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王晓:多物理场耦合仿真任重道远

发布:2012-4-10 8:51:19  来源:模具网Molds.cn  编辑:佚名

——ANSYS日本技术部总经理王晓博士专访

  2011年10月,我在东京采访了ANSYS 日本技术部总经理王晓博士。王博士于30年前开始CFD研究,从事火箭固体推进剂不稳定状态流动的仿真。获得名古屋大学博士之后,曾在两所日本国立大学任助理教授和副教授。1999年,王博士成为ANSYS公司一员,2003至2005年间,曾任FLUENT中国总经理,并成立FLUENT中国公司。王晓博士在Fluent软件研究上有很深的造诣,是一名CFD领域的专家,加入ANSYS后,致力于推广工程仿真技术。此次采访,王晓博士对比了中日两国制造企业应用仿真技术的现状,并结合当前仿真市场发展形态,对CAE技术和应用发展趋势提出了自己的见解。

ANSYS日本技术部总经理王晓博士

    ANSYS日本技术部总经理王晓博士

    黄培:就您在日本工作这么多年了解到的情况,从整体上来看,您觉得中国和日本两国的制造企业在CAE应用方面有哪些差异?存在哪些不足?

    王晓:相对而言,日本企业对于CAE仿真分析的应用在亚洲市场是比较成熟的。从企业角度来说,中国和日本在CAE应用的差异性可以概括为两个方面:一是广度;二是深度

    应用广度方面,从企业规模来说,在日本无论是大企业、小企业,甚至是只有几个人的设计所,都有投资用CFD作为他们的设计辅助工具;从行业来讲,中国的CAE主要应用在航天航空、汽车造船等传统工业中,而在日本,CAE的应用较广,甚至连CFD工程师都没有想到的行业(比如说食品加工、啤酒生产、医疗器械等)都有用到。

    从深度上来说,日本有很多电子企业,他们的技术研发水平都超过了目前已投放到市场上的商品的技术水平。以彩电为例,目前市场上的彩电响应时间1/60秒,实际上日本现在的技术已经超过了这个水平,投放到市场上的并不是他们最新的技术,因为这些企业始终都有超前开发的意识,这个超前开发意识不仅仅体现在CAE应用上,而且整个产品的开发都是超前于市场需求的。一旦目前的产品过时,就立即淘汰,而且马上就有新的产品上市,以此来获得更多的利润。正因为如此,我认为在日本的企业中,开发主要分为三个层次:首先是先端技术研究,即超前研究,比市场上现存的主流产品要超前一代至二代;其次是对现代产品的改进或是故障整顿;然后是真正设计生产线上的设计工程师,这些工程师可能不懂结构或流体分析,但同样需要用到CAE仿真技术。

    另外,日本很多企业在开发过程中,已经把CAE仿真分析规定为必要的流程步骤,比如有的企业在初期设计中如果没有进行CAE仿真分析,是不允许进入到样品生产这个阶段的,不只是大型企业,很多中型企业也是如此。以上是日本CAE市场的特点。

    整体来说,CAE市场的发展空间很大。近年来,日本CAE产业发展日趋成熟,整个仿真技术市场呈现出两位数的增长趋势。在中国,CAE在高校、研究所用的比较多;外资企业由于有相对成熟的CAE体系,相对于本土企业来说用得好一些,虽然也有很多本土企业购买了CAE软件,但是在研发体系的建设方面缺乏一定的经验,使用频率并不高。当然,随着CAE应用的范围越来越广,中国CAE市场也将进入蓬勃发展的阶段
 

    黄:您认为,仿真技术发展有哪些热点?

    王:我认为,仿真技术的发展可归纳为三个热点

    第一,也是最主要的,是系统级仿真,即整体系统的仿真,而不是局部的、单一的仿真,因为很多产品都是和多个物理现象相关的,很难把它分解开来。

    第二如何使仿真工具用起来更加简单、方便。尤其是在日本这种大环境中,越来越多的设计者迫于市场、成本的压力,不得不使用CAE,加快开发速度,提升设计产品质量。因此,仿真工具的易用性,操作的便捷性也格外重要。

    第三前处理技术,也就是网格划分技术,这是一个比较大的挑战。很多客户已经把CAE真正应用于实际产品中,而不是仅仅停留在以简单的几何形状研究为目的的产品中。在汽车、航空、电子等行业,企业都开始针对具体的产品,而不是仅仅做简化结构来分析求解。这就要求CAE仿真分析能快速生成、修改几何形状,方便快捷地进行网格划分。
 

    黄:CAE市场中除了有ANSYS、MSC、ESI、Altair等平台级厂商之外,还有很多专注于某个行业中解决特殊问题的CAE厂商。您对全球CAE市场的格局有何看法?

    王:虽然以ANSYS为首的大厂商占据了市场的主要份额,但其它厂商也有各自的优势和生存空间。就日本市场来说,很多企业在CAE慢慢走向成熟的过程中,开始内部调整,争取CAE产品统一化管理,尽可能用同一种产品。ANSYS是第一个,也是迄今唯一一个将三大物理学(流体(CFD,FLUENT 和CFX)、结构(ANSYS机械)、电磁(ANSOFT))集中于单一环境中的公司, 实现真正意义上的多物理场协同仿真,所以ANSYS在日本的业务发展被广为看好。但是,对于一些特殊问题,必要时也会应用一些专用软件来解决。通用软件和专用软件各有各的市场。
 

    黄:CAE领域主流厂商逐渐形成了包含多物理场分析的整体解决方案。请您分析一下CAE领域Total Solution的发展现状与趋势。

    王:的确如此,主流的CAE厂商已将流体、结构、电磁分析或是其它CAE软件尽可能的集成在某一个平台下,形成Total Solution 解决方案,然后提供给客户。这种解决方案既能为软件开发厂商创造利益平台,又可以让客户使用起来更加方便。

    但是,目前Total Solution的应用还没有普及,即便是在CAE市场发展相对发达的日本。虽然客户对于这种解决方案的需求很明显,但是需求并不等于现在的市场。自从CFX被ANSYS并购后,我每年都在尝试做一些市场活动来宣传流固耦合解决方案,但感觉到收效有限。其原因在于:第一,流固耦合解决方案对设计师的要求比较高。一般的客户尤其是设计工程师,对流体和结构都没有很深的了解,如果将流体和结构结合起来计算对他们来说挑战性太大;第二,厂商自身的问题。厂商在软件成熟度、操作的方便性等方面还存在一定的局限,有待提高,这导致该解决方案推广起来也有一定的难度。

    软件需要不断地进行功能完善,比如在ANSYS 14.0版本中,FLUENT和结构的双向耦合功能有了很大的改进,以前的版本中,需要很复杂的调试,而现在能很容易实现。同时,在ANSYS收购ANSOFT后,推出了流体和电磁方面的耦合。另外,ANSYS旗下也有专门做非线性分析的软件,而且其功能与MARC、Abaqus难分伯仲。

    尽管目前Total Solution应用没有普及,但客户还是很重视CFD、Mechnical这些功能。从优化软件来说,即便应用了iSIGHT这样的优化软件,如果没有know how,效果还是达不到。比如,要做一条理论曲线和某一个实验数据相吻合,就得想办法从分布上逼近这个实验结果,在这个过程中就涉及到优化。由于分布上会出现多个曲线值和实验值很逼近,通过优化的方式,就可以找到均方差最小的一条曲线,由此找出目标函数。而目标函数的定义和个人的经验有很大关系,只有当使用者把目标函数定义清楚以后,才可能用优化软件求解。

    iSIGHT和ANSYS在七、八年前有过合作关系,由于两者是两个独立的软件,在优化过程中,要想将其联合起来使用,有一定难度。如果是做非定常物理现象的解析,一般需要算出很多样本空间,在此基础上,从充分考虑的多个设计方案中,找出所需要的最佳优化方案。所以,需要先建立一个数据量很庞大的数据库,这以当时的技术实现起来是相当困难的。ANSYS目前有Design Explore的优化方案。例如,客户在做设计的时候,某一个设计参数对最终的结果会有什么样的影响,响应曲线是怎样的,当各个参数耦合时,对结果又会有怎么样的影响,通过目视就能选择出相对优化的设计。

    ANSYS本身有很多满足特定需求的功能,在ANSYS14.0版本中的内燃机分析,就把这个解析所需的所有设定参数都集中到了一个平台上,比如针对内燃机的相对麻烦的网格设定、边界条件设定等,这样用起来很方便。ANSYS对这方面很重视以后也会做的越来越多。
 

    黄:您认为中国企业在CAE选型方面的成熟度如何?

    王:中国在CAE选型方面有很大的进步。据我了解,以前在选型方面是非技术性的、人为原因比较多。而现在选型,工程师会评估软件性能,客观地根据使用频度、成本和价格来选择。但是,中国存在对盗版软件使用管理的问题,在IP知识产权方面的意识还不够强烈。虽然国家在这方面下达了相关规定,但是执行力还有待加强。盗版软件的使用,短期看,可以节约成本,但是从长远看,自主研发、核心技术能力也就丧失了。

    ANSYS产品在中国的销售模式是混合式的。电磁仿真软件主要由ANSYS中国销售,流体和结构仿真软件主要是安世亚太负责销售,现在来看,ANSYS中国和安世亚太合作越来越紧密,对于共有的客户可以销售共有的产品。在日本,ANSYS有自己的独资公司,进行所有产品的销售、同时有一家很大的代理商,类似于中国的安世亚太,他们以代理结构为主,现在也销售流体分析和电磁方面的产品。
 

     黄:ANSYS怎样帮助企业实现仿真驱动设计?

     王:仿真驱动设计是指仿真技术可以在产品从概念设计到制造的整个研发过程中,系统地得到应用。真实的产品设计通常需要通过多物理场耦合来进行仿真,也就是需要对多个零部件共同工作的系统进行仿真。如果要对产品各方面的性能参数以及产品所处环境的各种因素都进行仿真分析,就需要用多物理场耦合和系统级的仿真方案。ANSYS以客户的需求驱动实施并购策略和产品研发计划,从结构仿真开始,逐步增加了流体、电磁仿真,又通过并购Apache扩展到芯片仿真,致力于将多物理场耦合和系统级两个维度的仿真分析方法进行协同配合成为一个完整的仿真分析解决方案。

    ANSYS可以帮助企业整顿并规范仿真流程。现在在日本,有些客户已经开始意识到了企业仿真流程整体服务的必要性,我们已经为一些大企业提供了这方面的服务。比如一个做整体厨房设计的公司,在散热设计中应用的是CATIA作为三维设计工具,通过我们的介绍应用了FLUENT FOR CATIA,使企业能够把仿真分析融入到设计过程中。当然,计算机不是智能的,还需要人根据经验和知识来做指导。进行仿真分析后,如果要对产品进行结构调整,就需要依据人的经验判断,然后根据以往的经验分析哪些地方需要修正,我们称之为故障分析。SolidWorks、CATIA和ANSYS 可以实现实时双向耦合,当任何一方做了形状修改后,会自动反馈给另一方。
 

    黄:请您讲解一下,EKM和Workbench与具体的分析软件之间的关系以及各自的功能?

    王:EKM数据管理及Workbench仿真工具应用集成环境组成了协同仿真平台。EKM是仿真的核心,用于对仿真分析过程进行控制,根据企业仿真组织形式和仿真流程成熟度,有个人级、部门级和企业级三种应用模式。通过EKM进行仿真流程及仿真过程数据的管理,可以实现仿真数据的多维度统一管理,保证正确的数据传递到正确的仿真人员;提供扩展机制将特定的仿真流程固化,简化仿真过程;并通过任务流程系统实现仿真项目、流程的有效管理。EKM仿真数据管理平台,可以记录仿真的相关属性信息,存储仿真知识,以仿真库的形式保存工程师的分析经验,从而在设计一个新产品时,可以充分利用这些仿真知识,其他工程师们可以通过搜索仿真结果来理解该工程师的仿真思路,做到不仅能够知其然,而且还可以知其所以然。

    Workbench是一个仿真平台,打通工具软件间的数据壁垒,集成仿真过程中使用的相关工具,形成统一的仿真客户端环境。利用Workbench可定制仿真过程,实现各类仿真分析之间数据自动传递;也可定制仿真模板,封装仿真规范及经验,规范仿真步骤,实现仿真分析向导化;并且Workbench集成了EKM客户端程序接口,经过EKM分解的可独立执行的仿真任务,可通过Workbench或其他仿真工具软件来执行。

    目前客户对仿真数据管理软件的需求也在逐步走向成熟,就近一年来说,EKM的用户数量在日本及全球都在逐步增加。目前EKM主要应用于全球化的,应用CAE研发水平比较高的企业。

王晓博士与黄培博士的合影

    王晓博士与黄培博士的合影

 
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