第三只眼睛看仿真

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仿真作为工业产品研发制造中必不可少的技术，已经被世界上众多企业广泛应用到工业各个领域中，是推动工业技术快速发展的核心技术知识，在产品优化和创新活动中扮演不可或缺的角色。

经过多年的发展，仿真技术和软件越来越丰富，各种类型的仿真层出不穷。对我这种具有分类强迫症的技术洁癖来说，分明是一种“挑衅”。其实，如果要真正理解现代工业仿真，还真需要把看似纷杂的仿真软件做了理清。

传统上，我们看到有多种分类仿真的方案，有人从技术类型上来分，有人从应用对象来分。但我主张用第三只眼睛——正向设计的视角看仿真，我认为从正向设计模型出发来解读才能真正触及到仿真的本质及价值。下文将以不同以往的视角综述现代工业仿真，从正向设计模型出发来审视仿真的所在及价值，把看似纷杂的仿真软件做了理清，了解了仿真该有的所有类型，并解释了为什么会有这么多仿真类型。

仿真是正向设计的核心

系统工程是被世界先进企业广泛采用的复杂产品的研发方法与理论体系，而正向设计是系统工程理论的核心。应用系统工程理论对产品设计过程进行分解和展开，形成V字流程，如下图（左）所示。

基于V模型的正向设计和逆向工程

理想的产品设计过程的起点是涉众需求，经过需求定义、功能分解、系统综合、物理设计、工艺设计、产品试制、部件验证、系统集成、系统验证和系统确认等阶段，最后完成产品的验收。V模型的右边部分既是产品交付，又是对左边相应部分的验证。如果验证出现问题，会回到左边相应流程进行修正。这个过程称为“正向设计”，而上图（左）则是正向设计模型。该模型有两个特点：1）是个标准的对称模型；2）设计的入手点很高。

但通常来说，企业发展历程都会经历一个逆向工程过程。产品设计起始点不是涉众需求，而是从V模型中间某个点开始，如上图（右）所示。“物理设计”是中国企业的常见起点，本阶段仿照已经存在的产品，完成图纸绘制，进入试制和验证各阶段，完成产品交付或推向市场。V模型的右边出现问题时，由于没有左边可对应，所以只能回溯到前一阶段查询和解决问题。当回溯到物理设计阶段仍然解决不了问题时，那就成为永远的问题。清醒的企业会有意识地研究物理设计之前的各个过程，以图追溯和还原仿制对象的本源，当然，这样只能还原部分本源。以上的过程我们称为“逆向工程”，图（右）则是逆向工程模型。相对正向设计，逆向工程模型也有两个特点：

1）不对称的残缺模型；

2）设计入手点比较低。

逆向工程是一个跟踪仿制的模型，由于缺少需求、架构和系统设计三个重要的子过程，所以很难对产品进行大幅度创新。因此，只有正向设计体系才为我们提供架构性和颠覆性创新，最高超的仿制也只能产生最好的二流产品。

依据产品设计的起点可以评判一家企业的设计能力。从V模型的哪个阶段入手设计产品，基本可以断定该企业的设计能力就是这个起点所对应的能级。这样，可以把企业设计能级（成熟度）分为五级：仿制级、逆向级、系统级、正向级和自由级。

为了保证V左半边的四个设计过程结果正确，需要引入五个小V循环，分别是需求确认、功能确认、系统确认、物理确认和制造确认。由于在设计过程中，实物并没有被制造出来，所以，在数字化仿真技术出现之前，这种确认只能用实物的替代品来实现，确认难度非常大，效果也很不理想。自从仿真技术出现后，可以通过计算、分析、模拟或仿真等手段对设计进行确认和优化，如下图所示。

产品研发的完整过程

这样最终确定的研发体系是由多个V嵌套的模型（确切地讲是六个V），姑且称为“多V模型”。整体来看，多V模型的最左侧是设计过程，最右侧是试验与验证过程，最底层是试制过程，中间则是一系列仿真过程。

仿真处于产品设计体系核心位置

如上图所示，在正向设计多V模型中，仿真的位置预示着它是正向设计的核心，事实上也的确如此。仿真是产品得以正向设计的保障，或者说，没有仿真，正向设计无从谈起，至少无法顺利进行。设计在任何一个阶段都应该验证后才往下进行，否则后期的返工带来的成本和周期难以承受。对设计的最终验证是物理试验，但在设计前期产品尚未成形，根本无法做物理试验，有时候可以用替代品做一定程度的验证，但往往无法达到目的。所以，在计算机中的虚拟验证就变得无比重要，仿真就是在计算机中做虚拟试验的过程。

仿真是对设计各阶段的结果进行验证

所谓仿真，是利用虚拟模型替代真实世界的物理模型，在计算机中对真实世界进行模拟，从而以较低的成本和较短的时间，获得对真实世界更为完整和全面的理解。

仿真可以用于透视产品特性，看到产品的运行本质和规律，预测产品性能，譬如刚度、强度和疲劳寿命。采用仿真技术可以快速进行虚拟试验，大量减少实物试验次数。与实物试验相比，仿真能看到实物试验看不到的数据，提前发现缺陷，预测运行期间的故障以及引起故障的原因。同时仿真具有低成本和高效率的特点，所以可以做遍历仿真，发现新方案，验证各种创新思路的可行性。

仿真最基本的作用就是对设计各阶段的结果进行验证。设计过程具有需求定义、功能分解、系统综合、物理设计和工艺设计等过程，对每一个设计子过程都有相应的仿真验证手段，所以，仿真可以分为以下五个大类：指标分析、功能分析、系统分析、物理仿真和制造仿真。

仿真分为系统仿真和实物仿真

习惯上，人们把需求分析、功能分析和系统分析统称为系统仿真，把物理仿真与制造仿真统称为实物仿真。系统仿真的模拟对象是系统架构，属于抽象模型，而物理仿真和制造仿真的模拟对象是产品实体，属于实物模型。因此，系统仿真往往用于在概念阶段确认产品的总体架构，实物仿真通常用来确认物理产品的初步设计、详细设计、工艺设计和制造过程

系统仿真

到了物理设计阶段，产品的形态已经比较具体，所以仿真的类型开始丰富。根据分析的目的不同，将实物仿真分为单场仿真、多场仿真、多体仿真和虚拟现实，制造仿真分为工艺仿真、干涉检查、装备仿真、机构仿真等。根据物理场的不同，分为结构场仿真、流场仿真、电磁场仿真等。根据分析对象的不同，分为结机械仿真、流体仿真、电气仿真、电子仿真、液压仿真等。根据计算方法、模型处理方法还有更多的分类方法，此处不再赘述。

实物仿真

仿真技术的常规化应用

仿真是利用数字化手段对真实物理世界的模拟，在计算机中透视真实世界的各种现象，这种透视在物理世界往往成本高、难度大甚至做不到。

越来越多的企业已经充分理解仿真对创新设计能力提升的重要性。在汽车、航空、航天、船舶等工业领域的大量工程运用实践，验证了其适用性和准确性。仿真技术成为企业产品转型、研发创新和技术突破的最基本手段。

仿真技术产生之初主要为产品设计服务，用于对产品特性进行预测或确认。随着技术和应用的发展，仿真技术逐步拓展到制造模拟和试验模拟。当前，仿真应用比较集中在三个方面：产品仿真、工艺（制造）仿真和试验仿真（或称虚拟试验），分别是应用于产品生命周期的三个主要阶段：产品设计、产品制造和试验验证。

仿真应用比较集中的三个方面

1、产品仿真

产品仿真是产品研发设计过程中的主要仿真类型，它使产品研发模式从过去试验驱动模式转变为仿真驱动模式。下图的下半部分展示了曾经的试验驱动模式。这种模式的特点是串行，仿真是在试验之后进行分析确认。这种模式下，仿真的作用很小，处于辅助地位。串行模式在产品周期和成本方面都具有较大风险。

仿真驱动研发的过程

上图上半部分展示了仿真驱动的研发模式。在概念设计之后，建立虚拟样机，利用仿真手段进行大量的循环迭代，对各种可能的工况和参数进行模拟试验，获得确认后再进行详细设计、物理样机试验和产品投产。这种模式下，仿真是研发最重要的工具，对研发成本的节约和周期的缩短作用巨大。

2、工艺仿真

目前，仿真已经在工艺设计中广为应用。下图反映了工艺设计引入仿真前后的差别。在引入仿真技术之前，工艺设计的特点是利用大量实物试验确认工艺的可行性。而在引入仿真技术之后，工艺方案通过仿真手段进行确认和优化，形成最优方案后进行实物试验确认。通常仿真确认和优化后，只需要经过很少的实物试验即可形成最终方案，在成本和周期方面具有巨大效益。

工艺仿真驱动工艺设计

常见的工艺仿真包括铸造、体成型、板成型和热处理等的仿真。

3、试验仿真

即使产品仿真和工艺仿真可以在计算机中对产品和工艺进行虚拟运行，确认了产品和工艺的可行��和合理性，但在实践中仍然需要进行实物试验，作为一种最终确认，通常也是国家和行业的规范要求。此处的虚拟试验特指用仿真方法对试验过程进行模拟，以提高试验策划、方案设计及试验执行的效率，对试验结果的解读也大有裨益。这种以数字化技术改进实物试验的方法，将过去纯粹的实物试验方法升级为虚实结合的验证方法，是试验和测试技术发展的必然趋势。下展示了常见的虚拟试验。