2025-07-15 09:00

ANSYS--成功的虚拟中国

  在当今时代,来自经济的压力促使我们更快、更多地进行创新,从首次产品发布起就提供强大、可持续发展的解决方案,同时还要降低成本。处于领先地位的世界级公司在将产品付诸生产之前,都采用工程模拟技术,在虚拟的数字世界中设计、优化、制造和测试新产品。这一虚拟技术最初被用于航空领域,因为在这一领域,失败是被无法接受的,连测试也并非一直可行。今天,工程模拟技术已经迅速蔓延至各行业,如航空、汽车、能源、电子,甚至医疗保健、建筑和消费品等。大量研究证实工程模拟技术已经成为不可阻挡的趋势,而且已被大量使用;在当今世界,如果无法借助数字建模来优化和测试产品的话,新产品的设计将无从着手。

  过去十年中国的加速发展,得益于利用强大的模拟技术优势来优化制造工艺、改进现有的设计。现在设计出的全新产品比以往更快、更便宜、更新颖、更稳定。ANSYS,作为工程模拟技术市场的领导者,正积极推动这一技术变革,这一变革可以让世界各地的工程师能快速制定产品解决方案,以应对各种新挑战,如可持续性、机动性、能源、医疗保健等,最终实现全球的繁荣和改善人类生产状况的目标。

  虽然并不一定为大众所知,工程模拟技术已被广泛应用于各个领域,以解决大量常见问题。

  奥林匹克体育场的稳定性

  北京奥林匹克体育场,鸟巢,是一项伟大的建筑工程。它不仅实现了原有的设计原型,而且将作为一个标志性建筑长久存在。在今后很长的使用寿命中,它将经历无数的特殊事件,如欢呼的巨大人群、大地震、具有摧毁力的大风等。就像过去几十年里所建造的其他奥运会或足球世界杯体育场一样,在设计鸟巢时也使用了工程模拟技术,以确保其在各种状况下的稳定性和良好表现,从而让这项了不起的伟大工程成为今后几代人的骄傲。

  塑料饮料瓶

  世界上每天都要消耗2亿个装饮用水或苏打水的塑料瓶(PET)!这意味着每年将产生超过一万吨的PET垃圾。采用工程模拟技术进行的研究可以让包装工程师测试不同的形状,调整生产工艺,以大大减少瓶子的重量,但不影响其耐冲击和抗跌落的能力。这样可以减少10%的塑料垃圾,制造成本更低,需要的原材料更少,同时还可降低环保包装价格。

  挽救生命的电子仪器

  如果说可植入除颤器已经挽救了无数生命,那么新一代除颤器可以在更多的方面帮助病人。在病人心脏病发作的时候,一个现代的除颤器在发送脉冲对心脏进行“复位”的同时,还会给病人的医生发送一条短信,让他知道病人心脏出了大问题,而病人自己可能还不知道。信号干扰对于电子设备来说通常是一项挑战,而且很可能导致得出不正常的结论。电子设备的工程模拟技术保证了信号的完整性,因此也保证病人的生命不受到威胁。如果使用充电电池,那就无需再进行手术,关键是在设计充电过程时,要让它不会引起任何不便或伤害。如果电池充电不可避免地造成局部加热,虚拟原型制造将有助于最大限度地减少受热,使病人更安全,更舒适。

  最高级的泳装

  受鲨鱼皮和其捕食时速度的启发,一些研究人员对鲨鱼皮肤的细节和皮肤附近的水流进行了模拟。模拟结果显示在水下移动时,微流对阻力的影响很大。将这一发现转变成一件虚拟泳衣,将它穿在虚拟游泳运动员的身上,证实了一件先进的泳衣对运动员的表现将产生积极影响。先进的运动装备再加上北京奥运会游泳运动员们的良好表现表明,工程师可以快速地向大自然母亲学习,并以一种可靠的方式进行模拟。

  抗地震

  最近的事件表明, 诸如地震、海啸之类的可怕灾难可能并不常见,但还是时有发生。在这种重大灾难中,建筑、能源或工业设施必须经得住打击。将建筑物虚拟地暴露于这些不大可能发生,但并不是完全没有可能的灾难中,可以预测建筑的确切表现。此外,如果在虚拟失败的情况下,模拟参数数值也可以提示需要改进的地方,以确保该设施的生存能力。破坏性的灾难可以通过工程模拟技术进行虚拟,这样最终设计成型的建筑物就可以在现实中的灾难中幸存。

  颅内动脉瘤

  颅内动脉瘤,在颅动脉上的一个球状物,如果出现破裂,将可能威胁到生命。虽然微创解决方案已经存在,例如卷绕和支架置入,但是它们不是没有风险的,而且如果破裂的可能性不大的话,外科医生也不会考虑采用这些解决方案。目前,外科医生是根据动脉瘤形态、血流动力学及血流评估破裂的风险来作出决定的。从患者头部扫描图看以看到,提取患者的动脉瘤几何模型,模拟出周边的血流是可能的。

  这为外科医生作出正确的决定,提供了许多有价值的信息,诸如峰值压力、颈部的血液流量,壁面切应力等。这一还处于实验阶段的方案正在多家医院进行测试。

  从美国航空航天局研究到在设计和生产上的普遍使用,模拟技术40年的成功故事

  40年前工程模拟技术的出现是因为需要知道测量结果,但测量无法进行(核工业,结构分析)或全面的前期测试无法进行(航空,计算流体动力学(CFD))。主导产业(航空、汽车、能源、化工)和善于探索的公司立即意识到虚拟研究的潜在优点:第一批工程模拟代码在七十年代初得以商业化。

  快速提升的硬件性能迅速地释放出模拟技术和实验室设计的数量等级。在学术研究领域和工业领域普及的数值模拟技术,促进了为发展出可靠和强大模型而进行的研究,为的是能够适当、准确地预测复杂结构的性能。这一趋势最初只是局限于流体、结构或电磁的单物理模型,但市场的需求迅速捕获到将不同的物理学科融入到单一模型的重要价值,因为现实是,跨越多个领域(多物理学科)是经常的事。

  多处理器以及将来的多芯的计算机,打开了通往参数模拟技术(实验设计(DOE))和优化的大门,让设计者们不是只能对一个复杂系统的性能进行简单的预测;模拟成为一种工具,用以测试在产品生命周期内可能遇到的不同情况下的解决方案,或系统地探索各种解决方案,以选择出最好的一个方案。工程模拟早已从研究领域,拓展到开发、生产和制造领域。

  虽然不同的行业和公司并不具备同样的计算机技术的成熟度,但是他们走的是同一条路,那就是积极地采用模拟技术,来设计解决方案的某一部分或整个系统;在将优化后的解决方案应用于整个公司前,通过假设情景或虚拟的方式优化整个流程。

  随着高性能计算机(HPC)动力的不断提高,设计师们正准备将材料和工艺的概率特性纳入研究范围。材料的特性通常只是接近于某一平均值,但实际上并不相同。同样的结论也适用于几何和操作的情况。如果这些小的变化可能听起来微不足道,但是其中的组合有时可能导致完全不同的后果,从而导致了对六西格玛设计(DFSS)需求的增加。建模看起来似乎是唯一的选择,通过概率法来融合和优化解决方案,这被称为强大设计优化(RDO),这是超越目前水平的新探索,但已经成为一个重要目标。

  战略商业影响

  由阿伯丁集团所做的一个近期(2011年5月)市场调查表明,大多数公司的主要驱动因素是产品的上市时间、质量、成本、创新和可持续发展等。根据宏观经济形势,这些因素的相对重要性可能会有所改变,比如产品的成本在过去的18个月就是?主要的驱动因素。但无论该公司是处于有利地位还是困难的境地,产品的上市时间始终是一个重要的问题。

  对涉足模拟技术领域的人员进行的调查清楚表明,不使用工程模拟的直接影响体现在物理原型数量的迅速增加以及产品上市时间和成本的增加上。另一个明显的影响是,新的解决方案欠缺生命力,或解决方案在第一时间不能得到优化。

  如今,97%的财富100强公司和全球大部分大型公司都广泛使用工程模拟技术。这可以解释为,对大公司而言市场的渗透是充分的,但像银行和零售商就不太可能利用这项技术。然而,市场远未饱和,增长正在两个方向上加速。因为中小公司获得模拟技术变得更加容易,它们将其视为公司业务流程的重要组成部分,市场渗透正向中小规模的公司。已经采用模拟技术的大公司则不断增加使用模拟技术的范围,让它变得更系统化和参数化,让它更好地将其融入到公司业务流程。

  因此,现在如果在设计以及生产阶段不大量使用数值模拟技术,将无法生产出新的飞机、汽车、核电工业设施、化学工业设施,涡轮或引擎。当模拟技术速变得越来越普遍,预计在未来的十年内各主要工业产品将在其设计、制造和测试阶段都将享受到数字化研究所带来的好处。

  中国采用模拟技术情况

  中国在制造业取得全球的领先地位之后,很明显的是,中国更加注重成为世界级的设计中心,因为大部分产品的附加值都产生于设计阶段。此外,中国拥有世界上数量最多、经验丰富的工程师,这些工程师在各项重大科技成果中展现了他们的才能;中国已经具备了在设计新解决方案领域成为领导者所必需的一切条件。不拥有现代的先进技术,成为领导者是不可能的。

  作为技术的领导者,那些最好的公司已采取、部署并加强了工程模拟技术,并将其作为最好的如果不是最有效的方法,以应对市场在产品完整性、创新、工程成本管理和可持续性等方面产生的压力。许多聪明和成功的跨国公司已经作出反应,在中国成立子公司或总部,这样不仅利用了中国较低的工程成本,也利用了高技能工程师这一人才资源。

  正如其他任何工业化国家一样,在中国处于领先地位的公司之间的竞争已经开始,如何通过给自己的产品增加附加值来赢得在本国、甚至全球的领导地位和市场占有率成为竞争的主要内容。中国最好的公司紧跟在采用工程模拟方面取得成功的公司的步伐。数字化建模产业在中国本土的快速增长见证了这一自然而然的变革。

  ANSYS的足迹

  作为市场的领导者和规划者,ANSYS是第一个,也是迄今唯一将三大物理学(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。

  对于模拟技术强劲的市场需求,最初的时候被那些善于探索的公司发现,而目前已被许多企业和行业广泛采纳,并作为最有效、快捷、准确的方法,在虚拟世界中来预测、改进和优化的新产品,事实上这也减少了产品上市的时间和成本,同时不影响产品的完整性和可持续性。

  但是,将先进的物理学汇集在同一环境下已经无法满足市场和广大用户不断提高的需求。要让用户轻易获得这种先进的跨物理学科的技术,让工程师、设计师和制造商系统、充分地利用它,是ANSYS目前面对的新挑战。这意味着面对中国市场的需求,ANSYS的解决方案必须加快本土化和反应速度。因此,ANSYS正加快构建与中国市场的密切关系,并正意识到中国将成为未来技术的领导者。

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