特約專欄 | 仿真大眾化之路
工業軟件行業觀察”特約專家，上海索辰信息科技股份有限公司副總裁，天津職業技術師范大學客座教授，從事軟件研發相關工作25年。
仿真大眾化一：仿真大眾化之路
仿真大眾化二：如何利用精益解決仿真問題
仿真大眾化三：仿真技術主要趨勢
仿真大眾化四：仿真革命來了
工程分析和仿真的未來是什么？
接下來十年將引領CAE走向何方？
設計師和工程師如何才能充分發揮其潛力？
接下來的十年中，推動過去成功并將發展到新水平的驅動力是什么？
推動物理系統，組件和產品的設計
實施仿真治理與大眾化
推進制造工藝和增材制造
應對業務的戰略和挑戰
馬爾科姆·潘塔基(Malcolm Panthaki)：Comet Solutions公司的首席技術官，Comet Solution是以工程多學科聯合仿真工具為主的CAE公司，核心產品是Comet，目前主要方向是汽車行業。
魯本?邦斯(Ruben Bons)：Simcenter STAR-CCM+電子與半導體行業的領軍人物，STAR-CCM+是通用流體仿真軟件，后被四門子收購，在電子與半導體行業，STAR-CCM+主要得益于其產品強大的自動化流體網格技術提供電子散熱解決方案。
胡安·貝茨(Juan Betts):前端分析公司的總經理，前端分析公司是一家工程咨詢公司，主要提供利用高級統計、仿真方法和人工智能解決復雜工程問題的軟件和服務。
格倫·瓦林(Glenn Valine)：GKN傳動系統公司北美公司工程IT總監，是英國工程公司GKN傳動系統部門在美國的運營分公司。主要為汽車應用制造和供應動力傳動系統組件和系統，等速萬向節（CVJ）側軸，錐齒輪差速器，傳動軸和動力傳遞單元。
塞巴斯蒂安·杜赫斯特(Sebastian Dewhurs)：EASA軟件公司業務發展總監，EASA軟件公司主要提供基于Web的低代碼平臺，能夠使用通過Excel，腳本和R代碼等工具創建的應用程序，或和本地和企業工具（例如數據庫，CRM和ERP系統）進行交互的過程，并在其中網絡化一個“低代碼”環境。
胡貝圖斯·圖姆斯切特(Hubertus Tummescheit)：Modelon公司聯合創始人，Modelon公司提供基于Modelica的系統建模和跨領域仿真。
馬克?澤布羅斯基(Mark Zebrowski)：福特公司已退休的仿真專家，曾領導福特汽車的一個仿真團隊實現零硬件的數字原型模型項目。
一
賦予更多人使用仿真的權利
現在，包括CATIA、UG、Creo、Solidwork、Autocad這些CAD軟件中，都或多或少的對CAE仿真功能進行了集成，或者一些不擅長或沒用能力開發自有前后處理器的CAE公司，直接把自己的軟件嵌入到特定的CAD以獲得強完整的功能的例子，例如Thermal Desktop、NeiNastran。
正如魯本?邦斯說的那樣，雖然市面上有一些CAE Embedded CAE軟件出現，但他們并沒有舉起“仿真大眾化”的旗幟，而且在后來的市場競爭中，無一不敗下陣來，被專業且完整的CAE所取代。
魯本?邦斯提到的90年代中期的仿真大眾化說法，主要依據應該是指DARPA開始的“Simulation-Based Design（基于仿真的設計）”研究計劃，其中比較重要的一項內容，就是把用于性能分析的仿真工具嵌入到用于設計的CAD工具中，實現可在進行3D CAD建模過程中直接進行CAE仿真分析。相關可以找到的報道是這樣的：
”在其形成年代，DARPA的SBD（基于仿真的設計）計劃集中在發展相關技術和程序，以提高國家的造船能力。兩個承包商團隊贏得了可行性演示的投標:通用動力公司的電船部、Deneb機器人公司、Intergraph公司、Loral聯邦系統公司、參數技術公司、硅圖公司、愛荷華大學和北卡羅來納大學合作；洛克希德導彈和太空公司(現在的洛克希德·馬丁公司)與紐波特紐斯造船公司、科學應用國際公司和Fakespace公司合作。第一階段演示了創建和細化CAD裝配模型和相關產品數據的程序。
將按照第一階段的大致定義，開發關鍵技術并將其集成到原型系統中。DARPA選擇由洛克希德·馬丁公司領導的小組來開發SBD原型系統。雖然不包含設計或研制具體型號產品，但需要選擇了一艘通用的水面艦艇作為示范項目。到目前為止，洛克希德-馬丁公司已經利用Division公司的dVISE仿真包制作了甲板炮發射彈道的設計仿真。”
--1998年2月《DesignNews》
在90年代中后期，日本豐田公司的一篇論文中也提到了豐田公司在汽車設計中嘗試采用嵌入式CAE的方式，給設計師提供方便的結構強度仿真工具。
現在，包括CATIA、UG、Creo、Solidwork、Autocad這些CAD軟件中，都或多或少的對CAE仿真功能進行了集成，或者一些不擅長或沒用能力開發自有前后處理器的CAE公司，直接把自己的軟件嵌入到特定的CAD以獲得強完整的功能的例子，例如Thermal Desktop、NeiNastran。
正如魯本?邦斯說的那樣，雖然市面上有一些CAE Embedded CAE軟件出現，但他們并沒有舉起“仿真大眾化”的旗幟，而且在后來的市場競爭中，無一不敗下陣來，被專業且完整的CAE所取代。
二
技術大眾化范例
不需要工程師掌握太多專業知識就可以方便的利用仿真來完成工作專業“仿真大眾化”的案例現在已經有一些。例如，在Innovmetric公司的產品宣傳中文案《流體動力學分析領域的一場革命》中宣稱奧迪，寶馬，戴姆勒-克萊斯勒，雷諾轉到了PolyWorks ?工具包后用于為CFD分析構建模型的前處理工作量可以節省達到83％。這樣介紹：
為了進行強大的數字風洞分析，CFD軟件如Exa的Powerflow?需要在準確性、拓撲結構、尺寸大小等方面能夠滿足嚴格要求的多邊形模型。過去這需要幾個步驟來準備用于CFD分析的模型，可能需要長達7天才能完成。首先，必須使用逆向工程軟件系統將數字化的點云轉換為NURBS曲面。將生成的曲面加載到CAD軟件中，并進行了一些編輯操作，例如，特征重建和刪除不必要的細節。然后必須使用另一個軟件包對CAD模型進行曲面細分，以重新創建網格化模型。大多數時候，這種多邊形（鑲嵌）模型還需要進行其他修改才能滿足CFD分析所需的10萬級三角形目標。
“PolyWorks提供了一種直接的方法，極大地改變了用于CFD分析的多邊形模型準備和優化的工作”，來自德國Duwe-3d的Hans-Peter Duwe博士說?！癙olyWorks提供了廣泛的多邊形編輯工具，使我們能夠重建特征曲線，刪除過度詳細的特征以及創建可直接在Exa PowerFlow分析使用的閉合多邊形模型。所有操作都可以在一個軟件解決方案中進行，從而大大減少了流體流分析的時間和成本。
--InnovMetric
“如果看看大多數復雜的技術，它們都有一定的發展曲線，”Comet Solutions公司的首席技術官馬爾科姆·潘塔基說?！凹夹g最初獲得關注的速度非常緩慢，很少有人會使用它。然后它們要么就這樣不痛不癢的發展直到消失，要么它會騰飛。這種技術起飛式發展和被廣泛使用只有當它被包裝成能夠充分發揮其能量時才會出現，而這項技術本身對最終用戶來說會不可見。而且必須要讓它不可見?！?/span>
重點來了，所謂的技術發展曲線適用于前面提到過的GPS示例：GPS技術剛出現時，它僅限于一小部分專業人士。后來，用潘塔基的話說，這項技術迅速發展起來，現在對大多數最終用戶來說GPS這項技術本身到底是什么已經不重要了。對于GPS來說，這種技術的成功是多種因素的結果：美國政府開放了原本用于軍事的技術，電子制造和小型化的進步，以及智能手機的普及等等。
仿真大眾化的道路無疑會有所不同，但潘塔基希望能夠仿真也能實現類似的騰飛。潘塔基如此致力于這一目標，以至于他帶頭發起了RevolutionInSimulation.org組織，這是一個在線社區，意在為仿真的騰飛鳴鑼開道。
“現在是時候了,我們現在必須把仿真技術，還有把所有那些可以使它以安全可靠的方式工作的，必須的專業知識，一起打包并把它包裝成一種形式，以讓成百上千倍的人真正使用仿真，而不用擔心他們也許連拼寫“仿真”這個詞都不會，”他說。
之所以Comet Solution如此賣力的呼吁仿真大眾化的優點，因為Comet Solution公司自2001年成立起，它的主要產品就是基于仿真模模板實現仿真工具的集成環境，其他從事這樣業務的企業一般都以工程咨詢和服務公司出現，而Comet一開始就堅定的走在了軟件公司的道路上。調侃地套用一句廣告詞來描述一下CometSolution的核心業務，“我們不生產仿真工具，但我們是仿真的搬運工！”下面看看Comet Solution的介紹：
在2016年NAFEMS美洲會議上Comet Solution就發表了關于仿真大眾化的演講：《產品建模與仿真的新領域》，KineticVision公司副總裁 Jeremy Jarrett和CometSolutions的創始人兼CTO Malcolm Panthaki展示了Simulation Apps如何正在讓非CAE專家完成一般由仿真專家才能給出的分析結果。這是當下流行的“仿真大眾化”道路上展示的眾多演講之一。
--Comet Solution
三
如何騰飛
致力于仿真大眾化目標的組織，像Rev-Sim.org和ASSESS(分析、仿真和系統工程軟件戰略)，無疑對仿真變革產生了積極的影響。但是現實是，呼吁仿真大眾化是一回事，而真正實現仿真大眾化又是另一回事。如何在一家工程公司內部實現仿真技術的騰飛都是一件無比困難的挑戰，更何況是對于整個仿真世界！
仿真大眾化的騰飛可不是像給設計工程師提供仿真工具那么簡單，就如CAASE2018大眾化議題圓桌會議上的一名觀眾所舉得例子：他的設計工程師們上了一些Altair Inspire軟件的培訓課程，這是一套相對用戶友好的軟件工具，每個工程師都在培訓中學會了如何使用這個軟件。但是問題是，培訓課程結束后，就沒有一個工程師再接觸過Inspire軟件。顯然，大眾化的意義不僅僅是提供仿真工具那么簡單。
工程軟件供應商Altair的Inspire軟件，是一套仿真驅動的設計軟件， Inspire是為設計工程師提供的功能強大且易于使用的生成式設計／拓撲優化和快速仿真解決方案。它快速而輕松地創建和調查有效結構的概念，從而降低成本，縮短開發時間，降低材料消耗和產品重量。
主要功能包括：
晶格分析 － 混合固體和晶格優化結果的結構模擬；
Lattice JawRender － 在假肢上的混合固體和晶格優化；
運動 － 用于負載生成的復雜機械系統的評估系統仿真；
Polynurbs － 通過自動優化PolyNURBS CAD幾何圖形與生成式設計結果的擬合，創建最終的實體幾何圖形。
前端分析公司的總經理胡安·貝茨說:“仿真大眾化過程中最困難的事實際上并不在技術，而是在文化層面。”在貝茨看來，只有當整個組織，從產品經理到分析人員，到設計工程師，都支持對仿真的同樣思維轉變時，仿真大眾化才能成功。
這對于一家企業，或者一個團隊都是非常巨大的挑戰，當然，也不是說這就不可能成功。CAASE圓桌會議的參與者之一，GKN傳動系統北美的工程IT總監格倫·瓦林能夠證明這一點。十多年來，他一直是仿真大眾化的支持者，并已在自己的公司成功地開始實施這一理念。
“當我第一次在NAFEMS(國際有限元工程師協會)會議上討論仿真大眾化時，人們看著我，好像在說，‘什么？你在說什么？你是瘋了嗎？’我始終堅持在討論這件事，因為我們正在這么做，我們已經看到了它的好處，”瓦林說。
瓦林詳細闡述了他在嘗試仿真大眾化過程中提出的一些問題。
“當我們關注一個仿真工具時，我們首先評估它是否包含一套能自動化的提高分析師一致性和可重復性的過程。因為這可能就足夠了。就此止步。因為我們都知道，如果把同樣的問題交給兩三個或或四個分析師，可能會得到不同的結果。而這是不好的。所以當你將其自動化時，你就能消除了這種情況，或者你肯定大大降低這種差異性，”瓦林說。
僅僅是仿真自動化就能算作大眾化嗎？EASA軟件公司的業務發展總監塞巴斯蒂安·杜赫斯特看來，情況并非如此。
“對我來說，大眾化就是無專家化。”杜赫斯特說: “而這真的非常非常困難。”
四
仿真大眾化為誰服務
瓦林解釋說:“我認為仿真大眾化的真正意圖是，當把仿真發展的下一步時，應該讓它能夠使非專業人士使用?！边@樣又回到了仿真大眾化為誰服務的問題上，如果是為應用工程師、設計工程師或項目開發工程師，或任何非仿真分析師服務。那么真要問問自己，它是為誰準備的？到底想對外展露什么樣的存在？因為如果僅僅從過程自動化的角度來看，仍然可能會暴露出一大堆非專業用戶不需要，也不關心的東西。這也就是我們所了解的，當我們開始談論一個新的仿真技術時，我總要問這樣的問題：它為誰服務？我們要用它來做什么？”
其實，實現仿真大眾化的目標就是要弄清楚最終用戶需要了解和掌握仿真的哪些內容，并讓其他的東西都隱藏起來?，F在，有一種應用軟件流行的開發方法，稱為創建Web應用程序，它們使用相對簡單的用戶界面，允許輸入一些可供選擇的參數就能運行。Web應用程序可以作為實現仿真大眾化應用程序的開發選擇之一。例如，Comet Solutions開發了機械制動分析SimApp(公司對Web應用的術語)，允許工程師利用仿真模板來設計和分析車輛、電梯等的制動系統。這個應用程序使用了有限元分析(FEA)技術，但這些分析算法和技術并不暴露給最終用戶。
上面所述的技術會引出一個重要的問題：雖然最終用戶可能不需要深入了解仿真分析技術的細節，但他們仍然需要對仿真結果進行評估。換句話說，盲目信任仿真不是我們的目標。工程師仍然需要確保仿真結果具有物理意義。如果考慮到這一點，我們所說的非專家到底是什么意思呢？
“什么樣的才能稱為非專家呢？”Modelon聯合創始人、Rev-Sim話題主持人胡貝圖斯·圖姆斯切特問道?！八麄儾皇欠抡鎸＜?；他們是：例如，熱管理專家。他們可以評估仿真結果是否合理。但他們不需要掌握仿真的復雜知識和求解器來完成仿真工作?；蛘哒f，它們不需要在在具有仿真大眾化特性的工具上進行培訓?！?/p>
五
仿真大眾化的不同觀點
六
大眾化的未來
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