MSC通用行業(yè)技術總監(jiān) 李偉
1 中國制造業(yè)面臨的機遇和挑戰(zhàn)
目前中國的制造業(yè)正面臨前所未有的大發(fā)展機遇，主要體現(xiàn)在電子信息、高鐵、工程機械等行業(yè)。電子信息產(chǎn)業(yè)中，現(xiàn)在人們消費觀念和消費方式的轉(zhuǎn)變以及對新產(chǎn)品新技術的青睞，給電子行業(yè)帶來了巨大的應用市場，城鎮(zhèn)化發(fā)展也提供了巨大的需求潛力，國內(nèi)消費需求進入加快成長期。高鐵和地鐵時代全面來臨，改變了交通運輸?shù)母窬帧＝鼛啄陣姨岢隽藨?zhàn)略區(qū)域規(guī)劃讓工程機械行業(yè)持續(xù)受益。新能源戰(zhàn)略對風能、核能、太陽能等產(chǎn)業(yè)起了全面推動作用。另外國家產(chǎn)業(yè)升級需要重型裝備制造業(yè)的大力支持，高端裝備制造業(yè)也在國家十二五規(guī)劃里列為重點戰(zhàn)略目標。
當然看到機遇同時也面臨著空前的挑戰(zhàn)，首先是中國制造業(yè)缺乏核心技術的缺失導致，因此產(chǎn)品的附加值不高。同時勞動生產(chǎn)率低下，單位產(chǎn)品能耗較高。另外在研發(fā)投入少、研發(fā)手段落后導致企業(yè)的創(chuàng)新能力不足。全球化也推動了更為復雜的市場競爭。
應對挑戰(zhàn)，最重要的事情是縮減產(chǎn)品開發(fā)周期，以更多的創(chuàng)新、更高的質(zhì)量和更低的成本去占領市場。為了幫助制造企業(yè)實現(xiàn)縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期以及提高產(chǎn)品的創(chuàng)新能力，MSC提出了虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術（VPD）。VPD的核心是虛擬樣機建模及仿真測試，而先進的仿真技術又是該核心的關鍵。
2 MSC VPD多學科解決方案
2.1 VPD的發(fā)展趨勢
多學科集成。以前仿真技術的應用主要是集中在特定的單學科，比如產(chǎn)品的應力、穩(wěn)定性、耐久性、振動噪聲等。而現(xiàn)在仿真發(fā)展趨勢是各個學科的融合，為了真實展現(xiàn)產(chǎn)品在實際工作環(huán)境中的性能，需要綜合考慮各學科對它的影響，也就是多學科的集成仿真，在集成的仿真環(huán)境中研究問題同時還要考慮各學科之間的耦合影響。
仿真流程建設。以前在企業(yè)仿真工作需要專門的技術人員來做，為了降低仿真工作的技術門檻，需要把仿真分析的方法用模板制定出標準的流程，這樣即使只有少量專業(yè)知識的人也能進行仿真分析工作。這就是仿真流程的定制和管理，通過仿真流程的定制和管理可以對企業(yè)的仿真工作進行標準化、規(guī)范化，在提高仿真分析效率的同時保證了精度。
CAD/CAE集成。CAD和CAE的集成有助于企業(yè)研發(fā)部門內(nèi)部的協(xié)同工作，加深設計部門和仿真部門的交流，更加高效的進行產(chǎn)品研發(fā)工作。
2.2 MSC多學科仿真環(huán)境
MSC多學科仿真環(huán)境
MSC多學科虛擬仿真環(huán)境，在運動控制、流體力學、耐久性、振動噪聲等各個學科領域都提供了仿真分析工具來解決相應的問題。以Nastran為例，Nastran在CAE領域是非常著名的結(jié)構(gòu)分析軟件，最早期廣泛地應用于航天航空行業(yè)。現(xiàn)在的Nastran與以前相比增加了很多新功能，以前Nastran主要是靜力學、動力學、聲學分析，現(xiàn)在還包含了優(yōu)化、裝配分析、碰撞、跌落、熱、轉(zhuǎn)子動力等分析功能，還和流體分析軟件集合實現(xiàn)流固耦合分析，是真正意義上的多學科求解器。
2.3 解決方案：工具+服務
有了優(yōu)秀的CAE軟件并不代表能解決產(chǎn)品設計中的實際問題，為了用好CAE軟件，MSC根據(jù)客戶的應用層次提供不同的服務。對初級用戶提供軟件及系統(tǒng)的支持服務，包括軟件使用技術的培訓和軟件環(huán)境的搭建；對中級用戶提供CAE軟件的分析應用和專業(yè)意見，通過導航項目去指導客戶使用軟件解決實際工程問題；對中高層用戶提供流程自動化、經(jīng)驗整合及資料管理方面的服務，這樣可以幫助用戶制定企業(yè)內(nèi)部的標準分析流程，通過分析流程的定制固化企業(yè)的仿真知識經(jīng)驗，達到知識積累和重用；對高級用戶提供產(chǎn)品研發(fā)的建議和部署平臺架構(gòu)，涉及到企業(yè)仿真管理。
總的來說MSC為不同應用層次的客戶提供軟件工具加技術服務的解決方案，有了軟件工具和技術服務之后，從根本上解決客戶的實際問題。
3 應用及案例
3.1 電子行業(yè)
VPD技術在電子產(chǎn)品中的應用內(nèi)容包括溫度場及熱應力分析、密封性分析、電路板振動分析、柔性體機構(gòu)運動分析、抗沖擊及跌落分析等。
熱分析是電子行業(yè)仿真中非常重要的內(nèi)容，包括兩個方面。首先是相對簡單的溫度場計算，只要給出熱邊界條件就可以算出溫度分布。另一方面是比較復雜的熱和結(jié)構(gòu)的耦合分析，一般用在封裝結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)變形和溫度分布相互影響。
傳熱和熱應力分析
機械運動性能和組裝仿真可以解決電子產(chǎn)品的干擾問題、確認組裝的可行性還有評估它的機械性能。例如通過打印機中掃描過程的運動仿真可以分析接觸圖像傳感器在掃描過程中振動的情況，通過振動程度來優(yōu)化掃描儀結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)。在某型號洗衣機的結(jié)構(gòu)設計中為了對其減震性能進行優(yōu)化，首先用MSC Nastran進行洗衣機柜模態(tài)分析，然后用ADAMS結(jié)合MBD技術進行洗衣機裝配體分析并創(chuàng)建Nastran等效模型，最后用MSC Nastran進行包含柔性洗衣機面板的等效洗衣機振動分析，經(jīng)過多次優(yōu)化之后振動位移下降了70%。對于無線電話的插銷插拔過程，在裝配時如果結(jié)構(gòu)不合理插入過程需要用很大的力，某些結(jié)構(gòu)強行插入后會出現(xiàn)材料發(fā)白的現(xiàn)象。可以通過插銷插拔過程（包括外插銷插入中間支座孔和插入后內(nèi)卡扣插入外插銷兩個插入過程）仿真來優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計。
洗衣機防振結(jié)構(gòu)優(yōu)化
針對跌落分析，企業(yè)會針對產(chǎn)品各個姿態(tài)的跌落結(jié)果制定標準，出廠之前進行試驗。除了直接的電子產(chǎn)品跌落分析之外，對于帶包裝的產(chǎn)品也要進行仿真模擬，有效評估不同包裝設計與材質(zhì)的緩沖與抗損能力，來優(yōu)化包裝結(jié)構(gòu)設計和使用最合適的包裝材料。同時也可以研究產(chǎn)品的各個部件在沖擊、跌落的過程中的塑性變形、強度等方面的問題，由此來判斷在跌落過程中會不會發(fā)生破壞。
模組跌落分析
3.2 通用機械行業(yè)
VPD技術在通用機械行業(yè)的應用內(nèi)容包括焊接應力、結(jié)構(gòu)應力、疲勞壽命、控制系統(tǒng)分析、冷卻系統(tǒng)分析、流程自動化、分析和報告自動生成、瞬態(tài)路面平順性分析等。
工程機械機電液一體化仿真
典型的案例就是ADAMS在風電機的多體系統(tǒng)仿真中的應用，Adams已用于此用途超過10年，它包含齒輪、軸承、控制系統(tǒng)、柔性組件以及空氣動力學荷載的高級模型。典型應用為研究完整系統(tǒng)在各種動態(tài)荷載下的不同行為，方法是查看系統(tǒng)中的位移、速度、加速度和作用力。多體系統(tǒng)仿真是準確預測系統(tǒng)中荷載的流行方法，而荷載以后可用于應力和疲勞分析。通過查看結(jié)構(gòu)的不同部分之間輸入和輸出之間的傳輸功能，也可以在頻域中進行分析，以研究風電機的模式，并進而研究系統(tǒng)的激勵。
風電機的完整仿真
3.3 汽車行業(yè)
VPD技術在汽車行業(yè)的應用內(nèi)容有虛擬試驗場、車門下沉（流程自動化）、制動器嘯叫分析（鏈式分析）、發(fā)動機缸體分析（自動裝配）、共模型（碰撞和NVH）等。
VPD技術在汽車行業(yè)的應用
3.4 其他行業(yè)
VPD技術在交通運輸行業(yè)中的應用內(nèi)容有詳細的應力分析流程和報告自動化、熱力學仿真、氣候舒適度和冷卻、噪聲-振動、橫風穩(wěn)定性、隧道空氣動力學、與障礙物等碰撞安全性分析等。在日用品行業(yè)中的應用內(nèi)容有非線性屈曲壓碎分析、包裝性能分析、密封性分析、跌落測試過程流固耦合分析、裝配線系統(tǒng)建模仿真等。
4 總結(jié)
MSC為用戶提供了多學科仿真全面的分析工具和解決方案， VPD仿真體系是系統(tǒng)和完整的多學科系統(tǒng)虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，先進的多學科聯(lián)合仿真技術能幫助用戶降低設計風險、減少物理樣機試制與試驗、節(jié)省開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期，對于制造業(yè)產(chǎn)品開發(fā)有著重要的意義和應用前景。
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本文標題：MSC通用行業(yè)李偉：虛擬產(chǎn)品開發(fā)（VPD）技術在制造業(yè)的應用
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