CAE應(yīng)用推廣活躍 精益成為核心理念

如果說幾年前，CAE（計算機輔助工程）軟件在工程師的認(rèn)知上是件很高端的工具，這是一件很正常的事情。至于如何普及CAE，顯然專業(yè)技術(shù)門檻高，軟件銷售價格高都是其推廣的制約因素。一方面，相對復(fù)雜的建模過程和仿真參數(shù)設(shè)置，對于工程師自身的理論功底要求是很高的。之前某跨國CAE軟件提供商向記者透露，使用此公司軟件的都是至少碩士以上的高級人才。理由很簡單，因為如果連參數(shù)都不能保證設(shè)置正確，仿真的結(jié)果何從談起呢？另一方面，國外CAE軟件的價格普遍偏高，眾多企業(yè)對西方流行的軟件租賃形式也從習(xí)慣上缺乏認(rèn)同感，所以在華CAE應(yīng)用的大范圍推廣，除了航空航天等高端技術(shù)領(lǐng)域，確實存在瓶頸。然而，隨著設(shè)計CAD與仿真CAE在技術(shù)上結(jié)合的越來越“一氣呵成”，面向設(shè)計工程師使用的CAD工具中的CAE嵌入式應(yīng)用讓更多的普通工程師有機會接觸到了CAE。而這對于CAE仿真技術(shù)的推廣而言，肯定是件好事！

當(dāng)前CAE應(yīng)用需求：簡單快速

在今年6月份中國機械工程學(xué)會機械工業(yè)自動化分會主辦的CAE年會上，太原重工的教授級高工王建正先生告訴記者：“再好的CAE，一定要更多的人用才能發(fā)揮出它的巨大優(yōu)勢來。”他舉例說，“最早的打字機只能由專業(yè)的文本輸入員才有資格使用，所以當(dāng)時會打字的人并不多。而現(xiàn)在由于電腦普及了，每個人都能熟練的使用電腦鍵盤進行文字工作。這說明一件東西是好東西，或者一種技術(shù)是好技術(shù)，只有流行開了，大家都用，它才是真正的好東西、好技術(shù)。” 談到目前太原重工CAE的應(yīng)用水平，王建正教授介紹說，CAE提供商提供的通用軟件只是一個基礎(chǔ)，太原重工結(jié)合自身情況進行了CAE上的二次開發(fā)，從而實現(xiàn)程式化、模塊化、參數(shù)化的CAE設(shè)計仿真校驗。太原重工現(xiàn)在的CAE應(yīng)用也呈現(xiàn)所謂的“二八現(xiàn)象”，即CAE專業(yè)人員負(fù)責(zé)相對高端、復(fù)雜的CAE校驗工作，而這種所謂高端CAE應(yīng)用的工作量只占公司CAE工作總量的20%，另一方面，占研發(fā)團隊人員比例80%的普通設(shè)計人員雖然在CAE應(yīng)用難度級別上不高，但對于大量標(biāo)準(zhǔn)的，初級的CAE工作，他們則能夠完全勝任。而實際工作中，這種類型的CAE工作量會占到CAE工作總量的80%，這說明，設(shè)計工程師已經(jīng)是公司CAE應(yīng)用的主力。而每個設(shè)計工程師對自身的設(shè)計校驗工作可以保證一體化，這樣的工作方式效率會很高。
另外太原重工還建立了CAE分析庫。把設(shè)計仿真分析的歷史數(shù)據(jù)和know how固化下來，從而大幅提升CAE工作的質(zhì)量和效率。

太原重工的教授級高工王建正補充說，太原重工的研發(fā)特點是產(chǎn)品線長，產(chǎn)品種類眾多，在產(chǎn)品開發(fā)中，數(shù)據(jù)繁瑣、數(shù)據(jù)量很大，之前使用的CAE軟件工具也有很多，這樣就因多平臺、多文件版本造成了更大的數(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)。所以王建正的總體應(yīng)用體會是：“軟件夠用就行，甚至是越少越好。我們一旦確認(rèn)了CAE分析的可靠性，那剩下的需求指標(biāo)就是兩點：簡單、快速。王建正教授所言的簡單是指使用簡單，也就是軟件工具的界面設(shè)計人性化、用戶友好性高；而快速是指CAE的分析時間。雖然這個指標(biāo)會受到仿真科目、仿真設(shè)置、硬件水平，軟件配置等多種因素的制約，但“越快越好”是王建正代表工程師所表達的心聲。因為只有速度足夠快了，就能增加參數(shù)變化后的仿真次數(shù)；只有足夠快，就能在短時間內(nèi)對設(shè)計模型的細節(jié)進行反復(fù)推敲；只有速度夠快了，才能讓設(shè)計工程師切實體會到設(shè)計、仿真、優(yōu)化設(shè)計、再仿真，從而實現(xiàn)仿真一體化的流暢感，有利于設(shè)計者在一定時間內(nèi)保持思維的連續(xù)性。而對于王教授追求CAE的“簡單”、“快速”，上海汽輪機有限公司設(shè)計研究所的工程師阮文華表示，頗有同感。

上海汽輪機有限公司隸屬上海電氣集團，是國內(nèi)生產(chǎn)電力汽輪機的重點企業(yè)，在其設(shè)計研究所中，汽輪機的設(shè)計相對成熟。現(xiàn)在公司已經(jīng)實現(xiàn)了零樣機（無物理樣機）的設(shè)計流程。全部測試校驗工作也是基于CAE的虛擬仿真環(huán)境。目前公司團隊中有25人參與CAE仿真，而真正負(fù)責(zé)實物試驗的只有5人，而且，他們進行的試驗也是產(chǎn)品動平衡試驗等必須放在制造過程后端的測試項目。阮文華工程師對目前公司新采用的CAE軟件Cosmos顯得非常滿意：“軟件很好用，很容易上手，仿真的結(jié)果和原先積累的實驗數(shù)據(jù)也很接近。原來需要三周的樣機試驗工作，現(xiàn)在半天就解決了。而且關(guān)鍵部位、部件的分析都能快速地得到結(jié)果。

同樣，阮工程師對太原重工設(shè)計模塊化，仿真模塊化的發(fā)展思路也十分認(rèn)同。此外，他再次強調(diào)了軟件的易用性對自身工作帶來的良性影響。“軟件使用界面越簡單，肯定其后臺工作越多。作為設(shè)計人員，我們重在應(yīng)用，因此我們喜歡在使用CAE軟件時有更簡單的交互界面，和步驟更少的操作流程。至于后臺的工作，我們倒不是很關(guān)注。” 阮文華如是說。

精益設(shè)計理念的提出

采訪中發(fā)現(xiàn)，目前很多企業(yè)都在加速CAE的應(yīng)用，而中國制造業(yè)企業(yè)對于CAE的增加投入也是其普遍增加對設(shè)計研發(fā)上的投入的一個縮影。增加投入的目的顯然就是為了提升企業(yè)的核心競爭力，但投入的多寡未必直接等同于提升效果的優(yōu)劣。一些企業(yè)軟件買了很多，反而因平臺多樣、文件版本復(fù)雜，數(shù)據(jù)管理混亂；信息化實施細節(jié)問題眾多，而且不易快速解決等問題陷入更深層次的困境。面對這些企業(yè)成長中的煩惱，國家制造業(yè)信息化重大專項組組長，中國航天科技集團總工程師楊海成教授(其也是國家863/CIMS主題專家組組長，中國機械工程學(xué)會機械工業(yè)自動化分會主任委員)對此開出了自己的“藥方”——精益設(shè)計概念的提出。楊海成教授分析認(rèn)為：“目前國內(nèi)企業(yè)提升自身創(chuàng)新能力的需要迫切，而在全國制造企業(yè)普及二維設(shè)計技術(shù)后，三維設(shè)計的應(yīng)用推廣也在快速展開，三維設(shè)計基礎(chǔ)已初具規(guī)模。這為企業(yè)設(shè)計創(chuàng)新的下一步發(fā)展提供了技術(shù)上的前提與基礎(chǔ)。目前，制造型企業(yè)的設(shè)計需求集中在設(shè)計軟件易學(xué)易用、確保設(shè)計成果正確有效，設(shè)計能為企業(yè)快速增值的具體的需求上。”

另一方面，據(jù)楊教授分析，當(dāng)今企業(yè)仍舊停留在對軟件的應(yīng)用階段，尚不能實現(xiàn)多設(shè)計流程緊密結(jié)合，至于企業(yè)重金打造的數(shù)字化設(shè)計平臺，距離全面支撐設(shè)計創(chuàng)新的平臺也依舊存在不足。

因此，在目前中國企業(yè)有一定的數(shù)字化設(shè)計基礎(chǔ)上，企業(yè)要做到有效實現(xiàn)設(shè)計價值，同時控制設(shè)計成本，這就勢必呈現(xiàn)出一種設(shè)計需求發(fā)展的新趨勢，即優(yōu)化設(shè)計的成本、效益、效能。做到精益化。

楊海成教授闡述了精益設(shè)計概念的內(nèi)涵和外延：講精益就是在講“瘦身”。其中所謂“精”，就是少，是無多余設(shè)計要素。相對而言的龐大、豪華、或通過堆砌產(chǎn)品功能片面追求通用化的做法都不足取。要達到精，就要考慮設(shè)計環(huán)節(jié)的精簡，關(guān)鍵環(huán)節(jié)的優(yōu)化和加強。所謂“益”，就是要經(jīng)濟性好，即在成本與質(zhì)量上找到平衡。所以“精益”合起來就是要達到一個最優(yōu)化的效果。精益設(shè)計的特點要突出工程性、集成性、能力性和整體性。突出工程性是要強調(diào)在具體設(shè)計項目中，工程性指標(biāo)大于技術(shù)性指標(biāo)。這很好理解，因為工程中，技術(shù)指標(biāo)只是全局中的重要一環(huán)，但不是全部。時間因素、成本因素、以及各種相關(guān)條件都會對項目成功產(chǎn)生影響或是制約。所以強調(diào)推出工程性就是強調(diào)務(wù)實。

其次，強調(diào)集成性就是要實現(xiàn)“1+1”等于2甚至大于2的效果。因為在設(shè)計環(huán)節(jié)中涉及人員、設(shè)施、軟件工具等多個部分，其中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計知識等也是影響設(shè)計的重要因素。所以，將各種資源有效配置，實現(xiàn)整體上的集成優(yōu)勢，這其中就蘊含有搭配、組合、優(yōu)化等多種資源的藝術(shù)了。

第三，精益設(shè)計中要強調(diào)能力，而不僅僅是堆砌各種設(shè)計業(yè)務(wù)的手段，因為任何手段都不等于能力，這就好比購買先進機床的數(shù)量不等于形成生產(chǎn)力的多寡。能夠在每個具體設(shè)計項目中駕輕就熟，處置得當(dāng)，才是精益設(shè)計新條件、新要求下的成功之法。楊海成教授說：“企業(yè)對于精益設(shè)計的應(yīng)用目標(biāo)一定要上升到企業(yè)核心競爭力為目的。”這說明提升創(chuàng)新能力才是楊海成教授倡導(dǎo)企業(yè)貫徹精益設(shè)計戰(zhàn)略的核心目標(biāo)。

最后，精益在設(shè)計理念再次強調(diào)整體性。精益設(shè)計的運用核心就在于全局觀和對設(shè)計項目的系統(tǒng)整體的把握能力。

談到如何在設(shè)計中實現(xiàn)精益化，楊海成教授認(rèn)為，首先就是要落實數(shù)字化設(shè)計手段作為精益的基礎(chǔ)地位；“在信息化與工業(yè)化融合的大發(fā)展背景下，我們不能將信息化作為簡單的工程應(yīng)用。要將精益化貫徹到這種融合中去。精益將是流程的變革，其中必然包括流程再造和重組。而我們也不能僅僅視信息化為工業(yè)化的一只工具。將硬件平臺、軟件平臺和數(shù)據(jù)簡單地累加起來。真正的精益化設(shè)計平臺是要通過組合、優(yōu)化，形成企業(yè)設(shè)計研發(fā)的能力平臺，而這種工業(yè)化與信息化的融合，就是兩種方向的集成 它的突出表現(xiàn)就是協(xié)同化。” 楊海成教授說。

上海汽輪機的阮文華工程師在采訪中談到產(chǎn)品價值核心在于設(shè)計，而不是CAE，CAE仿真分析的作用就是為設(shè)計保駕護航的。我們姑且不論阮工程師對于CAE價值的判定是否十分準(zhǔn)確，單從他的觀點中，我們也能體會到CAE應(yīng)該服務(wù)于設(shè)計的正確定位，也就是說，CAE作為設(shè)計研發(fā)中的重要組成部分，是精益設(shè)計戰(zhàn)略中當(dāng)然的重要一環(huán)。

國家制造業(yè)信息化專項組組長楊海成教授同樣非常看好CAE技術(shù)節(jié)約大量研發(fā)時間與成本的能力。他提出利用CAE虛擬技術(shù)、并行技術(shù)、分布式協(xié)同等目前最新的技術(shù)，從結(jié)構(gòu)性分析、運動學(xué)分析、動力學(xué)仿真、 熱力學(xué)仿真等多領(lǐng)域為設(shè)計需求服務(wù)，從而用信息化的手段全面快速地提高設(shè)計產(chǎn)品的性能與質(zhì)量。

同時，楊海成教授還提出在CAE應(yīng)用中應(yīng)預(yù)防“大馬拉小車”的問題，楊海成說：“企業(yè)不應(yīng)付出高昂的投入，僅為解決自身入門級的應(yīng)用需求。而應(yīng)該結(jié)合自身特點，選擇恰當(dāng)?shù)腃AE平臺。另一方面，將CAE應(yīng)用投入片面的集中在軟件平臺的購買上，而忽略了目前真正的CAE短板，即對于工程師的培訓(xùn)與投入。因為根據(jù)“木桶短板”原理，企業(yè)未來精益的設(shè)計研發(fā)水平將是最短短板所能達到的水平。”

對于楊教授精益設(shè)計理念的產(chǎn)品化解讀，安世亞太副總裁趙敏先生應(yīng)該很有發(fā)言權(quán)。安世亞太作為國內(nèi)知名的CAE軟件提供商，長期代理ANSYS等國際知名CAE軟件產(chǎn)品，對中國CAE用戶的需求十分了解。同時，安世亞太正在積極致力于打造先進的國產(chǎn)精益研發(fā)軟件平臺，站在精益的高度，為解決國外CAE產(chǎn)品未必能解決的實際問題提供更好的策略和方法。在趙敏先生介紹安世亞太用自身產(chǎn)品解讀精益設(shè)計，乃至精益研發(fā)的解決方案時，他提出了所謂“大質(zhì)量”管理的概念——產(chǎn)品、零件、項目時間、項目完成度、服務(wù)等各種方面都有質(zhì)量控制的需求。所以這種質(zhì)量管理的應(yīng)用應(yīng)該是貫穿設(shè)計生產(chǎn)服務(wù)全周期的。由于安世亞太自身的積淀優(yōu)勢，加上其整合由TRIZ理論支撐的創(chuàng)新管理軟件、跨平臺CAE軟件和專業(yè)質(zhì)量控制軟件等，打造新的企業(yè)精益研發(fā)平臺。這也使安世亞太在呼喚民族企業(yè)在當(dāng)前CAE產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮更大作用的呼聲中，被本土用戶寄予了更多的期望。