重复劳动,最终提升设计员工个人在工作、决策、问题定义和解决等方面的能力。yq8模具联盟网

  •     增强产品竞争能力

    DFX知识库平台首先促使企业内知识得到有效的存储、利用、沉淀,然后才是创新和共享,通过DFX知识、经验的获取和积累能有效提升企业竞争力,并培养企业的创新能力和集体创造能力。yq8模具联盟网

安怀信——正向设计引领者yq8模具联盟网

    历史沿革yq8模具联盟网

    2005年开始,安怀信团队与美国ITI国际技术公司合作,率先在国内进行CPPD(协同产品制造研发)正向研发流程及工具推广,先后完成玉柴、柳工、上海港机等行业顶级企业的咨询服务工作。yq8模具联盟网

    十年以来,先后为航天、兵器、高铁、重机等高端装备制造业搭建了全正向研发流程集成平台,完成最早一批中国自主产品研发环境的搭建,包括中车集团的自主250公里动车的全自主设计平台。yq8模具联盟网

    V&V领域成就yq8模具联盟网

    安怀信公司在国内CAE仿真模型验证V&V研究方面处于绝对领先地位,并自主研发了中国市场上第一款仿真模型验证软件SimV&Ver,并于2013年9月取得软件著作权。yq8模具联盟网

    安怀信公司是美国ASME机械工程师协会V&V分会会员,NAFEMS国际有限元工程师协会V&V分会会员,中国力学学会V&V分会成员单位。yq8模具联盟网

    国内第一个V&V论坛创立者,国内第一个美国V&V规范翻译并发布者,国内第一个V&V微信公众帐号拥有者,国内第一个V&V大师课程的组织者。yq8模具联盟网

    DFX领域成就yq8模具联盟网

    四年来主导实施了航天、航空、高铁等主要总体研究院的DFX平台项目,获得卓越成效,并成为行业内实际DFX规范。yq8模具联盟网

    具备强大开发和咨询团队,致力于完成中国最完整的自主DFX规则库建立。yq8模具联盟网

图14 安怀信正向研发解决方案yq8模具联盟网

图14 安怀信正向研发解决方案yq8模具联盟网

    本文根据北京安怀信科技股份有限公司总经理李焕先生在第十二届中国制造业产品创新数字化国际峰会的演讲内容整理而成。未经本人确认。yq8模具联盟网

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(编辑:梁嘉琪  来源:e-works)

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