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“从材料微观结构到系统协同仿真”助力《中国制造2025》
MSC中国区技术总监 陈扬博士 本刊记者:本刊记者 金卯 2016-01-25

2015年,国务院正式发布了《中国制造2025》,对我国制造业转型升级和跨越发展做出了整体部署,为中国制造业带来了机遇和挑战。CAE仿真技术作为“工业4.0”时代的战略性关键技术,在制造业先进的国家中已经成为对产品设计,性能优化,升级换代不可或缺的手段,在保证他们产品的竞争力中起着关键作用。仿真也成为现代高端装备制造业的核心研发手段和制造业迈向“工业4.0”的标志性技术之一。

MSC Software公司(以下简称MSC)作为一家具有50多年历史的CAE软件公司,1993年进入中国市场,经过二十多年的不断发展,其产品已经在航空、航天、军工、汽车、机械为代表的制造业的结构强度、NVH、多体动力学、非线性、工艺仿真等领域得到了广泛的应用。近日,本刊记者有幸采访了MSC 中国区技术总监陈扬博士,他为我们讲述了MSC“从材料微观结构-工艺仿真-部件、组装件仿真-系统协同仿真”的产品战略与《中国制造2025》之间的深度契合。

MSC产品线布局

复合材料仿真

节能是《中国制造2025》里提到的大力推动重点领域突破发展的关键词之一。轻量化是节能的重要方法,而采用各类复合材料代替金属材料是实现轻量化的重要途径。主流CAE软件供应商都有面向复合材料的分析解决方案。MSC除了MSC NastranMarc等产品中具备面向复合材料的功能,2012年,MSC继续加强在材料领域的拓展,收购了高端材料仿真领域的领先厂商e-Xstream。对e-Xstream的收购,是因为MSC看重Digimat不仅仅针对短纤维增强塑料和连续纤维,颗粒增强(轮胎),硬质金属,陶瓷,编织复合材料等多种类型的复合材料,对空间分布/各向异性/温度变化/时间变化的复合材料特性的预报都能提供全面的解决方案。大量的物理试验证明,传统方法预报的损伤破坏要轻微得多,对材料的非线性和失效考虑严重不足,这将导致对产品强度的过高估计。而Digimat提倡的方法与试验结果相比,误差可以控制在10%以内。

工艺仿真

在《中国制造2025》中,加快发展智能制造装备和产品,提高精准制造,敏捷制造能力,促进制造工艺的优化仿真,建立基础工艺创新体系也是重要课题之一。在MSC的“材料微观结构→工艺仿真→部件、组装件→系统协同仿真”的整个虚拟仿真链中,工艺仿真也越来越被重视。并且,把在工艺制造过程中产生的残留应力/初始变形反映到部件的仿真中去,将大大提高部件的仿真精度。MSC2015年初收购了集所有金属工艺仿真于一身的Simufact软件。Simufact为用户提供了各种复杂设备包/材料库,支持部件之间非兼容网格和局部加密,并能对复杂的工艺流程进行直观的可视化流程管理,使得设计工程师、工艺工程师也能方便地利用仿真技术,成功地弥补了同类产品的不足。

部件和组装件仿真

组装件仿真是MSC的传统领域,技术水平也是行业内公认的。陈扬博士强调:“MSC在强度、振动、NVH,或者动力学方面都有世界一流的工具,但是通过联合仿真把各个工具串起来,或者是耦合起来,我们可以解决很多两三年以前想都不敢想的东西。”并举出了“基于协同仿真的关门声质评解决方案”的例子:作为汽车NVH特性的第一印象,关门声品质有着非常重要的意义,直接影响着整车品质的评价。陈扬介绍,汽车的关门过程具有时间短、频率带宽、伴有高度非线性冲击和噪声的特点。除了关门冲击引起的门结构振动以外,其他许多因素也直接影响关门声质,比如门结构的重量、密封条、漏气空、门锁的机构等。要对这些众多的要素进行综合考量,一定需要对其进行瞬态非线性声学仿真。利用MSC的声学/噪声仿真软件ActranMSCNastran,Adams,Marc的联合仿真技术,能够描述复杂的关门中出现的鸣铃、异响、尖叫现象,以进一步研究它们影响声质的贡献度和改进方案。MSC的联合仿真技术还应用在发动机活塞冲击等各种瞬态非线性噪声分析中, 含有非线性弹簧/衬套/齿轮接触等的悬架系统/动力系统/传动系统设计开发,飞机/汽车的油箱晃动问题的解决得到了成功的运用。

产品研发的管理

《中国制造2025》中将加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展作为一个重要方向,产品研发的管理是整个制造业中至为重要的一环。陈扬博士也提到,目前每个企业需要做的仿真越来越多,对于经验的积累、数据的管理、仿真设计流程的管理变成了一个瓶颈。“如何以信息化支撑包括产品研发和管理”也是MSC产品战略的重要部分。SimManager产品通过对虚拟产品研发过程的仿真数据和流程的管理,可以较大地提高虚拟产品研发的效率和产品研发的质量。目前已在国内外众多标杆客户进行了部署,并为产品研发管理能力的提高提供了强有力的支撑。

MSC APEX——新一代CAE仿真平台

陈扬博士介绍:这个平台最大的特点就是它是设计者和专家能够共同使用的一个平台。对于设计者,易学易用,在概念设计阶段做仿真。对CAE专家来说,可以从繁重的建模负荷中解放出来,把更多的精力放在仿真精准度的提升和产品的研发上。

MSC Apex,从2014年发布第一个版本以来,MSC Apex2016年初即将迎来第五个版本的发布。作为MSC面向未来的战略性产品,MSC Apex致力于探索新的仿真应用模式,在传统仿真流程中,工程仿真总在不断地进行“仿真-评估-改进”的循环,而MSCApex基于计算部件技术可以大幅减少重复性仿真工作。陈扬博士说,MSC Apex未来会是一款平台化和系统化的CAE软件,目前它还很年轻,但非常有潜力。中国的客户,特别是国防领域的客户非常感兴趣。

在航空领域,MSC Nastran被美国联邦航空管理局(FAA)认证为领取飞行器适航证的指定验证软件,它和MSCAdams成为航空航天领域的标配软件。MSC产品系列被广泛地应用于航空航天及国防行业,其用户包括美国宇航局(NASA)、美国联邦航空管理局(FFA)、洛克希德.马丁公司、通用电气、日本空间探测局、欧洲空中客车公司等,在中国,MSC正在为神州飞船,众多型号的卫星,民用及军用飞机发动机等提供技术保证。基于MSCNastran在航空航天等大工业领域广泛成功应用的经验,MSC软件公司还开发了从静力学、动力学、高级非线性、高度瞬态非线性、控制学等一系列的虚拟产品设计仿真软件和技术,并对这些技术进行了有机集成,形成了全面的数字样机模拟仿真环境,引领了业界虚拟产品开发技术的发展方向。

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