先进仿真软件提升产品设计与制造效率

面对产品复杂性、轻量化、先进材料与新制造方法等棘手问题，今日制造工程师越来越多用高保真仿真可视化解决方案。最新仿真软件能提供线索改进产品设计与性能，高端 CAE 包与 NC 仿真软件不仅帮确定最佳设计，也找到实现它们的最高效路径。

增材制造（AM）等新制造工艺给制造商带来不同问题，仿真能预先确定哪些方案最佳。许多仿真软件包现提供增材专用仿真，帮助阐明增材产品构建的分层过程，同时可视化如何让传统减材金属切削更高效。

解决复杂性问题

离散制造中，产品开发工程师面临巨大挑战，从汽车到飞机到巨轮重型机械，含数百万行代码编程面向 IIoT 的电子系统。

“我们看到的大趋势是产品复杂性增加，”西门子 PLM Software（德州普莱诺）全球仿真产品营销总监 Ravi Shankar 说，并指出机械部件电子化程度提升。“驱动力是数字孪生与基于模型工程。”

自动驾驶汽车与无人机是需要仿真软件系统的复杂系统最新例证，Shankar 说。“也见汽车燃效与排放聚焦，轻量化与生成式设计增加，”他补。

西门子近期推出自动驾驶汽车方案，结合 Simcenter 仿真方案与新传感器技术。3 月芝加哥西门子美国创新日，公司发布系统，用 Tass PreScan 虚拟传感器图像配合 Mentor DRS360 平台，自动化开发传感器融合与处理算法。

“首个趋势是基于物理的世界模型与基于物理的传感器模型可创建，”Tass International（荷兰 Steenovenweg）产品总监 Martijn Tideman 说，该公司去年被西门子收购。“这些模型生成高保真人工传感器信息，如同来自真实相机、雷达、激光雷达。将这些人工数据喂给车载处理单元如 DRS360，可在不跑一英里路情况下评估车载硬件/软件。”

另一关键是确保自动驾驶仿真软件跑在高性能集群（HPC）上，Tideman 说。

“这些集群可并行跑许多仿真，加速虚拟评估/验证过程。你想周末跑一百万虚拟里程。”

“自动驾驶仿真需连接广泛其他软硬件模块，如地图导入器自动生成虚拟路网、车辆动力学仿真工具确保车辆正确响应控制动作，”他解释。“仿真工具间接口日益标准化，”如 FMI/FMU（功能模型接口/单元），Tideman 补。

颠覆性仿真

几项关键使能技术影响仿真在制造中的应用方式。“虽有众多技术发展持续演进改进，但少数有潜力从根本颠覆仿真能力用在何处、如何用、由谁用，”Autodesk 制造、建筑与生产产品战略与管理高级经理 Seth A. Hindman 说。

“摩尔定律远超多数人想象持续成立。随算力持续进步，极强硬件以极低价可得。结合广泛光纤网络发展，企业可连接超自有内网速度的外部计算资源，”Hindman 说。“爆发算力、弹性计算、可配置 HPC 让企业从根本改变工程制造产品方式，跑足够分析真正理解产品在众多应用与环境中的表现。”

制造商也在远离网格依赖分析，Hindman 说。

“3D 设计数据普遍性持续推动对非网格依赖、能受益于与原生设计数据关联性的仿真工具需求。不只提升常规工作流生产率，也扩大受益仿真能力的受众。自然下行压力是创造更稳健、更直观、打破传统 CAE 要求的方案。长远潜力是实现与方案简化交互、自动化繁琐任务。”

CAE 内长期“前置”仿真视角正被基于目标的分析取代，Hindman 补。“前置仿真虽强，仍依赖测试你设计了什么的传统约定，而非驱动探索满足你定义目标的设计，”他说。Autodesk 正将生成式设计引入工程市场，Hindman 说，刚在 Autodesk Fusion 360 Ultimate 可用。

“我们的生成式设计技术让系统创建目标启发设计，促进设计空间广泛探索，实现基于洞察的权衡，”Hindman 说。“工程师主要任务历史上是创建可行设计。有了生成式设计，每个结果都成功满足基础要求，意味着决策与权衡提升至核心业务举措层面。”

仿真增材工艺

增材发展持续振奋制造业，许多仿真开发商近期发布新或增强增材专用仿真软件版本。

例如，4 月 19 日 Ansys Inc.（宾州卡农斯堡）发布新增材打印与增材套件方案，提供金属 AM 仿真。方案说使用户能打印轻量复杂金属零件、分析微观结构属性与行为。Ansys 称这将通过限制设计约束、减少浪费、缩短打印时间降低 AM 成本。

Ansys 完整增材仿真工作流让客户打印前虚拟测试产品设计。软件融合打印前仿真，让工程师设计阶段设计、测试、验证零件性能，大幅降低物理试错高成本。

AM 是制造业游戏规则改变者，Ansys 增材制造总监 Brent Stucker 说。“医疗器械可按患者专用几何生产。许多组件备件库将成过去，替换件可按单生产，”Stucker 注。“极端环境运行产品如油气行业，可用新混合材料组合生产。AM 提供的几何复杂性意味数十组件可集成单一更轻更高性能组件。”

Stucker 指出 AM 中通常非仿真用户的设计师与机床操作员现在必须理解复杂打印过程。

“我们看到机床操作员想要的不止预测零件能否成功构建的有根据猜测，”他说。“他们需快速理解特定机床设置将导致零件脱离支撑前后如何变形，过度变形是否会导致铺粉机构撞击零件（即刮刀碰撞）。设计师做面向增材设计（DfAM）类似。他们想知设计零件能否成功打印，若能，该组件属性如何。”

“仿真把理解增材过程的力量交到设计师与操作员手中，”他补。“这也是我们开发 Ansys Additive Print 为独立打印过程预测工具的原因——让非工程师几天内上手。”

仿真软件虽成功用于确保设计结构在服役条件下站立，但也持续受复杂载荷、材料、物理挑战，Dassault Systèmes（巴黎）Simulia 战略举措总监 Subham Sett 指出。“仿真软件趋向提供多物理场多尺度方案，为加速行业增长预测各方面。如汽车业，仿真软件用于解决从多体动力学、噪声振动、碰撞安全到非定常流、以及多尺度问题从材料设计、多尺度材料上下缩放、子结构。”

预测 AM 过程产生形状能力，是制造仿真最令人兴奋的新发展之一，Sett 说。“考虑扫描路径、材料属性、机床与激光属性，我们能准确预测零件打印时因热与重力产生的变形，”他补。

仿真增材过程让制造商更准预测控制过程，防止逐层增材零件构建过程出错。

西门子 Shankar 说仿真在增材过程中，西门子去年随 NX Additive 模块加入，使制造商能预测制造结果。

“创建层时需知很多：冷却需多久？零件内部空隙（空腔）如何？仿真能帮解决空隙与产品残余应力，”他说。仿真也帮制造商知如何标准化流程、理解产品表现。

西门子目前研究相变增材工艺与零件冷却。某些情况用 HPC，因仿真计算密集。“解大模型常瘫痪。若解大模型，HPC 有吸引力，”Shankar 说。

关于增材，Autodesk 持续拓展方案组合，Hindman 说。“Netfabb 组合最新加入是 Autodesk 生成式设计能力。如前所述，生成式设计让系统创建目标启发设计，促进设计空间广泛探索。系统作为活跃参与者的关键成分是我们教会它增材制造工艺感知，所以生成结果针对 3D 打印优化。”

3 月发布 Netfabb Ultimate，Autodesk 引入集成工艺仿真能力，除现有独立 Netfabb Local Simulation 产品。Hindman 称两版本现含：增强预测困粉、热点/烧灼、缺熔等效果；额外工艺仿真如 EDM 零件移除与热处理影响；Autodesk 可选弹性计算服务性能改进；将工艺分析能力引入 Netfabb Ultimate；简化用仿真驱动补偿零件预成形替换原始几何的能力。

Autodesk 也联合 Netfabb 与 PowerMill（PowerMill Ultimate）组合支持直接能量沉积（DED）工艺，利用多轴机器人控制专长。

“这增加预测高速沉积制造中极大变形与失效潜力的能力，”Hindman 说。“企业拥抱金属增材制造，必须直面并克服共同险阻。”他补，操作金属粉末床熔融打印机最常见挑战：零件变形、翘曲（打印件不可接受且可能损坏铺粉器）；热应力诱导失效/断裂（打印中零件断裂可能损坏铺粉器）；支撑失效（零件积累过大应力断裂与构建板连接，零件不可接受且可能让铺粉器撞击零件）；材料属性变异（零件有可见缺陷或表现不如预期）。

可视化 NC 过程

NC 仿真验证过程中，AM 仍是 Vericut NC 仿真软件等系统开发商关键发展领域，CGTech（加州欧文）最近增 Vericut Additive 模块。“增材制造持续是制造最热趋势之一，仿真软件努力跟进，”CGTech Vericut 产品经理 Gene Granata 说。

“用能仿真驱动机床相同 NC 代码的仿真软件，是保护 CNC 设备、首次车间出合格零件的最佳方式。”

复合材料方面，两大最新趋势突出：聚焦图形显示与准确表征工件，Granata 指出。“虽改进图形似外观改进，但准确预测可视化复合件净形状有真实工程效益。制造商开始更重依赖软件预测零件最终形状与质量，”他说。“高分辨率成品工件显示，工程师能以更高保真度审询最关心特征。”

仿真软件提供重要工艺评估优化工具提升车间生产力，他补。“创建‘高效’刀具路径新选择似乎定期出现市场，但真实效果如何？仿真软件——由后处理 G 代码刀具路径驱动——揭示机床运行时间的‘真相’，”Granata 说。“这帮 NC 程序员与制造工程师评判不同加工方法，最终选最有效方法制造零件。”

自动化、加工优化、机床灵活性是 Spring Technologies（马萨诸塞剑桥）开发 NCSimul 与 Optitool 软件在仿真软件开发中推进的关键领域，总经理 Silvere Proisy 说。

随市场需求更多自动化流程，NCSimul 开发更多自动化，他说。“从 CAM 软件发送数据到 NCSimul，自动验证，仿真结果以最终报告经邮件交付程序员。用户无需再与软件交互；全可在远程服务器运行。”

Optitool CNC 加工优化改进，他说。“现提供两级优化：一是空行程减少，优化所有进退刀动作不改材料中进给率；二是学习模式优化，基于九个切削参数如切屑厚度或切屑流调节材料切削进给，不妥协原进给转速。”

机床灵活性是其 NCSimul 4CAM 选项第三开发重点。“给制造企业几分钟内不重编 CAM 就能把作业从一机床换到另一机床，我们称之为革命，”Proisy 说。“读取初始 G 代码自动重写新代码。”