Ansys：重新定义仿真

作者：Mark Hindsbo，Ansys副总裁兼总经理

为了使未来产品成为现实，工程仿真必须进行变革。它必须演变发展成一种适合所有工程师、所有产品、并贯穿整个生命周期的工具。如果没有这种演变发展，我们就无法充分利用工业4.0带来的机遇。落后者会被这场创新竞赛所淘汰。

近半个世纪以来，Ansys致力于通过工程仿真帮助客户推动创新，同时降低成本并缩短产品的研发时间。从汽车、飞机、火车到消费类电子产品、工业机械乃至医疗解决方案，Ansys软件已经帮助相关行业创造出能够推动变革的产品。

虽然客户的成就让我们感到惊叹不已，但是我们认为这只是仿真技术所能创造出的巨大价值的冰山一角。目前，仿真正在步入一个新时代，其主要包括以下三种根本性变化：

• 仿真曾经是一种稀缺资源，仅应用于最复杂的工业产品设计，但现在正逐渐成为每种产品设计不可或缺的组成部分。

• 过去，产品仿真仅检测单一属性：单个物理场、单个组件以及单个设计。而现在我们可以利用多个物理场和数字领域的相互作用探索众多系统级设计。

• 或许最令人振奋的是，仿真不只是被用于设计验证，而是用于从早期概念、制造到运营和维护的整个过程。

简而言之，工程仿真变得无处不在，能够对产品创新与性能带来积极影响，驱动营收增长并为终端用户提供优势。

由于这些趋势正在重塑Ansys研发工程仿真软件的方式，以及全球各个行业的客户利用Ansys解决方案的方式，因此我们有必要对这些变革进行深入探讨。

“不只是被用于设计验证，而是用于从早期概念、制造到运营和维护的整个过程。”

简单产品已成明日黄花

当1970年工程仿真技术问世，它代表了一种新奇的功能，但需要技术熟练的工程专家进行设置，而且需要最大型组织机构才能提供的计算资源。因此，它几乎仅用于最复杂、最昂贵的工程产品，如：工业机械、汽车和飞机。

然而，在2018年，没有一款所谓简单的产品。如今，每种设计不断突破极限，以充分利用复合材料、增材制造以及工业4.0所实现的高水平连接性与自动化功能的优势。结果是迎来了新一代智能化、耐用型的可持续性产品。

您可能认为工程大趋势只是通过提高电气化和自主性打破汽车等产品的常规。但是，每个行业、每种产品都在发生数字革命。仿真对于这个全新的世界至关重要，因为只有通过数字方式仿真这些工程趋势带来的所有产品选项，我们才能像行业领导者那样获得创新所需的洞察力。

目前，我们看到Skittles®糖果的制造商Mars利用与涡轮机制造商相同的Ansys先进仿真软件来优化制造工艺。另外，初创公司Nebia利用控制火箭喷焰的相同方程式，节省了喷头中70%的用水量。任何产品都不会因为太小、太简单或者太便宜而无法享受仿真带来的优势。

复杂世界的复杂分析

当我们努力追求更智能、更高效的产品设计时，我们不能再仅仅关注性能的单个方面或者孤立地查看一个单独部件。过去，工程仿真团队很可能孤立地关注单个关键物理场⸺例如，F1赛车制造商可能会关注对速度和性能有重大影响的车辆空气动力学。

如今，得益于仿真软件、硬件和处理速度方面的进步，工程师可以轻松研究多个物理场并评估整体产品性能。这一点至关重要，以F1为例，整体速度和性能并非仅仅取决于空气动力学。燃烧效率、轮胎耐磨性能、电子产品的可靠性等因素都会影响整体性能。一个领域的优化可能会导致对另一个领域做出权衡取舍，因此对所有影响因素进行综合仿真的重要性日益突出。目前，在Ansys全球最重要的100家客户中，有96家使用了至少3种物理场解决方案，并应用于整个Ansys平台。

计算能力与仿真软件的进步还支持对众多设计选项进行评估，从而颠覆整个设计过程。工程师并非通过仿真验证某个具体设计，而是利用仿真在早期概念设计过程中分析成千上万种可能的设计方案，以确定最佳方案。这一点在拓扑优化中最为明显，例如：工程师只需设置某个部件的结构标准，仿真软件即可自动迭代，直到找出最佳设计方案。

仿真工作越来越多地从需求阶段开始，并帮助生成设计方案，而不是在确定了大部分设计选择后再加以应用。为了应对现代产品设计固有的复杂性，并利用快速创新带来的机遇进而在当今社会取得成功，这是一条唯一的途径。

“工程仿真在这个新时代至关重要。”

在整个产品生命周期中产生回报

如今，最重要的变革可能是在产品生命周期的各个阶段更普遍地持续利用仿真技术。仿真曾经作为初始设计与物理测试之间的一项专业工作，现在则被公认为具有巨大的战略价值和财务回报，从早期设计阶段直到产品的现场使用寿命，仿真都能够提供重要优势。

直到今天，大多数产品决策还是靠经验法则来定，而且仿真主要是由工程团队的专家使用。其他人仍然依靠最常用的工程工具，即Microsoft® Excel。随着仿真技术发展为与Excel一样的简便快速，这开启了一个全新的创新时代，每位工程师都能够在设计过程中随时从详细的仿真洞察力中大获裨益。当产品处于早期概念阶段时，设计人员可以利用数字探索来测试初始概念并获得洞察力，从而实现能够满足严苛的用户需求并获得丰厚利润的初步产品设计方案。

如今，Excel可帮助我们实时更新与计算数百万行数据并绘制相应图表，而且谷歌搜索引擎能够让我们即时访问数十亿个网站，令人难以理解的是，每位工程师却不能平等地使用仿真技术。Ansys通过Discovery Live及其它产品取得突破性进展，致力于让这种梦想成为现实。再过几年，如果工程师没有全面使用仿真技术，难以想象我们如何实现创新。

此外，仿真也在越来越多地应用到制造阶段，在此阶段它能够显著提高生产的效率、成本效率和灵活性。随着产品大规模定制的兴起⸺得益于增材制造（即3D打印技术），仿真有助于确保成品拥有最佳形状，同时确保精确度、低成本以及随着时间推移而具有高度一致性。

增材制造使我们有可能生产出几乎任何想象得到的形状，但什么才是最佳形状呢？人类大脑能否想像出最佳形状呢？另外，对于大规模定制，我们如何确保每次变化都能够保持产品的完整性与性能？仿真是大规模发挥3D打印潜能的关键所在，它使企业能够轻松进行按需分析和回答上述问题，从而满怀信心地交付独特、可靠的高品质产品。

随着产品从设计、制造进入运营阶段，仿真能够继续发挥关键作用，从而有助于在现场提供最佳的结果。通过使用远程传感器收集关于产品工况的数据，分析人员可以创建产品的虚拟复制品⸺数字孪生体，然后对数字模型施加相同的物理力和其他环境条件。在不存在或者无法实现物理传感器的情况下，仿真技术作为数字孪生体的组成部分，能以虚拟传感器的形式提供关键洞察力。此外，仿真还可以执行假设研究，以获得最佳性能；而且能够预测严重故障或维护需求。

目前，数字孪生体还处于萌芽阶段，但随着工业4.0日趋成熟，它们会变得愈发普及，能够在云端或者在本地上按需运行。仿真将日益成为一种产品内部的体验，其中数字孪生体是产品设计和运行的内在组成部分，它与人工智能和机器学习算法一起运行。

“仿真也在越来越多地应用到制造阶段，在此阶段它能够显著提高生产的效率、成本效率和灵活性。”

无处不在的仿真：新的必备工具

尽管不是所有企业都对每种产品使用仿真、研究多种物理场的效应或者在整个产品生命周期使用仿真，但是这三个趋势却吹响了未来的号角。行业领导者已经在使用这些最佳实践。不久以后，普遍深入地利用工程仿真将不再只是少数人的竞争优势，而会成为所有人的必备工具。

仿真软件的持续改进使广泛的用户能够在整个企业范围内更轻松地应用这些最佳实践。如果您目前仅在产品研发功能方面或者仅仅针对特定设计方案使用仿真技术，那么您就无法充分发挥Ansys软件的全部潜力，进而也无法为贵公司提供战略优势和经济效益。

当工程仿真软件在大约50年前问世时，相比那些在认识和发挥仿真潜力方面慢一拍的企业，早期使用者很快就从中脱颖而出。未来它将成为每位工程师工具箱中的必备品。