前沿科技：什么是仿真驱动设计？

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：CAE软件的发展可以追溯到上世纪50年代末和60年代初。最早的CAE软件主要用于工程结构的静力学分析，通过数值计算方法解决了复杂结构的计算问题。在上世纪70年代和80年代，CAE软件开始支持多物理场耦合分析，如热力学、电磁学和流体力学等。同时，也出现了更多专业领域的CAE软件，包括有限元分析软件、计算流体力学软件和电磁场分析软件等。

CAE技术面临的问题

1.CAE软件的易用性

2.CAE知识的积累与传承

3.研发组织架构如何支持仿真驱动设计

4.对仿真分析结果的评价

5.仿真流程的规范化与自动化

仿真驱动设计

“用户可以在短短几个小时内得到可靠的结果”

“仿真分析师和设计师均可以更快、更轻松地执行“假设分析”，非常重要的是能够及早执行该分析，从而促进合作并缩短产品上市时间”

目前主流的数字化样机结构仿真软件都是基于有限元分析的理论。在传统有限元仿真分析中，最关键的环节就是要建立合理的有限元模型，模型中的网格质量和数量直接决定了结果精度的高低以及计算运行时间的长短。针对具体的分析对象，要建立符合实际情况且规模适当的有限元模型需综合考虑设备的结构设计、传力路径、工况条件、材料性质等多个方面，所花费的时间较长，一般会占据整个有限元分析过程的70%左右。因此，如何通过提高前处理的效率实现结构快速仿真，是缩短整个结构仿真周期的关键，也是目前工程领域迫切解决的问题。

concept Design/Detailed Design

Prototype/Evaluation

Start of mass production/Mass production

仿真驱动设计或称仿真驱动(赋能)研发(产品）是基于产品研制过程的时间跨度会较长，一般会经历方案论证、初步设计、详细设计、试验验证等过程。在产品设计方案的不断细化与迭代过程中，一般会开展多轮次的仿真分析，确保在设计阶段就对设备的各项性能进行充分验证。但是，传统的有限元分析方法需要花费大量的时间精力建立合适的有限元模型，一旦设计方案发生了变动，就需要进行重新建模，造成人力、物力以及时间的极大浪费。在产品研制初期，是设计方案迭代频率最快、次数最多的阶段，仿真分析耗费过长时间势必会影响整个产品的研制进展。

通过早期的快速仿真迭代驱动结构设计的不断优化改进，这个阶段不必过分拘泥于仿真结果的高精度要求，快速获取的仿真结果可以对设计的合理性进行验证，同时对产品的结构性能进行初步评估即可。因此，在方案尚未收敛、结构存在颠覆性变化、设计需要不断更新细化的产品研制初期，需要比传统的有限元仿真方法更为节省时间的结构快速仿真技术，利用更快更短的分析流程，加速设计方案的迭代优化，有效提高产品的研制效率，同时降低人力物力成本。

结构快速仿真技术

“在企业中往往有两种极端思维：一种是认为仿真无所不能，应该尽量多地用仿真来指导设计；另一种是认为仿真就是锦上添花，在确定设计方案后做一定的确认即可，有些企业甚至把仿真作为展示或做秀之用”

产品设计一般划分为以下几个阶段：方案论证阶段、概念设计阶段、技术设计阶段、试验验证阶段等，仿真在不同阶段的用途不同

方案论证阶段—利用仿真进行快速论证。此时追求仿真的快速，不追求精确；
概念设计阶段—利用仿真进行方案快速验证。系统仿真和多学科仿真是主要手段；
技术设计阶段—利用仿真完成关键设计参数的优化与确定。此处实物仿真是重点；
试验验证阶段—尽管仿真的目的是替代试验，但在实践中必要的试验还需要保留，特别是某些行业规范要求如此。利用仿真帮助规划试验方案，准确定位测试点，减少试错，精益地获得数据，用较少的次数达到试验目的，提升试验效率。

北京迈达斯技术有限公司自2002年成立至今，一直致力于有限元软件在速度、精度、易用度上，针对不同领域在专业性上不断开拓创新。