炫设计 | 什么是仿真分析？

如果您是产品开发设计公司的CEO。您的工程团队设计出了符合您期望的优秀产品。所以马上就投入大量生产了，对吗？

不，先不要着急。在此之前，您必须确定如何去制造它。在制造之前，您需要确保产品能够正常运作。它不能够太容易破坏或被过度构建。您需要构建一个原型并对其进行测试，但这也很昂贵。如何以低成本快速验证您的产品？仿真分析就是答案。

仿真分析是通过计算机模型将真实的或设想的产品进行数学建模的过程

海军上将海曼·里克弗是美国核海军之父，因提倡复制而非模拟而闻名。如果您有时间，资源和财务，最好建立1:1全尺寸原型并在实际操作条件下进行测试。但是，如果您希望快速上市 - 比竞争对手更快 - 而且成本更低，这并不总是可行的建议; 而且，它可能很危险。让人类在没有仿真分析的情况下操作原型来验证安全性很可能使他们受到危害。

海军上将里克弗，现代海军之父，物理原型倡导者。

[美国海军历史中心官方网站]

为了使产品开发更快，更便宜，更安全，科学家和工程师从20世纪40年代开始开始利用计算机的力量来仿真和分析复杂的工程问题。这标志着现代仿真分析时代的开始。

通过仿真，可能的真实世界的条件和环境被应用于模型中，以再现它在真实世界中可能将经历的事情。产品的反应和最终状态的数值结果通常以视觉形式和动画展现出来。

仿真分析旨在验证产品是否满足其操作要求。它可以进一步提供对必要变更的洞察，并验证是否进行了正确的测试。当您确保了较高的安全系数时，可以对边界条件进行测试 - 并针对失败的条件进行重新设计。

工程产品开发的仿真分析可以采用多种形式，包括但不限于：

· 有限元分析（FEA）

· 计算流体动力学（CFD）

· 刚体运动学和动力学。

在FEA领域内，可以执行许多不同类型的分析，例如静态，动态，模态，稳态热，瞬态热和疲劳。

工程师学习如何为以下情况推导和计算封闭式解决方案：

· 均匀载荷下悬臂梁的挠度和应力。

· 受已知热负荷影响的块体的平衡温度。

· 裂纹扩展导致失效循环。

然而，对于由多个部件组成的复杂产品，不规则形状以及诸如航空航天和国防，消费电子，医疗设备和汽车等行业中的材料组合，并不存在封闭形式的解决方案。

因此，仿真分析采用“分而治之”的方法来评估没有封闭形式解决方案时存在的问题。FEA将模型分解为许多小元素，如四面体（金字塔），楔形和砖块，可以使用封闭形式的解决方案。这些元素组成“刚度矩阵”。当约束应用于模型时，刚度矩阵减少到可解的方程数。

对于应用于模型的给定力，我们可以计算位移，从中我们可以计算应变（长度与初始长度相比的变化），然后是应力。这些信息告诉我们物体是否能够承受其操作条件，或者它是否会永久变形或破裂。

除了产品的几何外，“分而治之”还可以应用于分析的其他方面，如负载和时间。例如，当模拟接触和冲击时，可以以增量施加载荷，因为随着接触面积的增加，应力非线性地增加。热量，流体动力学和机制分析将时域分解为小增量以计算增量变化。

通常，仿真分析的最终数值结果是计算安全系数和安全边际，通常这两者在数学上是相关的。并提供关于产品是否能够承受其操作环境负荷的底线答案。

如果我们的产品符合其安全边际，我们可以使用结果进入重新设计周期以优化产品。通过这种方式，仿真分析可以帮助使产品更轻，更美观，更容易制造。

我们应该始终对仿真分析进行实际测试。正如Rickover海军上将所说，仿真分析不是测试的替代品，而是验证我们正在进行着正确的测试（边界线以下的测试）。仿真分析和测试的结合形成了验证过程，确保我们的产品满足要求和意图。

仿真分析对于产品开发过程至关重要，使用计算机功能帮助我们尽可能快速，经济，安全地为我们的需求定义最佳产品。