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仿真思客之思想筆記——有限元仿真分析，讓一部分人先用起來！
在現(xiàn)今競爭激烈的環(huán)境中，設(shè)計成功創(chuàng)新性產(chǎn)品是企業(yè)持續(xù)增長的關(guān)鍵因素。產(chǎn)品從創(chuàng)意到上市需要整個過程變得更敏捷、更靈活，適應(yīng)性更強(qiáng)也更快速，在新產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計中，隱性的目標(biāo)是“更快、更好、更便宜”。因此有限元分析成為研發(fā)設(shè)計環(huán)節(jié)中重要的一環(huán)。對于企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)來說，有限元仿真分析可以在制作樣機(jī)之前分析設(shè)計的多方面物理性能，顯著提高生產(chǎn)效率，減少在產(chǎn)品或者流程的設(shè)計、優(yōu)化或控制環(huán)節(jié)中，原型測試的數(shù)量和次數(shù)，降低成本。正因如此，近年來，越來越多的企業(yè)將更多的研發(fā)資源投入到有限元分析中。
復(fù)雜問題簡單化——仿真技術(shù)如何改進(jìn)設(shè)計流程？
產(chǎn)品開發(fā)的早期階段--當(dāng)管理者和設(shè)計團(tuán)隊負(fù)責(zé)人在早期就能夠參與到開發(fā)流程中，他們就能深入了解產(chǎn)品設(shè)計的情況。通過更好地了解基于有限元分析 (FEA) 的仿真，他們可以為改進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)流程提供幫助。公司可以加快產(chǎn)品的開發(fā)步伐，減少錯誤，提高利潤率。
對設(shè)計決策的影響--在作出決策后盡快地進(jìn)行“路線修正”是至關(guān)重要的，這可以有效地回答一個問題：“設(shè)計師如何知道作出的決策是正確的？”
舉個例子：目標(biāo)是開發(fā)出一款可滿足以下兩個主要設(shè)計要求的新凳子：(1) 必須能承受200 磅重的人站在上面，(2) 價格必須盡可能低。
設(shè)計顯示了三種可能的方法。一種可行的方法是，采用沒有加強(qiáng)筋的均勻壁設(shè)計（如圖1），第二種方法采用成型過程允許的最小厚度，僅使用 24 立方英寸的塑料（如圖2），第三種方法添加加強(qiáng)筋會增加產(chǎn)品成本，但也將提高結(jié)構(gòu)性能（如圖3）。
考慮這三個可選方案，圖1“不加筋”方案似乎是最高風(fēng)險的決策，因而很可能不具有可行性。圖3采用深筋設(shè)計很可能是最堅固的。在沒有進(jìn)一步的信息下，為保守起見，大多數(shù)設(shè)計工程師都會選擇采用較深筋的可選方案（圖3）。
從直覺判斷，公司選擇采納的是成本高昂且耗時的工模具，而且可能還不滿足這種特定的筋設(shè)計。同時，此產(chǎn)品的設(shè)計可能超出了設(shè)計要求，因而與項目的成本目標(biāo)背道而馳。
那么，根據(jù)有限元仿真分析得出的結(jié)果可以幫助設(shè)計師判斷哪種方案更符合設(shè)計的目標(biāo)，既滿足承重又節(jié)約成本。
即使是沒有經(jīng)驗的設(shè)計師也能看出不進(jìn)行加強(qiáng)的設(shè)計安全性堪憂（圖1）。圖3是之前大多數(shù)設(shè)計師從 “直覺”上判斷的方案，顯然與最佳方案矛盾，成本增加。仿真顯示，采用淺筋的方案（圖2）實際上可以滿足結(jié)構(gòu)方面的要求，相較于深筋的方案（圖3）更加節(jié)約成本。選擇保守的方法后，測試會表明它確實可以承受一個 200 磅重的成年人，然后所有人都會按照這種方法繼續(xù)工作。很顯然它“足夠好”。然而，人們從來都不會知道，采用這種工作流時，它的設(shè)計超出了設(shè)計要求，無謂地增加了 20% 的材料成本。
揭開仿真的唯一目的——更快、更好、成本更低
在大多數(shù)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中，作出切實的設(shè)計決策所依據(jù)的問題可以分為三類：是否可行？ 是否足夠好？是否能更好，更快，成本更低？大多數(shù)設(shè)計都能依次通過前兩個步驟。只要第 1 個問題的回答為“是”，就會將設(shè)計詳細(xì)信息與規(guī)格和成本目標(biāo)進(jìn)行比較，以評估第 2 個問題。大多數(shù)設(shè)計在通過傳統(tǒng)的成型方法確認(rèn)其“足夠好”之后，就會交付生產(chǎn)。
但是，將“更好、更快、成本更低”納入決策過程中，對提高公司效率和設(shè)計流程的可靠性十分重要?？墒?，隨著縮短上市時間的壓力加大，設(shè)計師如何能在不增加開發(fā)時間或成本的情況下，從傳統(tǒng)任務(wù)中挖掘更多價值：答案就在這句古諺里面：“干得苦不如干得巧”。仿真的唯一目的就是提供這種競爭優(yōu)勢，以追求“更好、更快、成本更低”。
說點(diǎn)大實話——仿真是標(biāo)配還是高配？
仿真是今天的通才型設(shè)計工程師可掌握和使用的一項技術(shù)，通才型設(shè)計工程師是站在第一線、提出最多問題并作出最多決策的人。此外，對于努力在行業(yè)內(nèi)保持競爭力的公司，仿真技術(shù)已成為業(yè)務(wù)必需品。作為日常決策不可或缺的一部分，仿真是可以有效實現(xiàn)設(shè)計過程線性化的極少數(shù)工具之一。仿真能夠精確地解答問題，并對后續(xù)決策提供最佳指導(dǎo)。
對于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計，仿真通常分為三個領(lǐng)域：
1、結(jié)構(gòu)仿真用于預(yù)測零件或系統(tǒng)是否將斷裂、過度折彎（如凳子）、抖動、扭曲或解體。2、液流軟件顯示了系統(tǒng)如何對內(nèi)部或外部的氣流或水流等條件作出響應(yīng)，從而確定流體速度、壓力和溫度。3、機(jī)構(gòu)或動態(tài)分析用于綜合連接關(guān)系以及查找力、速度和加速度。在仿真軟件行業(yè)，通常會將這些功能劃分成各個不同的產(chǎn)品。
當(dāng)前工程師如何獲得答案？關(guān)于在未采用仿真的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計過程中采用何種方法，全球的產(chǎn)品設(shè)計師和經(jīng)理們的描述非常一致。 “我們參考了以往奏效的方法，然后對它進(jìn)行擴(kuò)展/簡化。”盡管許多成功的設(shè)計決策實際上都是建立在以前的產(chǎn)品版本和經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，但這種方法通常無法說明如何做得更好。它只是指導(dǎo)了如何實現(xiàn)更多相同的東西。這種新產(chǎn)品或許確實“足夠好”，但可能沒有著手解決如何做到“更好、更快、成本更低”的問題。
思客觀點(diǎn)：
通過在工作流中納入設(shè)計仿真，可以幫助設(shè)計師更快地發(fā)現(xiàn)錯誤，更改路線，并找到正確的方法來處理問題，然后設(shè)計出成本更低、性能更高的產(chǎn)品，從而使公司更快地將產(chǎn)品推向市場。雖然仿真以往專注于驗證產(chǎn)品的“計劃用途”方面，但它還在檢查“可預(yù)料的誤用”方面具有其他價值。通過仿真可以用更低的成本檢查模型的更多方面，因此與傳統(tǒng)成型方法相比，它能檢查更多可預(yù)料的誤用情況。
當(dāng)管理者和設(shè)計團(tuán)隊負(fù)責(zé)人參與時，他們也能深入了解情況。通過了解仿真技術(shù)的基本知識，他們可以就設(shè)計師為何要以特定方式提出某一問題或進(jìn)行特定的近似取值或假設(shè)，提出一些高水平的問題。
對于想成為業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的公司來說，仿真軟件是非常有價值的工具，甚至在產(chǎn)品開發(fā)的最早階段也很有用。仿真技術(shù)帶來的最大好處是它提供了提出問題的機(jī)會，也就是說，可以提出大量與對產(chǎn)品及其運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境的預(yù)期行為相關(guān)的問題。仿真軟件在合適的時間為設(shè)計工程師提供合適的工具和合適的硬件，以使 “假設(shè)??又將如何”理念成為設(shè)計過程的一部分。結(jié)果就是“更好、更快、成本更低”。
當(dāng)設(shè)計團(tuán)隊能夠作出更好的決策時，最終將創(chuàng)造更出色的產(chǎn)品，而設(shè)計仿真正是實現(xiàn)此目標(biāo)的最佳工具。
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