仿真技术融入工业生产 看硬件设备助力中国版“工业4.0”

近年来，“工业4.0”概念炙手可热。但追其根源，“工业4.0”是一个发展的过程，不可能一蹴而就。目前，中国的制造业的规模已经可以比肩于美国，但在发展的过程中，中国制造业正受到高端制造业向发达国家回流、低端制造业向低成本国家转移的双重挤压。因此，学习和借鉴“工业4.0”的理念，发展中国版“工业4.0”具有非常重要的现实意义。

今年，李克强总理签批《中国制造2025》战略文件，它是我国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。“中国制造2025”的提出，意味着中国制造业正式进入中国版“工业4.0”阶段。

而在中国版“工业4.0”阶段，CAE仿真分析技术成为当下工业制造智能化、信息化转型过程中的首个创新的体现。针对目前CAE仿真分析技术的落地情况，笔者进行了一系列的走访。

CAE仿真分析技术为设计师插上想象的翅膀

作为工业生产中的重要环节，产品设计的创新能力一定程度上决定了产品的市场反映。产品设计的新颖与否，主要取决于产品设计师的才能。可设计师的才能是需要一定空间才会得到施展的。而CAE仿真分析技术的落地，就为产品设计师提供了极大的施展空间，为他们插上了想象的翅膀。

“我认为，仿真分析是现代设计方法中不可或缺的一环。”接受采访的薛工说道，此时的他，已经在CAE仿真分析领域工作了3年多了，他继续讲道“在设计产品方案之初，首先建立产品的数字化样机（而非物理样机），然后在计算机上，运用不同的仿真分析软件，模拟产品的性能属性，最大限度缩短产品开发时间，优化产品性能，减少物理样机的问题，从而提高设计的效率。”

发动机活塞动力学分析

结合薛工的讲解，我们在走访时也看到了一家创新工业制造厂商目前的基本生产流程：首先，产品设计师们可根据自己的想法与产品的需求进行初稿的设计，随后通过CAD等手段，将设计的初稿在工作站上变为一台数字化样机。样机成型后，在提交给CAE仿真分析师进行模拟仿真的力学、疲劳、撞击等多项实验，最终通过对实验数据的分析，来验证设计师的想法是否有可行性，如可行便进行量产，反之则将结果送还设计师加以修改至可行为止。

在加入CAE仿真分析技术后的设计流程中，由于不需要制作出物理样机进行可行性实验，所以节约的生产成本的同时，也消除了产品设计师的顾虑，使得更多新颖的设计得以涌现，提高了产品设计的创新能力。

CAE仿真分析技术为验证产品质量提供方便

车辆正面撞击实验

对于工业产品来说，产品的质量将直接影响产品使用时的安全性，将会直接影响到用户的人身安全。“在一些产品设计时，往往有安全方面的国家强制要求和认证。“关于产品的安全性，薛工接受采访时谈道“与汽车行业的碰撞试验类似，我们的产品在认证时，也必须通过破坏性试验的测试，试验成本动辄数万。为了保证破坏性试验一次通过，最大程度降低试验成本，我们需要提前用复杂的软件，在高性能的计算机上仿真破坏性试验的整个过程，达到查漏补缺的目的。”这其中薛工讲到的复杂的软件，其中就含有采用CAE仿真分析技术的软件。

车辆侧面强度测试

走访中，我们从汽车行业中也了解到，在目前的汽车生产过程中，基于CAE仿真分析技术来进行的破坏性实验已经得到了广泛的应用，究其根本原因，在于CAE仿真分析具有可重复性、方便性、低成本等优点，通过C-NCAP 100%正碰分析、C-NCAP 40%偏置碰分析、追尾碰撞分析、行李位移乘员防护装置性能分析等项目得出的数据与结论真实可靠，甚至要比传统的物理样机实验更加准确，同时又省掉了进行物理样机测试所需要的物质与时间成本，从而优化了生产流程，提高了生产的效率。

CAE仿真分析技术令产品维修更加主动

CAE仿真分析技术除在产品设计方面的应用外，对于产品的维修也具有极大的意义。薛工接受采访时讲到，“设计出的产品在递交客户使用，或在实际验证过程中，不可避免会出现一些问题。为了更有效，更有针对性地解决问题，我们仍然运用仿真分析方法，在计算机上模拟产品出现问题的工况，再现故障出现场景，解决问题时，更富有主动性。”

据了解，目前CAE仿真分析技术在维修方面主要应用于机械工业类产品的售后。机械工业类的产品，在交付用户使用中，无法避免故障的出现，但多数情况下，故障出现的原因只有在发生故障的瞬间最容易发现。于是，部分企业目前正采用CAE仿真分析技术来还原产品发生故障时的工作状况，通过对当时工作状况的反复分析，直接找到故障出现的根本原因，并进行维修，似的产品售后的维修可以更加主动的进行。

CAE仿真分析技术需求高性能硬件设备

由于CAE仿真分析技术的根本在于数字化样机的仿真模拟与海量实验数据的具体分析，这便决定了CAE仿真分析技术必须依托于高性能的硬件设备。“仿真分析对设计人员的专业知识和计算机硬件性能的要求，都比传统设计方法的要求更高。”薛工说道。根据实际情况来看，目前能够满足企业应用CAE仿真分析技术对硬件的使用需求的产品只有工作站。

据了解，薛工所在的公司，所有的设计人员人均配有一台工作站。其中，专业的仿真部门，还额外配备了更高性能的工作站。

薛工表示，“在一般情况下，进行20万节点的结构分析任务时，普通工作站在求解时，表现较为流畅。而更高性能的工作站，则用来处理更多节点或更复杂的分析任务。“

而在众多设有CAE仿真分析部门的企业，也都有进行大量工作站的采购，来满足高效、稳定、准确的运算的需求，从而更好的保证企业一直保持高效的产能。

而对于从事CAE仿真分析工作的工作站的性能，薛工表示，在他个人看来，工作站的运算速度是他最为关注的，而硬件和软件的培训和售后服务，对于其工作也是极其重要的。

综合观之，在中国版“工业4.0”的转型中，CAE仿真分析技术的应用，成功帮助企业从生产流程开始进行优化，从产品设计、质量及成本影响入手，实现了企业生产效率的提升。另一方面，正是因为高性能工作站在我国制造业中的合理应用，才使得仿真分析技术在生产过程中成功落地。由此可见，硬件设备的性能，将会影响创新技术在工业生产中的应用。而在未来更加智能化的工业体系中，对企业硬件设备的性能也将提出更高的需求。只有在企业硬件设备性能过硬的基础上，才能在工业生产中更好的通过科学技术进行创新，从而助力中国版“工业4.0”的快速发展。