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也谈CFD和CAD的“两C融合”——未来的企业CFD模式

日期:2019-04-02

2010年,AberdeenGroup 157家顶级企业的研发当中遇到的问题进行了一次调查,排名前五的问题如下:

 

Ø 问题发现得太迟

Ø 成本,性能和质量的权衡

Ø 频繁的设计变更

Ø 预测一个真实的世界环境

Ø 缺乏技术专家

 

第一,  问题发现得太迟

 

实际研发过程中,有一些问题到了研发后端才暴露出来,比如一个高功率密度的电子官网,无论使用什么样的散热技巧,其结温就是过不了关,这个时候只能有两个选择,要不降低功率,要不整个方案推倒重来,而这两个选择都不是想要的结果。

 

第二,  成本,性能和质量的权衡

 成本,性能和质量是天敌,工程上通常是通过妥协设计来权衡,不仅仅是三者之间需要妥协,在每一个参数的内部同样需要妥协,就拿性能来说,重量和强度通常就是一对冲突的指标,为了提高产品的强度,不得不增加产品的重量,这种妥协无处不在,以至于很难找到一个最佳的折中方案。

 

第三,  频繁的设计变更

产品设计者对设计变更自然是很头疼,却不得不面对。有一些是内因,由于对产品相关的技术理解不够或者缺乏系统思维。更重要的是外因,来自客户的要求——我们的上帝改主意了,无论是多么的荒谬和心血来潮,看在Money的份上还不得不笑脸相迎。

第四,  预测一个真实的环境

产品是功能的载体,每一个产品的设计都会依据一个假定的使用环境。某企业设计一款控制的申博上限就是60度,当然这个申博上限通常可以满足使用要求,然而该企业的产品销售人员无比的强大,他们把这个产品卖到了非洲——一个夏天的室温就可能是60度的地方,最后的结果是产品的返修率5%,企业每年为此付出的维修费用是5000万人民币——这样的教训还是少一点比较好。

第五,  缺乏技术专家

技术专家本身也是一个双刃剑,好用不便宜,而且不好找,当然如果能花钱请到技术专家,那还算是幸运的,多少企业的项目流产于关键技术的突破?能挖到的技术专家基本上是省钱的,如果企业想自身内部要培养技术专家,只能用钱来堆了,还不一定堆得出来。

 

 

         CAE技术的出现,为企业研发提供了新的思路,前段时间有机会和一个神交已久的业内大拿喝茶,倾听他对行业的见解,受益匪浅。这位兄台名下有多个公司,为国内企业提供CAE软件及相关咨询服务,特别是在汽车行业有多年的积累。众所周知,汽车行业(包括零部件)是国内CAE运用最成熟的行业之一,每个主机厂的很多部门都有自己的CAE团队来支撑企业的研发,零部件为了提高研发和响应速度,也大力发展各自的CAE的能力建设。

天南海北,海阔天空,此君谈及他们在汽车行业的辛勤耕耘,如数家珍,说了很多有趣的应用,尤其是他提及他和某主机厂之间的一个实际案例——他们称之为“两C融合”。

    “两C融合”的背景是CADCAECAD主要任务是设计,把通过CAD软件,把产品在电脑中表现出来,CAE的主要任务是仿真,通过计算机数值技术,对产品的性能和可靠性进行评估和优化。在企业研发体系里面,设计,仿真和测试通常是不同的业务小组,每个小组各司其职,研发工作在这三个小组之间不断循环迭代,各小组通力协作,解决研发中的难题。

            然而貌似简单的逻辑框架在具体实施过程中,却有很多不足之处。企业设计人员和仿真人员之间很多时候关系并不和谐,甚至是对立的。设计人员自己多年的设计经验被一个不懂产品只懂仿真的毛头小伙子说自己的某个设计不合理,这个拿着一推花花绿绿的图片的家伙,有什么资格来指点我?仿真的员工说,明明后处理图片已经显示这个产品某部分的申博已经超标,而设计人员不顾自己的建议,依然决定使用这个不合理的设计方案。测试人员常常讥笑仿真人员的仿真结果不可信,而自己却很难得到重复性高的实验结果。设计人员抱怨测试人员实验周期太长,实验要求太高,导致设计进展缓慢,而仿真的计算虽然比实验好像是快了一点,而且并不依赖实际的产品样机,但其速度也适应不了频繁的设计变更,通常产品方案已经到了2.0,仿真1.0的计算结果还没出来,林林总总,打不完的官司,吵不完的架。

仿真从专业角度上去区分,大概可以分解成结构,申博,电磁,碰撞等几大类。在一定程度上,我们甚至注意到,CAE供应商往往迫使企业不合理地使用高成本、高学历的工程师和科学家(即仿真“专家”),为产品开发实体(即设计部门)的实际生产环节提供简单的仿真服务。这是因为在很大程度上,CAE供应商无法提供真正可供其实际目标受众,即设计工程师操作的工具。更糟糕的是,这些昂贵的专家并没有将其宝贵的时间花在创造性的活动上,即利用他们的知识和能力来构思和创新新产品,而是将大部分时间和才华浪费在克服CAE 仿真工具中存在的技术缺陷上,例如清理复杂的CAD 几何图形,生成计算网格,或设置和监测解收敛以获取有意义的结果等需求上。所以在企业内部,让仿真人员去做设计的工作,企业是不愿意的,那么能不能让设计人员去做仿真的工作呢?我们不妨用CFD为例,来分析一些让设计人员从事CFD计算的必要性和主要障碍。

    传统的 CFD 仿真过程在近 30 年里几乎一成不变,当前完成的大多数 CFD(我们估计可达80%)都符合以下定式:在CAD 中创建几何图形,将其导出到网格划分工具并进行网格划分,建立和运行CFD 求解器,对结果进行后期处理,关注到几何图形并做出修改,然后继续周而复始地执行上述设计循环。

    过去 20 年里涌现了 SpaceClaimANSA等多种前处理工具,在清理“未简化CAD”、改进网格划分等方面大大改善了传统CFD 工作流程。它们改善了几何图形的清理、面网格和体网格划分,但无一例外只是一种提高效率的做法,其仿真流程,并没有太大的改变。

    仿真工具(包括 CFD)终究只是工具,通过运行这些工具获取仿真结果也不过是面向企业的实际任务提供的一组仿真计算结果来支持研发,目的不外乎为客户创造卓越的产品并建立具备全球竞争力的创新体系。

Aberdeen Group对于如何解决调查得出的Top5的问题,他们给出的建议是:

·      仿真提前

·      “一次性做对”

·      分析专家和设计人员之间的协作

·      在概念设计阶段进行更多的设计迭代

·      定义评估产品开发的最佳实践

·      减少产品独特零件的数量(简单的复杂度)

    这些战略性的建议,应该是要求企业不但要做仿真,而且要做大量的仿真,在概念设计阶段就要做仿真。不考虑成本因素,理想的CFD工程师应该是这样的:

·      深度了解其产品和设计

·      受过培训,能够针对问题找到创新的解决方案

·      每天运用各种设计工具

·      预期这些工具能够可靠地工作

·      不太关注这些工具的工作原理

·      非常灵活,不拘成规

·      表现出强烈的“坚持到底”的态度。

 

    结论不难得出,让设计人员做CFDCFD做到“两C融合”才能从根本上满足现代企业创新的需求。

    然而,当今的CFD工具的特性使得CFD的“两C融合”必须面临一些显而易见的障碍:

 

一、   当今的 CFD 仿真工作流程取决于传统 CFD 方法中所用的基础数值方法,而不是用户自己的工程设计工作流程。

 

二、CFD 甚至使用更为复杂、不完整、不稳定、不精确有时还不可靠的物理和数值模型,尝试对实际产品功能的真实物理复杂度进行建模,这些模型:

1. 并不普遍适用于看起来相似的情形(例如,汽车上或飞机机翼周围的外流空气动力学);

2. 附带大量在正确使用代码之前需要考虑的非常具体(有时甚至不外传)的应用限制;

3. 不对用户提供任何直接的失效反馈(因而令其变得更加扑朔迷离);

4. 需要数量庞大的计算资源 (CPU),而且不保证在仿真过程结束时取得成功(即获得“正确的答案”)。

 

三、当今的大多数 CFD 只不过在虚拟世界勉强重现了真实世界的实体产品情形,但在洞悉所采用的工程设计流程、发现设计缺陷和存在改进可能的方面以及新设计方针等方面,通常并未提供任何“附加价值”。在上述所有方面,用户不得不自行推断,通常在积累多年的实践经验后才能有所心得。CFD用户过分专注于数值解,而不重视实用性培训。

 

四、许多 CFD 并未降低工程师了解产品物理场的门槛。事实上,有证据表明,情况恰恰相反。使用CFD的工程师通常必须非常熟悉产品的物理场(或具有深入的见解),才能在传统的CFD 工具中选择和设置正确的“建模选项”,以及识别CFD 建模错误。因此,有讽刺意味的是,将CFD 用作设计工具来了解产品开发中的物理行为,要求工程师具备更多的物理场知识。

 

五、当前建立的传统CFD 方法不允许用户按照工程师习惯的工作方法开展创新活动。CFD不具备实时互动性,无法提供沉浸感或处理有形物,难以满足现实的工程时间表要求。CFD的角色被局限于真实物理世界到虚拟世界的转换;软件在帮助工程师通过以下途径消除真实物理场的复杂性方面未能起到辅助作用:仅仅专注于重要和相关的设计方面、以交互方式解答用户的问题,甚至建议最佳做法。

 

六、当今许多 CFD 应用是以孤立工具的形式展开的,因为 CFD 代码往往与一种基础数值方法密不可分,从而将其限定于某些实用的行业应用。任何宣称的“多物理场”仿真或更甚者,我们姑且将其称为“多学科物理场”,如果看起来只是通过在某个平台上来回传输数据,在多个孤立的工具之间建立非常呆板的联系,都是荒诞不经的。又或者,它试图仅仅使用一种数值方案来扩展物理建模能力,这种方案最初适合某个有限的功能集,但在面向其他应用时根本无能为力。

 

七、不可回避的一点是:CFD 的使用非常昂贵。如果没有至少 50 万到100 万元的软件费用,并且聘用一位身价不菲的CFD 工程师(超过30 万元的年薪加上日常管理费用),根本无法开展CFD,这还没有包括采购功能强大的PC 的费用和其他杂费。对于中小型企业而言,这类费用无疑将成为其采用CFD 技术的重大障碍,有些企业选择采用替代方案,例如运用内部应用专业知识和基于经验法则的Excel

 

八、可悲的是,当CFD 专家用户感到自己的地位或工作受到威胁时,也会成为“两C融合”的绊脚石。毕竟,捍卫其作为业界精英的地位并阻挠变革,这也是人之常情。

 

九、最后,CFD 行业没有帮助用户积累、处理和发布多年来在数十亿次CFD 仿真中收集的知识和经验,而是将所有这类工作留给个人用户或用户团体来探索。

 

        来自行业或者行业以外的多种力量关注CAE的两C融合工作,结合计算机及相应工具的特点,尝试克服这些障碍的可能性。

 

一、高性能计算——HPC

   随着摩尔定律成为电子领域无可辩驳的发展趋势,如今的硬件变得相对廉价(即CPU 处理能力和内存),以有限的成本在CFD 仿真中投入更多的CPU 现在成为一种可行的做法。事实上,当前用于CFD 的核心数量多达10