中国的制造工业正一直处于成长期,总的来说,仿真仍是主流,开创崭露头角。产品设计仍以试验验证为主,理论分析为辅。少数行业已经开始使用仿真分析,但大部分行业还在探索阶段,还没有形成相关的设计标准。只有极少数行业对仿真分析过程进行了一定的规范和约束。
在工业界中,实验通常包括两种类型:设计用于辅助研发的原理性实验以及用于出场检验的鉴定试验。在研发过程中,实验可灵活应用,是设计环节的一部分。而出场检验的试验则依据不同行业的标准规范进行,是产品质量的重要保证。目前,我国大多数企业的设计研发能力比较弱,更多地注重于产品检验和验收阶段的试验,而在研发初期,原理性实验的开展相对不够完备。
有限元仿真分析的作用
有限元仿真的作用是什么?其分析结果有何意义?我们如何运用这一工具方法?笔者认为,这是每一位从业者都必须深思的问题。有限元仿真本身并无特别之处,可理解为偏微分方程求解器。商用软件企业根据不同专业特点和行业标准,开发专用工具和平台,进而形成适用于各学科的有限元分析软件。
模拟VS设计
在做有限元仿真之前,我们首先应该思考的问题,就是本次仿真的目的是什么。最易懂的方法是通过仿真来模拟某种现象或过程,而在工业界,这种分析有着广泛的应用,如模拟工艺过程、碰撞、多自由度运动、大气模拟等。大多数情况下,这些分析旨在验证前期的原理或功能性仿真。由于缺乏实验数据的支撑,这些分析相对困难,结果的精度较低,通常只能给出定性结论或者参数对结果的影响程度,找出主要矛盾,以指导设计和实验的定性工作。
另一种广泛应用于工业界的方法是有限元仿真,作为设计辅助工具。它并不关心真实工况如何,而是采用已统计包络的载荷作为输入,并通常增加安全系数以考核设计合理性。
这类分析应用广泛,例如土木建筑的抗震设计、汽车白车身分析、压力容器强度设计、电子设备抗振动冲击等。这些分析一般在相对成熟的行业或环节中进行,以设计规范或试验规范为基础进行仿真分析。因此,设计师不关心真实的工程过程,仿真分析更像是传统设计中理论分析的替代或补充。
节约成本&替代实验
传统的设计流程通常是在设计完成后,需要通过生产试件试验验证。这种方式效率较低,成本也比较高。每当进行一次设计迭代,都需要消耗大量的人力和物力。在产品设计中,有限元仿真可优化产品,排除不合理设计,找出关键性能参数并指导设计和试验。在早期,进行虚拟设计迭代,降低成本且提高设计效率。
另外,仿真分析可以取代一些费用过高的试验,甚至一些无法完成的试验。通常情况下,试验过程中的监测点相对较少,且分散不集中,有些测点甚至无法测量。相较于此,仿真分析的优势在于可以突破这些限制,轻松地观察到关键部位的情况。
不同阶段的作用
在不同的设计阶段,仿真分析的作用各不相同。在方案阶段,它用于进行比较;在设计阶段,它用于参数优化;在产品确认阶段,它用于校核。由于关注点的不同,分析的内容和方法也会有所区别。此外,结合实验数据,不断修正仿真模型和参数,对于企业来说是至关重要的,因为这些是其核心数据和竞争力的基础。
效率VS精度
在仿真分析中,分析效率和精度存在着一种互相制衡的关系。若采用粗糙的模型、不太准确的参数或者设置软件参数不合理,都有可能对结果的精度产生负面影响,甚至导致错误的结果。然而,对于不同的仿真目的而言,精度并非始终是最为重要的因素。例如,在仅需要确定变量对结果影响程度的仿真中,只需确保输入的一致性,而并非特别要求输入的准确性。
精细的建模、准确的参数以及合理的软件参数设置可以显著提高结果精度,但是需要投入更多时间和成本。随着产品设计的越来越精细,对结果精度的要求也随之提高。要平衡仿真分析的效率和精度,只能依靠工程师的理论知识和经验。
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