做仿真,除了自己信,別人都不信

仿真工程師常自我調侃:做仿真,除了自己信其他人都不信。

試驗工程師也常說:做試驗,除了自己不信其他人都信。

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其實,我們也經常被問:仿真到底準不準,有沒有價值?

真逗,我擺攤賣瓜的,你問我這瓜保不保熟?

今天聊一個工程領域老問題:仿真和試驗如何和平共處。


一、做實驗其他人都信

試驗能代表真實世界嗎?

其實不能。試驗的本質是在實驗室建立真實世界的物理模型,即使你用盡全身力氣,嚴格控制各種變量,也無法保證所有因素都完全復制。更何況,試驗本身還會對被試對象產生干擾。

比如在航空領域,飛機研制需要吹風洞,在地面模擬天上的情況。但中國的軍用運輸機運20,它翼展近50米,飛行速度超900km/h。

你去哪找這么大,風速這么快的風洞?全世界都沒有。

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沒辦法,只能縮小,應用“相似性原理”做縮比模型。對低速飛行器,盡量保證縮比模型的雷諾數和真機一致。而對高速飛行器,則盡量確保馬赫數一致。

既然是縮小模型,就意味著很多細微的幾何和部件難以精確捕捉。更進一步,支撐或者吊著飛機模型的支架,也會對飛機周圍的流場產生干擾,引入額外誤差。

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但這些因素外人并不知道——這大風扇呼呼地吹,還能騙我不成?

再比如,在汽車、家電、石油化工領域都會用的熱交換器,假設你向客戶保證你的換熱器能穩定工作10年。怎么證明?

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總不至于裝在試驗臺讓它連續運轉10年,廠子都拖黃了。

這時往往要做加速試驗,在有限時間內模擬產品整個生命周期的損傷累計過程。比如適當增大壓力,適當提高溫度,適當增大振動的幅度,做到“試驗臺一天,抵實際一年”。

顯然,加速試驗也有偏差,有可能試驗臺一天只相當于實際一個月,也可能相當于實際兩年。

但這些因素外人并不知道——這試驗臺咣咣地振,還能騙我不成?


二、做仿真只有自己信

仿真能代表真實世界嗎?

更不能。仿真的本質是在電腦中建立真實世界的數學模型,在這個過程中,為了防止電腦爆炸,必須做到抓大放小。忽略或簡化那些不重要的特征,在精度和計算量之間做權衡。

比如做汽車風阻仿真,通常簡化輪轂結構、刪除輪胎花紋、雨刮器等。

比如做結構強度仿真,經常將薄壁結構簡化為面單元,將細長桿結構簡化為梁單元,將彈簧結構簡化為彈簧單元等等。

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刪除哪些,簡化哪些,這其中就有仿真工程師的經驗。所以不同的人對同一個問題用同一款軟件做仿真,很可能得到不同的結果,一個和真實情況相差2%,另一人則相差5%。

他們都沒錯,因為仿真和真實世界之間本就有偏差,而且這個偏差往往比試驗的偏差更大。只要偏差在可容忍范圍,或者對同一類問題,仿真結果與試驗的變化趨勢是一致的,那么仿真結果就可接受,有工程價值。

仿真工程師做了哪些簡化,自己心知肚明,具有相當的理論自信。但外人并不知道這些——你的仿真整個一黑箱模型,我又看不見它咋算的,憑什么讓我信?


三、你們不要再打了啦

試驗和仿真都是對現實世界的模擬,各有優缺,它們二者之間不應是對立和取代的關系,而應是互補。

有的場景仿真很難算準,比如結構的強非線性問題,比如復雜的湍流問題,再比如多物理場耦合問題,都讓仿真工程師頭大。

而有的場景試驗又很難涉足,比如等尺寸的飛機氣動測試,比如火箭高超聲速運動,再比如沖擊爆炸問題,試驗工程師看一眼就渾身發抖。

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成本低是仿真的最大優勢,因此其最適合用在產品開發初期的探索性設計和優化。待初步定型之后再生產加工,做試驗驗證。

國內長期以來都存在輕仿真重試驗的情況:你如果看到一個企業只有仿真部沒有試驗室,肯定會驚掉下巴,但反過來卻是常態。

公司老板花300萬建個試驗臺,感覺性價比頂天高;但30萬買一套仿真軟件,卻感覺自己被搶了。

分析其根本原因,還是過去幾十年我國各行業一直處在跟跑的位置。開發新產品的過程大部分都是仿制過程,而仿制并不需要做探索設計和優化,做最后的驗證試驗就夠了。因此整個過程,當然也不需要做仿真。

產業逐漸升級后,部分行業跟無可跟,產品仿無可仿。就必須做正向研發,做摸索和優化,此時仿真的必要性就體現了。


四、雖遲但到,吹自家產品

天洑作為中國領先的工業軟件企業,不僅開發了流體仿真軟件AICFD和結構仿真軟件AIFEM,還提出了更具體的正向研發路線。

路線一,自動優化。基于自動優化設計軟件AIPOD,讓尋優算法取代人工經驗,調用CAE軟件做多目標優化。你一覺醒來,發現軟件已經跑了幾百個設計,并自動找到了最優組合。

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路線二,變保真度建模基于數據建模軟件DTEmpower,結合高保真度(試驗結果、精細網格仿真結果等)和低保真度數據(粗網格仿真結果等)建立代理模型,同時兼顧高精度和低計算成本,做到設計性能的快速秒級預測。

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以上四款軟件均可從天洑官網下載試用,歡迎體驗!

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