仿真+AI技術(shù)為快消包裝行業(yè)賦能提速、降本增效、推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。

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輕量化設(shè)計(jì)不僅關(guān)乎成本削減，更在于放大環(huán)保影響力。每減少一克材料，都能節(jié)省樹(shù)脂用量、減少?gòu)U棄物產(chǎn)生，且隨著貨架上數(shù)百萬(wàn)件產(chǎn)品的規(guī)模化效應(yīng)，成效將十分顯著。而 PhysicsAI 讓我們能夠以前所未有的速度實(shí)現(xiàn)這些成果。

—— Kinetic Vision 開(kāi)發(fā)總監(jiān)

Shane Mooney

”

關(guān)于客戶(hù)

自 1988 年成立以來(lái)，總部位于美國(guó)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)咨詢(xún)公司 Kinetic Vision 始終與《財(cái)富》500 強(qiáng)企業(yè)攜手合作，打造具有變革性的產(chǎn)品、流程及數(shù)字化優(yōu)先解決方案。合作領(lǐng)域涵蓋多個(gè)垂直市場(chǎng)，包括快消包裝（CPG）、醫(yī)療技術(shù)、汽車(chē)、航空航天、供應(yīng)鏈等。Kinetic Vision 團(tuán)隊(duì)有一眾行業(yè)專(zhuān)家，擅長(zhǎng)運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品、系統(tǒng)、流程及運(yùn)營(yíng)的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化。這些多學(xué)科專(zhuān)家將人工智能（AI）等前沿?cái)?shù)字工具與豐富的原型制作、測(cè)試及計(jì)量能力相結(jié)合，為客戶(hù)提供全方位支持。

位于俄亥俄州辛辛那提市的 Kinetic Vision 創(chuàng)新中心

面臨的挑戰(zhàn)

Kinetic Vision 的快消包裝客戶(hù)始終面臨著巨大壓力：需在不影響產(chǎn)品性能的前提下，降低包裝成本并改善可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)。據(jù)聯(lián)合國(guó)大學(xué)水、環(huán)境與健康研究所數(shù)據(jù)顯示，2021 年全球共生產(chǎn)了 6000 億個(gè)塑料瓶。從環(huán)保角度來(lái)看，塑料瓶無(wú)疑是材料輕量化的重點(diǎn)目標(biāo)。輕量化設(shè)計(jì)通?？蓪?shí)現(xiàn) 20% 至 30% 的材料節(jié)省，這相當(dāng)于每年減少數(shù)十億美元的塑料瓶被送往垃圾填埋場(chǎng)。

然而，傳統(tǒng)有限元分析（FEA）研究耗時(shí)耗力，往往需要數(shù)周甚至數(shù)月才能得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。這使得包裝工程師難以大規(guī)模探索替代幾何結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致潛在材料節(jié)省空間（據(jù)《未來(lái)市場(chǎng)洞察》2024 年吹塑塑料市場(chǎng)報(bào)告顯示，潛在價(jià)值達(dá)數(shù)十億美元）未能得到充分挖掘。

Altair解決方案

Kinetic Vision 采用了 Altair PhysicsAI? 這一具有突破性的 AI 驅(qū)動(dòng)仿真方案，融合深度學(xué)習(xí)與歷史計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）數(shù)據(jù)的強(qiáng)大能力，可快速提供物理預(yù)測(cè)結(jié)果。通過(guò)利用歷史仿真數(shù)據(jù)訓(xùn)練 PhysicsAI 模型，Kinetic Vision 成功以近乎即時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果替代了冗長(zhǎng)的有限元分析運(yùn)算，將求解時(shí)間從數(shù)小時(shí)或數(shù)天縮短至數(shù)秒。

為驗(yàn)證解決方案的準(zhǔn)確性，Kinetic Vision 在四種非線(xiàn)性場(chǎng)景中，將 PhysicsAI 的結(jié)果與傳統(tǒng)仿真方法進(jìn)行了對(duì)比。以下總結(jié)了仿真模型場(chǎng)景及其對(duì)應(yīng) PhysicsAI 模型的訓(xùn)練相關(guān)數(shù)據(jù)：

1. 織物在行走人體上的貼合度建模

• 仿真工具：采用 LS-DYNA 運(yùn)行的動(dòng)態(tài)顯式模型
• 計(jì)算耗時(shí)：使用 64 個(gè)高性能 CPU，需 24 小時(shí)完成求解
• PhysicsAI 模型：基于 22 組仿真結(jié)果訓(xùn)練而成
• 訓(xùn)練時(shí)間：使用傳統(tǒng) CPU，耗時(shí) 2.5 小時(shí)

1. 零部件第二、第三階段屈曲評(píng)估

• 仿真工具：采用 Abaqus 運(yùn)行的動(dòng)態(tài)顯式模型
• 計(jì)算耗時(shí)：使用 64 個(gè)高性能 CPU，需 2 小時(shí)完成求解
• PhysicsAI 模型：基于 180 組仿真結(jié)果訓(xùn)練而成
• 訓(xùn)練時(shí)間：使用傳統(tǒng) CPU，耗時(shí) 48 小時(shí)

1. 吹塑工藝優(yōu)化（瓶體制作）

• 仿真工具：采用 Abaqus 運(yùn)行的動(dòng)態(tài)顯式模型
• 計(jì)算耗時(shí)：使用 64 個(gè)高性能 CPU，需 7 小時(shí)完成求解
• PhysicsAI 模型：基于 47 組仿真結(jié)果訓(xùn)練而成
• 訓(xùn)練時(shí)間：使用傳統(tǒng) CPU，耗時(shí) 9 小時(shí)

1. 瓶體頂部載荷擠壓應(yīng)力與變形評(píng)估

• 仿真工具：采用 Abaqus 運(yùn)行的動(dòng)態(tài)顯式模型
• 計(jì)算耗時(shí)：使用 64 個(gè)高性能 CPU，需 35 分鐘完成求解
• PhysicsAI 模型：基于 45 組仿真結(jié)果訓(xùn)練而成
• 訓(xùn)練時(shí)間：使用傳統(tǒng) CPU，耗時(shí) 7 小時(shí)

輕量化瓶體設(shè)計(jì)的頂部載荷仿真

（左圖為應(yīng)力分布，右圖為擠壓測(cè)試渲染圖）

下圖片展示了 PhysicsAI 模型與傳統(tǒng)仿真相比的計(jì)算時(shí)間及準(zhǔn)確性。該圖表顯示，計(jì)算速度實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的提升。同時(shí)，與有限元分析結(jié)果相比，AI 得出的結(jié)果準(zhǔn)確性也很高（準(zhǔn)確率在 87.5% 至 97.5% 之間）。借助這一技術(shù)，Kinetic Vision 主要快消包裝客戶(hù)的產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)周期從數(shù)周縮短至數(shù)天，使這些品牌每年節(jié)省數(shù)百萬(wàn)美元，同時(shí)大幅減少塑料廢棄物。

項(xiàng)目成果

Kinetic Vision 的產(chǎn)品包裝輕量化研究揭示了以下關(guān)鍵價(jià)值：

• 快消包裝企業(yè)可通過(guò)在多條高產(chǎn)量生產(chǎn)線(xiàn)中減少材料使用，每年節(jié)省數(shù)百萬(wàn)美元成本；
• 通過(guò)輕量化、可持續(xù)的設(shè)計(jì)，每年可減少相當(dāng)于數(shù)十億個(gè)塑料瓶被送往垃圾填埋場(chǎng)；
• 運(yùn)行于標(biāo)準(zhǔn) CPU 的 PhysicsAI 模型，其速度比傳統(tǒng)有限元分析快 350 倍至 4000 倍，同時(shí)準(zhǔn)確率保持在 87.5% 至 97.5% 之間；
• AI 生成的結(jié)果既能達(dá)到仿真分析的工程嚴(yán)謹(jǐn)性，又能支持創(chuàng)新的規(guī)?；七M(jìn)。

對(duì)應(yīng)的 PhysicsAI 模型，求解速度快 350 倍，誤差僅為 2%

吹塑塑料制品無(wú)處不在，且大多數(shù)產(chǎn)品仍沿用傳統(tǒng)原型制作與測(cè)試方法進(jìn)行保守設(shè)計(jì) —— 盡管經(jīng)驗(yàn)證的仿真技術(shù)已存在數(shù)十年?？煜b設(shè)計(jì)優(yōu)化所需的數(shù)百次仿真以及隨之而來(lái)的數(shù)周甚至數(shù)月時(shí)間，被視為產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)、實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售的不必要障礙。

而 PhysicsAI 改變了這一現(xiàn)狀。其帶來(lái)的直接成果是，領(lǐng)先企業(yè)每年可節(jié)省數(shù)億美元成本，同時(shí)減少相當(dāng)于數(shù)十億個(gè)塑料瓶被送往垃圾填埋場(chǎng)。例如，通過(guò)實(shí)現(xiàn)快速的設(shè)計(jì)迭代，PhysicsAI 助力 Kinetic Vision 及其快消包裝合作伙伴以前所未有的速度，推出了更輕便、更堅(jiān)固、更具可持續(xù)性的產(chǎn)品包裝。

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Altair 是計(jì)算智能領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者之一，在仿真、高性能計(jì)算 (HPC) 和人工智能等領(lǐng)域提供軟件和云解決方案，服務(wù)于16000多家全球企業(yè)，應(yīng)用行業(yè)包括汽車(chē)、消費(fèi)電子、航空航天、能源、機(jī)車(chē)車(chē)輛、造船、國(guó)防軍工、金融、零售等。

近期，Altair被全球工業(yè)軟件領(lǐng)導(dǎo)者西門(mén)子收購(gòu)，成為西門(mén)子數(shù)字化工業(yè)軟件(Siemens Digital Industries Software)旗下成員，進(jìn)一步鞏固西門(mén)子在仿真和工業(yè)人工智能領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者地位，其技術(shù)正與西門(mén)子X(jué)celerator解決方案進(jìn)行深度整合。

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