工业4.0 | 仿真实现连接数字主线的四大途径

本文原刊登于哈佛商业评论：《Four Ways to Connect Digital Threads with Simulation and Realize the Promise of Industry 4.0》

数据，犹如推动第一次工业革命的蒸汽动力，以及第二次工业革命的电气网络。当下的数据便是最新演进趋势，掀起了由计算机技术催生的数字化革命。

工业4.0的概念在诞生十年后的今天，各类制造商几近淹没在工业物联网（IIoT）、信息物理系统（CPS）和人工智能（AI）等输入输出的数据中。

在制造业的新时期要想成为赢家，就必须能够连接正确的数字主线，加快产品上市进程，避免停工，迅速响应供应链突发状况，解决可持续发展问题。

仿真是在双向通信网络中连接这些节点的关键。有助于充分运用工业4.0获得四大优势：加快产品上市进程、减少制造停工时间、及时充分发挥增材制造的优势，并支持可持续发展举措。

在产品设计与开发过程中，仿真可帮助工程人员在虚拟环境下以数字化方式测试不同环境、不同运行条件如何影响部件、子装配体或完整系统，无需投入时间和资金构建、测试多种实体原型。仿真几乎可以支持任何虚拟环境下的产品功能表现，有助于在设计流程之初发现和减少潜在故障，降低成本。

仅数字化原型开发这一项优势就能显著加速产品开发流程，如果制造商再结合使用设计优化软件，便能够进一步加快产品上市进程。该软件运用先进算法自动运行各种仿真场景，针对给定参数集建议最佳设计方向，帮助制造商在竞争中超越对手。而且一旦通过云端与高性能计算结合使用（HPC），还可提升复杂仿真与优化的速度。

与传统产品设计开发方法相比，集成化的仿真驱动设计流程可节省数月时间。

舍弗勒集团开发出一款高效灵活的工具，支持产品设计师和工程师对任何电机设计概念运用相同的优化工作流程，几分钟内即可取得结果。在舍弗勒集团从事电机仿真与方法研究工作的Pierre Millithaler表示：“再也不必花50个小时使用有限元分析仿真100个样本，这种基于元模型的优化只要几分钟就能仿真10,000个样本。”

在设计流程中尽早开展仿真并利用车间生成的智能制造数据，企业就能连接数字主线。IIoT传感器已在各类型的工业应用中获得不同程度的应用，针对可能影响生产工作的产品和流程生成海量实时数据。所有这些数据均可直接馈入数字孪生，这是一种以特定频率和保真度与实体或流程同步的虚拟模型。

数字孪生不止是真实资产的数字版本。它也是运营中真实资产的联网虚拟**品，通过集成多域系统仿真，再现真实资产的生命周期与体验。

制造商借助数字孪生，可以构建、验证和部署真实系统的完整虚拟原型，从而预测停工现象，有助于管控产能下降、劳动力浪费和库存枯竭引起的运营成本。仿真结果为设计真实资产提供信息，同时来自实体资产的真实数据可以馈送给数字孪生，据以开展更深入的仿真。

即便遭遇供应链突发状况，企业也能利用数字孪生优化制造性能。在新冠疫情暴发初期，有些产品需求陡降而某些产品需求剧增，需要重组以及重新配置生产环境。

Ansys研发部门高级总监Sameer Kher指出：“企业可以开展 ‘假设条件’分析与仿真，管理负载平衡，以最小风险增产，从而缓解某些此类的供应链突变挑战。” 他总结说：“罗克韦尔自动化和Ansys正合作开发针对工业客户的相关数字孪生技术与应用，以应对此类挑战。”

增材制造提供了另一种快速应对动荡的方法。当需要制作临时替代件，按需制造部件以最大程度减少仓储和货运，或设计通过传统制造难以或无法生产的产品时，制造商可以借助仿真实现增材制造。

Predator Cycling近期使用具备拓扑优化功能（根据载荷状况优化材料布局的算法方法）的仿真软件，设计出据称是市面上最高效、最耐久、最易使用的水壶架。

Predator Cycling首席设计工程师Aram Goganian表示：“我们早就有开发能完美契合3D打印工艺的水壶架的构想，但在我们接触Discovery之前，对此类问题一直是一筹莫展。” 使用Ansys Discovery，Goganian开发出一种既便于收纳水壶，也符合自身独特的重量、灵活性和耐久度要求的水壶架。

航空航天产品制造商Relativity Space也寻求通过仿真为金属增材制造探索新解决方案。Relativity Space联合创始人兼首席技术官Jordan Noone指出：“我们正利用增材制造技术来创建全球最大规模的3D打印机。我们要用这部打印机3D打印一个火箭。借助Ansys简化的增材制造解决方案，我们的设计迭代速度加快了10倍，部件数量减少了100倍。我们正在应用诸多前人眼中认为是天方夜谭的方法开展创新。”

让数字化的优势不仅局限于企业内部，贯穿产品的生命周期，是制造商面临的一项重大挑战。气候目标正在让可持续发展挑战成为企业的首要任务和许多工程设计原始草图的主题。

仿真正在助力制造商研发聚焦可持续发展的新产品，如碳捕捉技术、潮汐能发电机和更优质的电池。企业也在运用仿真理解如何重新设计现有产品以减少碳足迹，这包括了他们制造产品的方式和产品在其生命周期中所形成的能耗。

运用仿真支持可持续发展在航空航天领域和汽车领域卓有成效。在这两个领域，轻量级材料意味着可减少燃料耗用或延长电池续航里程。

为满足重量要求，蒂森克虏伯普利斯坦工程师需要在不影响助力转向单元结构完整性的情况下，为其减重。使用Ansys仿真软件后，蒂森克虏伯普利斯坦在原始金属部件的基础上减重50%，同时也满足了全部机械性能和原始设备制造商（OEM）要求。

创新性的轻量化产品外壳也符合蒂森克虏伯普利斯坦的生态与经济目标，并巩固其汽车转向系统领先供应商的地位。使用与仿真设计软件集成的材料智能软件，更多的制造商能快速评估材料，做出材料决策。

要完全实现工业4.0的优势，制造商需要采集、理解数据，以便通过日益自动化的AI以及分布化的流程运用数据来优化生产。仿真技术有助于制造商可视化数据定义、在信息物理系统（CPS）间共享数据、利用数据进行持续改进，充分实现数据智能带来的价值。

在贯穿企业各方面的数字主线中集成仿真，可成倍增长其效益，帮助制造商借助其数据洞悉未来，在瞬变万千的市场中把握先机。