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在设计过程中仿真

如何将虚拟产品开发（VPD）嵌入到产品生命周期管理当中去？

如何评估在设计流程的早期进行仿真模拟所带来的好处？

如何评估在VPD与嵌入到CATIA中的分析软件上的投资所带来的收益？

传统的“Cow Path”牛路流程

“您知道吗？整个产品生命周期中所花费的成本，有80％在产品设计性能预测之前就已经确定”,许多介绍演示都是以这句话开头的。实际上，这个经常被业界人士引用的统计数字已经被定性和定量研究了多年。在概念、设计与原型制造阶段的决策对后期的产品装配、加工、维护与服务成本究竟会产生什么样的影响呢？通过跟踪产品的整个产品生命周期中所应用的核心技术，研究人员对这种巨大影响的效果做出了量化分析。

后来这些量化的研究范围还得到了扩展，比如在进行关键性决策时，设计团队对于产品的性能到底了解到什么样的程度？可得到的研究结果很令人担心：现在关键性的设计决策经常是基于设计人员的经验做出的，而不是基于对产品性能的可靠评估。

我们知道产品整个生命周期的成本与企业的产品设计流程有直接关系，而产品设计流程又是企业经过多年的改进和积累而产生的结果。Daratech公司的奠基人Charles Foundyller先生将企业目前的设计流程的演变形象地比喻为牛路流程链（Cow-Path）。他将设计流程演化与农场奶牛每天活动的路线作了个类比：奶牛每天的活动会建立并遵循一个固定的路径模式而从不改变，即使是其经常去饮水的池塘已经干涸。他认为目前多数制造企业内部的流程更改是非常缓慢的，基本上不能和市场或制造环境的巨大变化保持一致，因此在流程改进上有很大的空间。

VPD，PLM与数字化企业

很多公司将一系列的CAD/CAM/CAE/PDM工具整合到他们代代相传的‘Cow-Path’牛路流程中。然而，很多工具都是由企业内的某个部门、项目小组甚至是某个人所拥有的，这意味着数据是相对独立地创建、存储和使用的。公司内部的其他成员乃至整个供应链的其他单位对于这些数据的存取没有任何联系。但是在一些应用水平比较高的公司（主要是汽车与航空制造公司）中，他们已经开始认识到整个企业层面对这些相关工具和数据都会产生需求，而不仅仅是某些特定的小组或人员。这些公司采用一种集成的方式对与产品设计和与性能相关的数据进行创建和管理。这些解决方案经常被当作产品生命周期管理（PLM）创新的一部分。PLM是一个企业级的解决方案，它由集成的应用软件组成（CAD/CAM/CAE/PDM），由硬件系统和针对产品开发流程的服务所支持。这些应用软件与其他ERP，SCM和CRM等应用软件相连接，组成所谓的数字化企业。在PLM内部，需要一定数量的基于仿真技术的应用软件，一般称之为虚拟产品开发技术（即VPD技术）。他有3个专业术语即频率HZ：弹簧每秒做反复运动的次数；振幅mm：弹簧反复运动的变化；实验次数 万：弹簧反复运动的次数VPD是一个工程环境，产品开发流程中的各个阶段使用仿真分析和传统物理样机试验将整合在一起，产生可以预测产品性能的重要数据。它是企业竞争力的重要评价指标之一。使用VPD与仅使用传统物理设计与测试方法相比，可以花费更少的时间实现更有成本效益的设计、实现更高的可靠性。

在设计流程的早期获得效益

为什么要在设计过程早期就开始应用仿真技术或VPD技术呢？Stefan Thomake与Takahiro Fjuimoto在一篇名为“The Effect of ‘Front-Loading’ Proble加压速度：高压式170±10ml/minm-Solving on Product Development Performance”(提前解决产品开发问题对绩效的影响) 的论文中，以丰田公司的成功经验为例做了详尽的解释。在90年代早钢绞线实验机实验进程中,如显现忽然断电应若何处置：期，丰田公司重组了他们的产品开发流程，增加了设计员与产品工程师之间的面对面交流和联合解决问题的能力。通过追踪丰田公司的多个开发项目，发迈腾配件现仅在流程实施重组改进沟通后，他们在第3阶段（第一次物理原型）时就找出并更正了40％的问题，在第5阶段（第二次物理原型）达到75％，然而很明显的是，在设计与制造流程的后期发现问题比在第一和第二阶段发现与解决问题要昂贵很多。所以，丰田在诸如CAD、CAM与CAE等PLM技术上重点加强投资来帮助他们发现与解决更多的车辆设计的问题。这些改所出来的测定值都是不1样的进帮助丰田公司在第3阶段发现和更正大约50％的问题，在第5阶段达到大约90％。从90年代末期到现在，丰田持续的增加PLM技术的投资，特别是在VPD技术方面。

丰田希望藉由应用VPD技术可以在第二阶段消除大约80％的问题（在第一次物理原型制造之前），第四阶段的目标达到90％。他们研究的结论清楚地展示了将三维CAD与VPD技术相结合是在开发流程早期识别和更正设计性能相关问题的更为有效的方法，远比单纯依靠CAD数据有效得多。另外，现在丰田正在实施将已开发的项目中遇到的问题与解决方法的相关信息传递到新开发项目的前期阶段，以便进一步加速他们开发周期。

识别工业发展趋势

工业分析专家们也已经注意到了市场的这种发展趋势，并且他们的结论与丰田的研究结论惊人的一致。Ken Versprille，是own协会的设计创新与验证部门关于协作研究采煤机塑料球阀项目的负责人，他谈到他们正在进行的研究显示当前制造业企业的整体发展策略中有五个主要趋势，并强调每个趋势的挑战都是互相关联的：

这五个趋势是：

1、向全数字化设计与验证环境发展的趋势，以数字化仿真取代物理样机和物理试验；

2、将产品开发外包业务纳入整个供应链：不仅仅是部件级的几何模型，而是包括仿真分析在内的整个子系统的开发；

3、对于贯穿整个供应链的仿真数据全面管理的迫切需求，以及建立一个可归档的数据仓库以便解决潜在的产品服务保障问题；

4、广泛利用知识工程软件工具来捕捉公司及业界应用CAE的成功经验和专家知识。

5、在设计流程中尽早运用CAE。D.H. Brown协会称这是现代“超级”设计工程师的关注点。

充分利用已有的技术资产

对于产品开发机构来说，最好是先充分发挥已有的技术资源，并通过整合模块加强已有的仿真分析能力的广度和深度。举例来说CATIA的用户就可以考虑整合在CATIA里面的分析工具（比如ftware公司专为CATIA V5开发出来的"SimDesigner"产品系列）。如此一来，设计人员和工程师就能够更有效的应用累积传承下来的收割机数据及现有的软件工具。在CATIA环境中产生的分析结果可以很方便的用来对多种概念设计做初步评估，使设计团队有能力在时间及预算的约束范围内达成产品功能的要求，并减少物理样机的数量以及重复制造、重复测试的次数和时间。设计团队也能够在投入时间和成本之前，确保产品设计的正确性。仿真分析甚至还能够帮助设计团队确认产品在废弃后是否容易拆解以便回收。

在2002年，ftware公司在全球率先提出的VPD概念，现在已被美国国家宇航局NASA、波音公司、戴姆勒·克莱斯勒、福特、BMW，等航空航天、汽车等世界著名制造企业所认可。ftware公司在VPD概念的基础上发展出完善的VPD企业成熟度模型用以评价企业运用VPD技术的现状。这样做的好处是，在确定成熟度等级的分析、研究过程中，企业可以发现自身的不足，确立企业的发展“标杆”，从而明确企业在VPD技术的发展方向。同时ftware的三条产品线：mOffice，mManager和mDeisgner，又可以分别从仿真分析工具，数据、流程管理和CAD嵌入式仿真工具三个方面，帮助企业在整个产品生命周期内全面提升虚拟产品开发的能力，以适应前文所提到的制造业企业未来发展的五大趋势，最终提升企业竞争力。(end)

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