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      數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的仿真體系建設③ | 仿真體系建設的要素、原則與關(guān)鍵問題

       電機CAD 2019-07-14

      關(guān)于仿真體系如何綜合地建設,這里需要了解一個更簡化的體系模型。之前,我們在談論仿真的時候,第一步可能想的是我該買什么軟件,我該買什么硬件?但是我覺得這個事應該是第二位的,應該在第二位才考慮選用什么工具。因為我們首先需要分析我們要做什么仿真,這些仿真它用到哪些模型,這些模型會形成什么樣的數(shù)據(jù)?這些模型在整個生命周期里面是怎么演化的?仿真如果要想用的好,精度該怎么提升?這些數(shù)據(jù)該怎么管理?因為從模型變成數(shù)據(jù),這是要一個過程的,而這些數(shù)據(jù)需要好好利用起來,需要做更好的積累。

      第二步是基于這樣的分析,我們再去考慮該選什么樣的工具,每個工具之間是不是能夠連接起來?工具連接起來之后,才能形成一個合力,達到一加一大于二的效果。另外一個要考慮的,就是我們既然用了工具,那是不是應該把它們用得更好?是不是用自動化的方式去替代以前人在大量地做的一些機械性的、重復性的工作?這就是所謂的通過定制化和自動化來提高我們仿真的效率。然后還有一個問題,就是要把硬件跟軟件給調(diào)配好,好馬也得配好鞍。怎么樣用得更好?這個就是你真正的把他們給用起來。

      除了模型數(shù)據(jù)和工具流程,仿真體系還有一個更為重要的因素,就是我們要考慮人的能力,因為最終用軟件生成數(shù)據(jù)的,是各個團隊的工程師,還有工程師的管理者們。我們需要把人才梯隊做一個重要的衡量的指標,什么樣的人做什么樣的仿真,它對人的要求是什么樣的,他的水平是否達到,將來要往上怎么提升,最終形成企業(yè)的仿真人才梯隊,并且這個梯隊的水平是要持續(xù)不斷地提高的。還有一個很重要的就是,我們現(xiàn)在的企業(yè)規(guī)模,不光光是自己要做得比較好,還希望跟其他兄弟單位、上下游進行合作。從仿真層面而言,我們大家將來溝通的語言不再是文檔,而是用仿真模型來進行互動,這是比較理想的一個方式。因為模型里面蘊含了更多的這些信息,而文檔報告已經(jīng)是做了一個切片,只是看到某一個維度。別的人拿到模型,他會發(fā)現(xiàn)更多的東西。這就是我們要進行一個基于仿真的協(xié)作的方式。

      前面從這三個層面的分析了仿真體系建設的要素,最終我們要做的最重要的事情,就是通過這一系列的完善,形成各種各樣的仿真的最佳實踐,這個才是我們企業(yè)真正的財富。企業(yè)的財富不是買的仿真工具,工具放那兒不用,會浪費;也不是說我們積累的大量的模型,模型你不好好利用,也沒有多大的價值。而是把這些充分的去利用起來,形成真正對于我們企業(yè)最有用的,仿真的最佳實踐。對于解決企業(yè)面臨的各種問題,這樣仿真從是最好的,盡管它不一定是最完美的,但一定是當下最好的,而這也是我們ANSYS公司的使命,我們就是希望通過ANSYS提供的無處不在仿真,幫助我們的用戶去設計并交付具有變革意義的產(chǎn)品,這樣就把我們和各位用戶能夠緊密的聯(lián)合起來。

      講完了仿真體系的三要素,其實背后還有一個重要的原則,就是“數(shù)字的連續(xù)性”。我們既然要構(gòu)建數(shù)字化世界,要建立各種各樣的模型,要把他們充分的利用起來,就是希望在產(chǎn)品的整個生命周期,產(chǎn)品的整個設計流程里面,把各種各樣的模型更好地連接起來。這個連接分為三個維度,第一個就是多物理場的連接,就是在不同的物理場之間能夠相互的交互,這是底層做詳細設計的時候,用到最多的。第二個連接就是從部件到系統(tǒng)的連接,我們需要把各學科、各部件的模型跟系統(tǒng)形成多學科的連接。第三個連接就是把虛擬世界跟物理世界連接起來,這就是我們前面提到的Digital Twin的連接這,就是當我們仿真做的很好了,有很完備的數(shù)字樣機的時候,再跟物理世界去做一個關(guān)聯(lián),讓它們之間去相互校驗。因為有的東西是物理世界能夠獲得的容易獲得的,有的是數(shù)字世界擅長做的,把這兩個世界充分結(jié)合起來去相互促進,這才是最佳的效果。

      所以我們構(gòu)建仿真體系有幾個要素:模型數(shù)據(jù)、工具流程、以及人員團隊,還有一個原則就是數(shù)字連續(xù)性。

      1.  仿真體系建設中需要著重應對的幾個問題

      我們在選擇工具的時候,就要分析我們要做哪些仿真場景,需要用到哪些工具,這些工具之間能不能夠聯(lián)系,這是一個基礎,下面就幾個典型的需要連接的場景展開分析。

      a)   部件到系統(tǒng)的多層級仿真

      第一個要連接和連續(xù)的就是部件到系統(tǒng)。如果你一個總體設計單位,你會用到大量的自己做的不同部門的模型,也會用到來自不同供應商的模型,那么他們的模型能不能夠給你用,這是一個很核心的問題。拿一個例子來說,大家現(xiàn)在很關(guān)注電磁兼容,遇到用戶問我們電磁兼容這樣的問題,我們都會覺得這個問題需要好好的做一個研究,因為電磁兼容里面的各種分析,都需要考慮干擾源,需要考慮被干擾的物體,需要考慮它們之間的耦合路徑,這些被稱之為電磁兼容的三要素。對于仿真,這里面最最關(guān)鍵的就是你的干擾源,你的被干擾物體怎么建模,而這就需要模型。假設有一架飛機,里面有各種各樣的部件和系統(tǒng),那如果你要想做整機的電磁兼容,那么你就需要有各種各樣的模型,這些模型從哪兒來,這些模型的表征方式是什么樣,是理想的功能模型,還是特別全面的、全部考慮的帶著誤差等等這些因素的精細模型,還是實驗室實測的數(shù)據(jù)?這些都是值得考量的。如果你是一個部件的供應商,你會可能需要考慮,我的上級單位或者總機廠,他需要我提供什么樣的模型,才能夠讓他把我的產(chǎn)品給用好。因為只有他能用得好,我下次才可能繼續(xù)給他供貨。如果他覺得另外一家給的模型質(zhì)量比你的好,他就會選擇另外一家。這就是很實際的一個考量,不管是站在總體單位,還是站在分系統(tǒng)單位,其實這個之間都是需要來考慮的。部件到系統(tǒng),它們之間是如何連接的?在每一個環(huán)節(jié)里面大家都是共同體,沒有誰是能斷開的,因為你那塊兒做不好,你在上下游之間就是割裂了。

      b)   多物理場耦合仿真

      另一個是多物理場之間的連接。通常在做多物理場仿真的時候,會涉及到很多個部門。假設我是做電設計的工程師,我要跟做熱的部門工程師連接,此外做結(jié)構(gòu)的需要我手頭的這些仿真數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的研發(fā)流程中并沒有把這些人員和數(shù)據(jù)之間連接起來,實際上ANSYS軟件已經(jīng)能做的比較好,熱工程師可以直接把PCB的電磁場模型拿過來做熱的分析,熱的分析之后,結(jié)構(gòu)工程師可以直接可以去做熱應力的形變,在這個形變分析過程里面還能考慮將疲勞等等這些效應考慮進去,這個就是比較完整的仿真。但是說實話,在很多的單位里面,他們之間是很難做到這樣流暢的,工程師不會把這個模型給另一個人,更不用說,如果這是跨地域,跨組織的這樣的一個系統(tǒng),難度也會更大。除了多物理場耦合外,我們在做一些設計的時候,要在很多層面進行一個綜合的考量,因為我們的一些設計參數(shù),并不僅僅對我自己部門有影響,而且對另外一個部門也可能會有影響,那我們兩個部門之間怎么樣能坐下來,一起來大家心平氣和的去討論,你這里怎么樣做一個妥協(xié),我這塊怎么樣做妥協(xié),使得整體性能達到最優(yōu),這個就需要去實現(xiàn)多物理層面的優(yōu)化。它不再是單一部門的事情,而是需要多個部門來協(xié)同。

      c)   多學科聯(lián)合仿真

      還有一個就是多學科之間的一個聯(lián)合,我們需要把軟件、硬件,硬件里面的電、熱、結(jié)構(gòu)很全面地連接起來,形成一個系統(tǒng),這個里面其實跟前面的部件到系統(tǒng)有相近的地方,但也有不一樣的地方,我們從另外一個維度,站在我們整個研發(fā)流程的角度來看,在每個階段會有不同的模型,因為一開始我的模型相對比較理想、也相對簡單,然后逐步地細化,形成了很復雜的物理場的模型,這些模型包含了更多的細節(jié),但這些包含了更多細節(jié)的模型如果要拿過來在系統(tǒng)仿真中用的話,難度其實是很大的,主要包含的這么幾個難度。第一個是知識產(chǎn)權(quán),我這里面隱含了很多很多的設計不愿意給別人看。第二個難度,就是我這個模型很大,包含結(jié)果有幾個GB,你拿過去怎么用呢?特別復雜。如果你要改一下重新算,可能要三五天。除此之外,對系統(tǒng)仿真而言,一個系統(tǒng)里面模型種類特別復雜,有很多很多的不同的建模方式,有的地方是用這樣的標準,有的地方是那樣的標準,它是一個很典型的多學科的問題,我們?nèi)绻谙到y(tǒng)層面要把這些全部結(jié)合起來,如果再加上嵌入式軟件的話,它會更加的復雜,這就要涉及到多學科的聯(lián)合仿真。簡單而言,就是在多學科里面,如果我們需要把生命周期里面不同階段的、不同學科的模型,要真正的能夠聯(lián)合起來,就必須站在多學科系統(tǒng)虛擬集成這個維度去考慮,而不是簡簡單單的說能連起來就行。另外,連起來的同一學科或部件模型,它也會存在不同的保真度。不同的模型,都是對這個物理世界的一個描述。什么樣的階段用什么模型,這是我們要根據(jù)實際情況來進行考量的。我們后面有專題會重點地講多物理場和多學科仿真,詳細講述在這些仿真中如何去把這些模型之間的互通做好。

      d)仿真數(shù)據(jù)與流程管理

      當我們做了大量的仿真之后,就需要軟件工具把這些模型數(shù)據(jù)更好地管理起來,而這些模型之間是在我們設計流程里面的,它有相應的產(chǎn)生過程,每個過程之間的都有一個連接點,那么相應的責任人是誰,這些都需要有效的管理。這也是我們今天這個這場研討會的一個重磅的主角——仿真管理的平臺。后面會有非常詳細的講解,我這里同樣地不展開講了。簡單來說,就是需要在管理的層面,把很多的仿真的事情做得更加的好,體現(xiàn)仿真體系應該有的價值。

      e)   仿真人才梯隊建設

      最后,還有一個事情是值得考量的,就是用仿真的人。你會發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在可能會用的人不少,但是用得好的不多。除了用得好的不多之外,還有大量的還沒有用仿真的人,就是我們數(shù)量龐大的設計工程師。他們目前在做的更多的事情是繪制CAD圖形,而他會把這個圖形交給做仿真的人來分析,因此仿真工程師也被稱為分析工程師。這些分析工程師,他們的壓力會很大,因為一個仿真通常要花費很長的時間。如果這些設計工程師也用上仿真,會不會對整個研發(fā)流程帶來很大的改善呢?因為他們的基數(shù)遠遠比做會熟練掌握仿真的人多得多。所以我們也有需要在這個維度來考量這個事情,這就是ANSYS另外一個叫做Discovery Live的產(chǎn)品在做的事情。

      Discovery Live就是在設計過程中做實時的仿真,只要你畫好模型,立刻出結(jié)果。如果你對模型做一點點修正,它會實時地更新結(jié)果。這類工具的出現(xiàn)是有顛覆性的意義。首先在技術(shù)上的實現(xiàn)了實時的仿真,這里要強調(diào)的一點是,它的出現(xiàn)并不意味著我們要取代傳統(tǒng)的那些強大的仿真求解器。舉個例子,它就像我們現(xiàn)在人人手上都有的手機,用它來拍照,每個人都很容易的掌握,一個小孩兒也能夠拿手機拍張很漂亮的照片。但是如果你要想拍得好,還是得用更專業(yè)的相機,并由更專業(yè)的人來做這個事兒。Discovery Live這個工具就是像這樣,人人都可以用仿真,但是我們做好了之后就還需要有一些過程讓專家去做,這個里面并不意味著是替代,它是一個改善。在傳統(tǒng)流程里面,當設計師做好了模型,要讓專家去仿真,再等等好了再改,改好再等,不停的去循環(huán)這個過程,它迭代次數(shù)是很有限的。因為我們的精力跟時間是很有限的,而有了這樣工具之后,在設計師那邊,他會做快速的很多次的迭代,去篩選出比較理想的模型。這些模型已經(jīng)縮減到比較好的一個狀態(tài)了,再讓那些仿真的專業(yè)人員,去做更好的一個驗證和確認。這樣的事情做完之后,我們的效果會比以前大很多倍,而且達到的一個最終設計產(chǎn)品的創(chuàng)新度也會高很多。因為所有人都在參與這個創(chuàng)新,而不再是那幾個人在做的事情,那省下來的時間去做什么呢?就是讓更好的、更多的人用好仿真,這就是設計仿真專家該做的事情。

      仿真專家的價值并不簡單是對仿真軟件操作的熟練,他更多的是對工程的理解,對仿真本身的理解,他應該把他的經(jīng)驗真正地固化下來,把研發(fā)里面很多很多的流程去優(yōu)化,很多很多的數(shù)據(jù)的價值去挖掘出來,形成各種各樣的APP,我們企業(yè)將來也會需要有這樣的一個APP Store,在這個里面去把做好的仿真變成更多人可以熟練上手使用的APP。我不再擔心我對仿真軟件的操作熟練度,也不用去深究這個邊界是什么意思?這樣的網(wǎng)格剖分究竟意味著什么?我只需要按照仿真專家定制好了這樣的規(guī)范來去做就可以了。這其實才是仿真專家真正應該做的事情,去定制APP、定義流程,去做大量的仿真最佳實踐的積累,而這些積累對于企業(yè)來說意味著更高的價值。

      2.  結(jié)束語

      如果企業(yè)要想面對下一代產(chǎn)品的新挑戰(zhàn),我們就需要真正的把仿真體系里三個重要要素進行全方位地考慮,去考慮應該如何去梳理仿真需求,去選擇每一款工具,把這些工具用好,去做多物理場、多學科的聯(lián)合仿真。而這些仿真是面向整個生命周期的。在工具背后,我們還需要做大量的管理的工作,需要從企業(yè)能力提升的角度去把我們的仿真流程、仿真數(shù)據(jù)、還有仿真各種自動化去真正做好。這就是我們需要有一個比較完善的一個管理平臺和支撐環(huán)境,這是必不可少的。另外,我們需要一個比較良好的部署環(huán)境。最終把這些全部結(jié)合起來,構(gòu)建屬于企業(yè)的仿真體系,去推動企業(yè)的數(shù)字化變革。

      今天,現(xiàn)場來了很多企業(yè)的領(lǐng)導,數(shù)字化轉(zhuǎn)型可能是在座各位的一項工作內(nèi)容,需要各位領(lǐng)導在頂層去做協(xié)調(diào),這是打通仿真體系的最重要的一個保障。因為會發(fā)現(xiàn)部件模型之間、工具之間、人之間的協(xié)作,需要打通壁壘,這個其實是比前面講到工具更難做到的一件事情。我們跟很多企業(yè)打交道的時候,這一塊可能最后大家會花精力更多,會影響整個仿真體系建設效果的一個最重要的方面。如果做好了,這樣仿真體系就能夠做到這樣一些事情:首先能夠構(gòu)建很完善的數(shù)字樣機;其次具有一個非常好的一個協(xié)作式的仿真環(huán)境,去做流程數(shù)據(jù)的管理,從桌面到云端都有比較好的操作的方式;最后還包括可擴展的生態(tài)環(huán)境,我們跟業(yè)務伙伴形成了一個網(wǎng)絡,我們不再是單一的,因為我們需要進行各種各樣的交流。例如我們自己能做出很好的工業(yè)APP,也可以把高校里面的資源,學術(shù)界的研究,還有社會上專業(yè)人士的一些經(jīng)驗積累起來,形成一個海納百川的狀態(tài),最終也可以做成工業(yè)APP。

      如果想要做成這樣的仿真體系,我們建議分階段來實施。首先做相應的仿真能力評估,當評估完成之后,我們就清楚了現(xiàn)在的成熟度狀態(tài),也清楚了將來的目標是怎么樣的,每一期的實施的要點應該是什么,再一步一步地去實施搭建。

      今天也非常希望能和到場的各位專家進行討論,希望借此機會傾聽各行各業(yè)的訴求,了解各家企業(yè)的想法,我們一起來把這個事情做好。因為在仿真這樣大的一個體系里面,我們ANSYS作為一個供應商,而各位是真正的是使用這些仿真的主體。我們是希望把應該承擔的責任承擔好,同時跟各位去做很好的互動,真正地把中國企業(yè)的研發(fā)實力推向一個新的高度,謝謝大家!

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