早期的模拟有助提升产品开发效率

随着CAE模拟技术在速度和性能方面的不断提升，工程师用其进行车辆开发的方式也在发生改变。“在这些年中，我们已经成功将CAE分析和模拟应用到我们的开发中，并将其与物理测试结合起来，”通用公司车辆优化工程组经理Simon Xu说道。他还表示通用已经可以减少物理测试工作，甚至在某些情况完全放弃传统的物理测试。不过这对汽车行业内很多人来说已经不新鲜了。而通用公司的愿景是不仅仅采用模拟来进行设计的验证。

“我们认为CAE的最大作用并非只是进行设计验证或对下游设计进行调整，而是通过综合（synthesis）的方式引导整个设计，”Simon解释道。在这种愿景下，实物模型只是为整个由模拟引导的产品开发流程提供辅助性的支持。这与今天的普遍做法大相径庭。“物理模型依然很重要，但是制作成本高，而且要花很长的时间。”

综合与分析有什么不同？“分析，或模拟，从零部件的最底层着手，然后弄清楚整个零部件在设计中的协同关系，以及功能的实现等，”他解释道。在分析中，工程师可以对某个设计进行查验，确保其满足要求，如果达不到要求的话则重新来过。与之相比，综合采取自上而下的方式，而不是自下而上。在综合的方式中，要求（或需求）被用来指导设计的开发。

在综合开发方式中，工程师面临各种挑战，比如需要面对缺乏完整设计数据的车型概念，还比如需要即时做出的反馈要有意义。据Simon表示，其他一些挑战还包括将子系统的各种需求合成起来的方式，而最大的挑战或许是如何在不同领域或学科间取得平衡。此外，某一个要求，比如行驶平顺性和燃油经济性，不能以牺牲其他要求（比如耐久性和安全性）为代价而得到过度的关注。

工具与结果

为了迎合其开发愿景，通用正在开发或采用新的分析工具。这些工具包括随机模拟，即针对不同的录入数据及材料特性运行多个模拟，这样可以获得统计学上的结果。相对以前普遍采用的那种单次运行获得单一结果的方式来说，随机模拟提高了理解的深度。此外，这种方式还需要依赖更多的集成模拟，可以充分利用多学科优化（MDO）的设计方式。Simon解释道，多学科优化可以将从毫无关联的CAE模型中获得的结果整合起来，比如NVH模型、碰撞模型、耐久性模型等，从而为各项要求找到最佳的妥协方案。其他一些推动因素还包括自动化的流程、可重复使用及参数模型，以及用得越来越多的基于模拟数据的实验设计。最后，PLM工具可以帮助通用公司内部及与供应商之间实现更好的合作，并根据需求采用高级业务模式。

他还指出了在公司过渡到虚拟产品开发方式且在开发早期创建一些可供选择的架构时可能带来的其他一些结果。在虚拟“沙盘”中存在无限可能性。“新的概念如果比当前的概念好的话，则需要正当的理由，”他解释道。为什么？“因为新的概念通常非常激进，而且具有争议性。”在采用一个激进的新概念前，公司需要进行全面的调研并找出正当的理由证明其是更好的概念。“你需要在项目开始前就将这些调研工作拆散开，”他说，这样可以确保整个项目不会因为进一步可能的评估而被耽搁。

模板与知识

为了帮助工程师可以在设计流程中相对较早的阶段做出更好的决定，福特采用达索CATIA V5中的技术并将其与福特已经安装的西门子PLM Teamcenter融合起来创建了知识工程模板。“我们在这些模板中将设计和分析方法整合起来，通过这种方法我们将高质量的工程决策提到了产品开发周期的最前面，”福特公司数字创新战略及产品开发规划部门Sassan Khoubyari表示。在这方面，动力总成开发尤其如此。Khoubyari指出在动力总成开发中，关于学科整合所采取的以设计为中心的方法目前不仅包括与寻求物理干扰进行的系统布局研究进行的互动反馈，还包括确定性能的CAE工具，而且还在向制造领域拓展。

“模板就是可以重复使用的模型，可以自动执行一些工程任务，”福特公司发动机设计方法主管Ken Pumford解释道。“这种自动化分不同的层面。对我们来说，最基本的层面是部件的功能，如法兰和孔径等，先建立一些区块，区块组成模型，模型再组成整个车辆。从功能层面开始，我们的模板先创建部件，然后到最高层面，我们再创建组件。”他表示福特采用三个基本类型的模板，分别为几何模板、工程模板以及整合模板。几何模板包含几何规则和几何关系，采用几何约束，而且通常是单一的应用。工程模板的建立同样包含工程设计规则——由福特主题专家（SME）提供的“部落知识”。举例来说，设计人员采用模板为发动机提升阀设计弹簧时可以依照福特内部长久建立起来的规则进行。“综合模板是最高水平的模板，”Pumford表示。“同样，综合模板基于几何规则之上，同时将工程规则带入到设计中，不过这些模板与我们的CAE分析模板综合到了一起。此外还会进行无缝网格划分，还可以对新的设计进行快速地分析。”

采用Pumford所描述的模板，设计人员不必要针对某一个组件中的每个零部件进行详细地设计，这可以说是这种模板的一个优势。“我们有一个模板可以在很少的数据输入情况下进行一个组件下多个零部件的设计。这样，我们的工程师和设计师可以快速地看一下设计效果。为了达到建立多个可行方案的目的，设计师可以在设计流程的最早阶段进行各种可能的假设。”如果设计人员所做的是有效的话，通过充当模型创建器的模板，他们马上便可以知道结果，而不用等到“既成事实”后进行有效性验证才知道。

Khoubyari表示福特在过去三年里组建了一批工程师专门开发了一些针对发动机和变速箱的模板模型。此外还开发了车型模板。他还表示，采用CATIA V5软件中已有的创新技术而不仅仅依赖福特公司自有的技术，是创建模板中遇到的一个挑战。“这样做可以让我们充分利用这些商业化技术优势，同时采用福特具有针对性的最佳实践，然后将这些与CATIA模板整合起来，”他说。此外还有其他一些挑战，比如如何在福特全球网络中建立统一的流程。

这种模板的使用还会给工程师带来一定的影响。“我们甚至开始培训设计发布工程师使用具有模板的CATIA软件，”他说。这些懂得如何使用CAD的设计发布工程师现在可以在不同设计阶段与专业的CAD设计师和CAE工程师直接交流，更进一步提高开发效率。

软件与系统工程

今天的机动车，从乘用车到农业用联合收割机，由各种材料组成，不仅仅包含金属、塑料和橡胶。计算机和软件是这些车辆设计中不可或缺的一部分，而且要在车型设计的最早阶段就要考虑这些软件在汽车系统中的应用。“软件与安全性息息相关，”PTC首席技术官Andrew Wertkin解释道。“现在的汽车都由软件控制，比如电子制动系统、主动巡航控制系统以及转向辅助系统等，一旦控制软件出现故障，就有可能发生灾难性的后果。”他指出现在有功能安全标准可以预防此类故障的发生，比如ISO26262标准。这些软件需要融入到汽车开发流程中。与此同时，硬件和系统与软件一样也同等重要。“我们现在有三个彼此关联的产品开发流程——硬件、软件和系统，”Wertkin解释道。“我们不能让这些流程彼此孤立，必须想办法将它们整合起来。”

基于模型的系统工程便发挥了重要作用。当他提倡现在大家都比较熟悉的V模型方式时，他也指出了其中的不足。“V模型可以用来解释系统工程流程，但是并没有完全体现流程的真正含义，”他解释道。为什么？其中一个原因就是它是一个线性模型，而实际经验表明工程小组并不会以线性的方式来开发产品。事实上，在系统、子系统以及零部件层面都有许多不同的V模型，还要与单独开发的技术线路图进行整合。还有一个原因就是V模型没有完全涉及如何协调不同领域内（尤其重要的是，整个供应链内）设计更改和发布问题。

他提倡采用一种整体的系统工程方式，在不同领域、功能和项目的不同阶段之间建立“信息网”，采用集中管理的方式。采用通用型建模语言进行系统工程，比如SysML标准，可以将这种集中式管理的思路传递到车辆的功能中。采用这种方式在对系统可行性进行验证的时候还可以收集需求。这是一种理想的方式——从简单的模型开始，然后随着项目的不断推进再逐渐渗透到细节部分。他指出一些汽车制造商已经开始实施高级的MATLAB或Simulink模型来描述系统需求，而其他制造商依然通过书面文字的形式进行描述。“供应商成熟性，他们接受模型需求的能力，也是参差不齐的，”他说道。不过，Wertkin指出通过系统建模以及模拟应用获得的模型是整个开发流程中非常关键的一个组成部分，而且能够进行变动管理，可以进行碰撞分析、具有可追溯性、可以重复使用，还可以用于同步工程。

JLR与DS V6

在不同功能间实现数据分享对在开发周期早期建立对模拟数据集中式的使用模式至关重要。不久前，捷豹路虎在达索公司的协助下在整个企业内实施了CATIA V6 PLM系统，该业务转变项目称为i-PLM。

捷豹路虎产品开发运营总监Paul Davies是该项目的负责人。他领导的团队对捷豹路虎车辆开发流程、模具制造技术，以及整个项目及产品生命周期管理（PLM）等相关技术进行了定义，涉及到捷豹路虎全球工程队伍约8000人。在达索发布的一份报告中，Davies表示捷豹路虎的IT部门在历史中创建了大量的遗留数据，约有600多个数据孤岛和孤井。新的捷豹路虎i-PLM系统涵盖了整个车辆的定义。这些信息包括材料清单、零部件和组件、要求和验证以及车载嵌入式软件。此外还包含电子系统的设计、造型以及采用多物理及FEA进行的计算机辅助工程。

据达索公司表示，i-PLM可以让捷豹路虎提高对资料的利用效率，还缩短了产品开发周期。SIMULIA第六版可以让捷豹路虎在虚拟3-D环境中对车辆和材料性能进行虚拟测试。此外达索还表示，在产品开发流程的早期发现错误并进行改正可以节省大量的时间和成本。“第六版可以让用户对所有产品数据和制造过程进行实时3-D可视化处理，”Davies在报告中表示。“SIMULIA第六版在数据创建、可视化、体验和分享方面可以节省大量时间，针对产品开发中的某些阶段最多可以节省40%的时间。”