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仿真思客之思想笔记——有限元仿真分析,让一部分人先用起来!
发表时间:2023-3-28

在现今竞争激烈的环境中,设计成功创新性产品是企业持续增长的关键因素。产品从创意到上市需要整个过程变得更敏捷、更灵活,适应性更强也更快速,在新产品研发设计中,隐性的目标是“更快、更好、更便宜”。因此有限元分析成为研发设计环节中重要的一环。对于企业和研究机构来说,有限元仿真分析可以在制作样机之前分析设计的多方面物理性能,显著提高生产效率,减少在产品或者流程的设计、优化或控制环节中,原型测试的数量和次数,降低成本。正因如此,近年来,越来越多的企业将更多的研发资源投入到有限元分析中。


复杂问题简单化——仿真技术如何改进设计流程?
产品开发的早期阶段--当管理者和设计团队负责人在早期就能够参与到开发流程中,他们就能深入了解产品设计的情况。通过更好地了解基于有限元分析 (FEA) 的仿真,他们可以为改进产品开发流程提供帮助。公司可以加快产品的开发步伐,减少错误,提高利润率。
对设计决策的影响--在作出决策后尽快地进行“路线修正”是至关重要的,这可以有效地回答一个问题:“设计师如何知道作出的决策是正确的?”
举个例子:目标是开发出一款可满足以下两个主要设计要求的新凳子:(1) 必须能承受200 磅重的人站在上面,(2) 价格必须尽可能低。

设计显示了三种可能的方法。一种可行的方法是,采用没有加强筋的均匀壁设计(如图1),第二种方法采用成型过程允许的最小厚度,仅使用 24 立方英寸的塑料(如图2),第三种方法添加加强筋会增加产品成本,但也将提高结构性能(如图3)。
考虑这三个可选方案,图1“不加筋”方案似乎是最高风险的决策,因而很可能不具有可行性。图3采用深筋设计很可能是最坚固的。在没有进一步的信息下,为保守起见,大多数设计工程师都会选择采用较深筋的可选方案(图3)。
从直觉判断,公司选择采纳的是成本高昂且耗时的工模具,而且可能还不满足这种特定的筋设计。同时,此产品的设计可能超出了设计要求,因而与项目的成本目标背道而驰。
那么,根据有限元仿真分析得出的结果可以帮助设计师判断哪种方案更符合设计的目标,既满足承重又节约成本。

即使是没有经验的设计师也能看出不进行加强的设计安全性堪忧(图1)。图3是之前大多数设计师从 “直觉”上判断的方案,显然与最佳方案矛盾,成本增加。仿真显示,采用浅筋的方案(图2)实际上可以满足结构方面的要求,相较于深筋的方案(图3)更加节约成本。选择保守的方法后,测试会表明它确实可以承受一个 200 磅重的成年人,然后所有人都会按照这种方法继续工作。很显然它“足够好”。然而,人们从来都不会知道,采用这种工作流时,它的设计超出了设计要求,无谓地增加了 20% 的材料成本。
揭开仿真的唯一目的——更快、更好、成本更低
在大多数产品设计开发过程中,作出切实的设计决策所依据的问题可以分为三类:是否可行? 是否足够好?是否能更好,更快,成本更低?大多数设计都能依次通过前两个步骤。只要第 1 个问题的回答为“是”,就会将设计详细信息与规格和成本目标进行比较,以评估第 2 个问题。大多数设计在通过传统的成型方法确认其“足够好”之后,就会交付生产。

但是,将“更好、更快、成本更低”纳入决策过程中,对提高公司效率和设计流程的可靠性十分重要。可是,随着缩短上市时间的压力加大,设计师如何能在不增加开发时间或成本的情况下,从传统任务中挖掘更多价值:答案就在这句古谚里面:“干得苦不如干得巧”。仿真的唯一目的就是提供这种竞争优势,以追求“更好、更快、成本更低”。
说点大实话——仿真是标配还是高配?
仿真是今天的通才型设计工程师可掌握和使用的一项技术,通才型设计工程师是站在第一线、提出最多问题并作出最多决策的人。此外,对于努力在行业内保持竞争力的公司,仿真技术已成为业务必需品。作为日常决策不可或缺的一部分,仿真是可以有效实现设计过程线性化的极少数工具之一。仿真能够精确地解答问题,并对后续决策提供最佳指导。
对于机械产品设计,仿真通常分为三个领域:
1、结构仿真用于预测零件或系统是否将断裂、过度折弯(如凳子)、抖动、扭曲或解体。2、液流软件显示了系统如何对内部或外部的气流或水流等条件作出响应,从而确定流体速度、压力和温度。3、机构或动态分析用于综合连接关系以及查找力、速度和加速度。在仿真软件行业,通常会将这些功能划分成各个不同的产品。
当前工程师如何获得答案?关于在未采用仿真的标准设计过程中采用何种方法,全球的产品设计师和经理们的描述非常一致。 “我们参考了以往奏效的方法,然后对它进行扩展/简化。”尽管许多成功的设计决策实际上都是建立在以前的产品版本和经验基础之上,但这种方法通常无法说明如何做得更好。它只是指导了如何实现更多相同的东西。这种新产品或许确实“足够好”,但可能没有着手解决如何做到“更好、更快、成本更低”的问题。
思客观点:
通过在工作流中纳入设计仿真,可以帮助设计师更快地发现错误,更改路线,并找到正确的方法来处理问题,然后设计出成本更低、性能更高的产品,从而使公司更快地将产品推向市场。虽然仿真以往专注于验证产品的“计划用途”方面,但它还在检查“可预料的误用”方面具有其他价值。通过仿真可以用更低的成本检查模型的更多方面,因此与传统成型方法相比,它能检查更多可预料的误用情况。

当管理者和设计团队负责人参与时,他们也能深入了解情况。通过了解仿真技术的基本知识,他们可以就设计师为何要以特定方式提出某一问题或进行特定的近似取值或假设,提出一些高水平的问题。

对于想成为业内领先的公司来说,仿真软件是非常有价值的工具,甚至在产品开发的最早阶段也很有用。仿真技术带来的最大好处是它提供了提出问题的机会,也就是说,可以提出大量与对产品及其运转环境的预期行为相关的问题。仿真软件在合适的时间为设计工程师提供合适的工具和合适的硬件,以使 “假设⋯⋯又将如何”理念成为设计过程的一部分。结果就是“更好、更快、成本更低”。
当设计团队能够作出更好的决策时,最终将创造更出色的产品,而设计仿真正是实现此目标的最佳工具。

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