仿真软件展翅高飞

在解决产品复杂性、轻量化、先进材料和新制造方法等棘手问题时，当今的制造工程师越来越多地使用高保真模拟来可视化这些挑战的解决方案。最新的仿真软件可以通过高端 CAE 软件包和 NC 仿真软件为改进产品设计和性能提供线索，这些软件不仅有助于确定最佳设计，而且有助于确定实现这些设计的最有效方法。

增材制造 (AM) 等新制造工艺给制造商带来了不同的问题，而仿真可以预先确定哪些解决方案最有效。许多模拟软件包现在提供特定于添加剂的模拟，可以帮助阐明制造添加剂产品的分层过程，同时还可以可视化如何使传统的减材金属切削工艺更高效。

解决复杂性问题

在离散制造中，产品开发工程师面临着巨大的挑战，因为从汽车到飞机再到大型船舶和重型机械，任何东西都包含数百万行代码，这些代码使用面向工业物联网 (IIoT) 的电子设备进行系统编程。

“我们看到的更大趋势是产品的复杂性不断增加，”Siemens PLM Software（德克萨斯州普莱诺）全球仿真产品营销总监 Ravi Shankar 说，同时注意到机械部件中电子产品的水平不断提高。 “推动这一切的是数字孪生和基于模型的工程。”

Shankar 说，自动驾驶汽车和无人机是需要模拟软件系统的复杂系统的最新例子。 “随着轻量化的增加和衍生式设计的使用，我们还看到了对汽车燃油效率和排放的关注，”他补充道。

西门子最近推出了一种自动驾驶汽车解决方案，该解决方案将其 Simcenter 仿真解决方案与新的传感器技术相结合。在 3 月于芝加哥举行的西门子美国创新日上，该公司推出了该系统，该系统使用 Tass PreScan 虚拟传感器图像和 Mentor DRS360 平台，自动开发用于传感器融合和处理的算法。

“第一个趋势是可以创建基于物理的世界模型和基于物理的传感器模型，”去年被西门子收购的 Tass International（荷兰 Steenovenweg）的产品总监 Martijn Tideman 说。 “这些模型可以生成高保真人工传感器信息，就好像它来自真实的相机、雷达和激光雷达一样。当您将这些人工数据提供给 DRS360 等车载处理单元时，您无需驾驶一英里即可评估车载硬件/软件。”

Tideman 表示，另一个关键是确保自动驾驶模拟软件在高性能集群 (HPC) 上运行。

“这些集群可以并行运行许多模拟，从而加快了虚拟评估/验证过程。您希望能够在周末驾驶一百万英里的虚拟里程。

“自动驾驶模拟器需要连接到广泛的其他硬件和软件模块，例如地图导入器，以自动生成虚拟道路网络或车辆动力学模拟工具，以确保车辆正确响应控制动作，”他解释说. “仿真工具之间的接口越来越标准化”，例如 FMI/FMU（功能模型接口/功能模型单元），Tideman 补充道。

颠覆性模拟

一些关键的支持技术正在影响模拟在制造中的应用方式。 “虽然有许多技术发展在不断发展和改进，但少数有可能从根本上破坏仿真功能的使用地点、方式和人员，”制造、产品战略和管理高级经理 Seth A. Hindman 说。 Autodesk Inc.（加利福尼亚州圣拉斐尔）的建筑和生产。

“摩尔定律持续有效的时间比大多数人想象的要长得多。随着处理能力的不断进步，可以以非常低的价格获得功能强大的硬件。结合广泛的光纤网络的发展，公司可以连接到超过其内部网速度的外部计算资源，”Hindman 说。 “突发容量、弹性计算和可配置的 HPC [高性能计算] 使公司能够通过运行足够的分析来从根本上改变他们设计和制造产品的方式，以真正了解他们的产品在众多应用程序和环境中的表现。”

Hindman 表示，制造商也在逐渐摆脱依赖网格的分析。

“3D 设计数据无处不在的特性继续推动对不再依赖于网格并且可以从与原生设计数据的关联中受益的仿真工具的需求。这不仅提高了一般工作流程的生产力，而且扩大了可以从模拟功能中受益的受众。自然的下行压力是创建更强大、更直观且打破传统 CAE 要求的解决方案。长期潜力在于，这可以简化与解决方案的交互以及繁重任务的自动化。”

辛德曼补充说，CAE 长期以来一直将模拟“提前”的观点现在正被基于目标的分析理念所取代。 “虽然前期模拟很强大，但它仍然依赖于测试你设计的东西的传统惯例，而不是推动满足你定义的目标的设计探索，”他说。欧特克目前正在将其所谓的衍生式设计引入工程市场，Hindman 补充说，该设计刚刚在 Autodesk Fusion 360 Ultimate 中推出。

“我们的生成式设计技术使系统能够创建受目标启发的设计，这有助于对设计空间的广泛探索，实现基于洞察力的权衡，”Hindman 说。 “从历史上看，工程师的主要任务是创造一种可行的设计。通过衍生式设计，每个结果都成功地满足了基本要求，这意味着决策和权衡被提升到核心业务计划的水平。”

模拟加法过程

增材开发继续让制造业兴奋不已，许多仿真开发人员最近发布了他们的仿真软件的新版本或增强版的增材专用版本。

例如，4 月 19 日，仿真开发商 Ansys Inc. (Canonsburg, PA) 发布了新的 Additive Print 和 Additive Suite 解决方案，为金属 AM 工艺提供仿真。据说这些解决方案使用户能够打印轻质、复杂的金属零件并分析微观结构特性和行为。 Ansys 表示，这将通过限制设计约束、减少浪费和缩短打印时间来帮助降低 AM 成本。

据该公司称，Ansys 完整的增材仿真工作流程让客户可以在打印零件之前虚拟测试他们的产品设计。该软件在打印过程之前结合了仿真，让工程师可以在设计阶段设计、测试和验证零件的性能，并大大降低物理试错的高成本。

增材制造改变了制造业的游戏规则，Ansys 增材制造总监 Brent Stucker 说。 “可以生产具有患者特定几何形状的医疗设备。许多组件的备件库存将成为过去，因为更换零件可以在订购时生产，”Stucker 指出。 “在石油和天然气行业等极端环境中运行的产品可以使用新的 [更耐用] 混合材料成分生产。 AM 提供的几何复杂性意味着可以将数十个组件集成到一个重量更轻、性能更高的单个组件中。”

Stucker 指出，与 AM 相比，通常不是工程仿真用户的设计师和机器操作员现在必须了解复杂的打印过程。

“我们看到，在预测零件是否可以成功制造时，机器操作员需要的不仅仅是有根据的猜测，”他说。 “他们需要快速了解特定的机器设置将如何导致零件在从支撑件上取下之前和之后变形，以及过度变形是否会导致粉末扩散机构撞击零件[即所谓的刀片碰撞]。这种情况与为 AM 设计 [DfAM] 的设计师类似。他们想知道他们设计的零件是否能打印成功，如果可以，该组件的属性是什么。

“仿真将理解增材工艺的能力交到设计师和操作员手中，”他补充道。 “这就是我们将 Ansys Additive Print 开发为独立的打印过程预测工具的原因——这样非工程师也可以在几天内使用该工具。”

Dassault Systèmes Simulia 战略计划总监 Subham Sett 指出，虽然仿真软件已成功用于确保设计的结构在现场操作期间能够承受服务条件，但它也不断受到复杂载荷、材料和物理的挑战。巴黎）。 “仿真软件现在趋向于提供多物理场和多尺度解决方案，为加速行业增长的各个方面提供预测。例如，在汽车工业中，仿真软件被用于解决从多体动力学、噪声和振动、耐撞性到非稳态流动的多物理场问题，以及从材料设计、多尺度材料上下缩放和子结构等多尺度问题。 ”

Sett 说，增加预测由 AM 工艺产生的形状的能力是制造模拟中最令人兴奋的新发展之一。 “考虑到扫描路径、材料特性、机器和激光特性，我们可以准确预测在打印部件时由于热量和重力而导致的部件变形，”他补充道。

对增材工艺进行仿真可以让建造者更准确地预测和控制工艺，防止在逐层增材部件建造过程中出现错误。

西门子的 Shankar 表示，西门子去年在其 NX Additive 模块中添加了增材工艺仿真，使制造商能够预测制造结果。

“当你创建图层时，你必须知道很多事情：冷却需要多长时间？零件中的空隙是什么？仿真可以帮助解决产品中的空隙和残余应力，”他说。模拟还将帮助制造商了解如何标准化流程并了解产品的性能。

西门子目前正在研究诸如具有相变的增材工艺以及零件如何冷却等问题。在某些情况下，由于这些模拟的计算密集型特性，正在使用 HPC。 “计算经常会瘫痪。如果你想解决大型模型，它 [HPC] 很有吸引力，”Shankar 说。

Hindman 表示，在增材制造方面，Autodesk 继续扩展其解决方案组合。 “Netfabb 产品组合的最新成员是包含 Autodesk 衍生式设计功能。正如我之前提到的，生成式设计使系统能够创建受目标启发的设计，以促进对设计空间的广泛探索。该系统如何作为积极参与者发挥作用的一个关键因素是，我们已经教它了解增材制造过程，因此它将生成针对 3D 打印进行优化的结果。”

随着 3 月发布的 Netfabb Ultimate，除了现有的独立 Netfabb Local Simulation 产品外，Autodesk 还引入了集成过程模拟功能。 Hindman 说，Netfabb 的两个版本现在都包括：增强了对捕获粉末、热点/烧焦和缺乏融合等效果的预测；额外的工艺仿真，如 EDM 零件去除和热处理的影响；提高 Autodesk 可选弹性计算服务的性能；将流程分析功能引入 Netfabb Ultimate；并简化了将模拟驱动的补偿零件预成型件替换为原始几何形状的能力。

Autodesk 还与该公司的 Netfabb 和 PowerMill (PowerMill Ultimate) 产品组合合作，推出了对直接能量沉积 (DED) 工艺的支持，以利用多轴机器人控制方面的专业知识。

“这增加了预测高速沉积制造过程中异常大变形和故障的可能性的另一种能力，”Hindman 说。 “随着公司采用金属增材制造，他们必须面对和克服共同的危险。”他补充说，操作金属粉末床熔融打印机最常见的挑战是：零件变形、翘曲（打印的零件不可接受，可能会损坏重涂机）；热应力引起的故障/断裂（打印过程中零件断裂并可能损坏重涂机）；支撑失效（零件中产生的应力太大，以至于破坏了构建板和零件之间的连接，使零件无法接受，并可能使重涂机与零件发生碰撞）；以及不同的材料特性（零件有明显的缺陷或性能不如预期）。

可视化 NC 过程

对于 NC 仿真和验证过程，AM 仍然是系统开发人员的关键开发领域，例如来自 CGTech（加利福尼亚州尔湾市）的 Vericut NC 仿真软件，该软件最近添加了 Vericut Additive 模块。 CGTech Vericut 产品经理 Gene Granata 表示：“增材制造仍然是制造业最热门的趋势之一，因此仿真软件努力跟上。

“使用能够模拟驱动机器的相同 NC 代码的仿真软件是保护 CNC 设备并在车间首次生产出优质零件的最佳方式。”

Granata 指出，在复合材料中，两个最突出的最新趋势是注重图形显示和准确表示工件。 “虽然改进图形看起来像是一种表面上的改进，但准确预测和可视化复合材料的净形状会带来真正的工程效益。制造商开始更加依赖软件来预测零件的最终形状和质量，”他说。 “借助成品工件的高分辨率显示，工程师可以开始以更高的保真度询问他们最关心的特征。”

他补充说，仿真软件提供了重要的过程评估和优化工具，可以提高车间的生产力。 “创建‘高效’刀具路径的新选择似乎经常出现在市场上，但它们的实际效果如何？由后处理的 G 代码刀具路径驱动的仿真软件揭示了机器运行时的‘真相’，”Granata 说。 “这有助于 NC 程序员和制造工程师判断不同的加工方法，以便他们最终选择最有效的方法来制造零件。”

Spring Technologies 总经理 Silvere Proisy 表示，自动化、加工优化和机器灵活性是 NCSimul 和 Optitool 软件开发商 Spring Technologies（马萨诸塞州剑桥）正在推动其仿真软件开发的关键领域。

他说，随着市场要求更多自动化流程，NCSimul 正在开发更多自动化。 “从 CAM 软件发送到 NCSimul 的数据，经过自动验证，仿真结果作为最终报告通过电子邮件发送给程序员。用户不必再与软件交互；它可以全部运行在远程服务器上。”

他说，Optitool 的 CNC 加工优化得到了改进。 “它现在提供两个优化级别：一个是空气切割减少，优化所有接近和退回运动，而不改变材料的进给率；第二个层次是学习模式优化，根据切屑厚度或切屑流等九个切削参数调节材料切削进给，而不影响原始进给和速度。”

机器灵活性是其 NCSimul 4CAM 选项的第三个开发重点。 “让制造公司能够在几分钟内将工作从一台机器更改为另一台机器，而无需在 CAM 软件中重新编程零件，这就是我们所说的革命，”Proisy 说。 “它会读取初始 G 代码并自动重写新代码。”