在应对产品复杂性、轻量化、先进材料和新制造方法等棘手问题时，当今的制造工程师越来越多地使用高保真模拟来可视化应对这些挑战的解决方案。最新的仿真软件可以提供改进产品设计和性能的线索，高端 CAE 软件包和 NC 仿真软件不仅可以帮助确定最佳设计，还可以帮助确定实现这些设计的最有效方法。
使用西门子的解决方案对自动驾驶汽车进行基于模型的验证和验证，该解决方案结合了公司的 Simcenter 仿真软件和新的传感器技术。图片由 Siemens PLM Software 提供增材制造 (AM) 等新制造工艺存在不同的问题对于制造商而言，仿真可以预先确定哪些解决方案最有效。许多仿真软件包现在提供特定于增材的仿真，可以帮助阐明构建增材产品的分层过程，同时还可视化如何提高传统减材金属切削工艺的效率。
解决复杂性问题
在离散制造中，产品开发工程师面临着巨大的挑战，因为从汽车到飞机再到大型船舶和重型机械，任何事物都包含数百万行代码，这些代码使用面向工业物联网 (IIoT) 的电子设备对系统进行编程。
“我们看到的更大趋势是产品越来越复杂，”Siemens PLM Software（德克萨斯州普莱诺）全球仿真产品营销总监 Ravi Shankar 说，同时指出电子产品水平不断提高机械部件。 “驱动它的是数字孪生和模型库d 工程。”
Shankar 说，自动驾驶汽车和无人机是需要仿真软件系统的复杂系统的最新例子。他补充说：“随着轻量化和衍生式设计的使用，我们还看到了对汽车燃油效率和排放的关注。”
西门子最近推出了一种自动驾驶汽车解决方案，该解决方案结合了其采用新传感器技术的 Simcenter 仿真解决方案。在 3 月于芝加哥举行的西门子美国创新日上，该公司推出了该系统，该系统使用 Tass PreScan 虚拟传感器图像和 Mentor DRS360 平台，可自动开发传感器融合和处理算法。
“第一个趋势Tass International（荷兰 Steenovenweg）的产品总监 Martijn Tideman 表示： “这些模型使高保真可以生成的优质人工传感器信息，就好像它来自真实的相机、雷达和激光雷达一样。当您将这些人工数据输入车载处理单元（例如 DRS360）时，您无需驾驶一英里即可评估车载硬件/软件。”
另一个关键是确保自动化Tideman 说，驾驶模拟软件在高性能集群 (HPC) 上运行。
“这些集群可以并行运行许多模拟，从而加快虚拟评估/验证过程。您希望能够在周末驾驶一百万英里虚拟里程。
“自动驾驶模拟器需要连接到范围广泛的其他硬件和软件模块，例如地图导入器，以自动生成虚拟道路网络或车辆动力学仿真工具，以确保车辆正确响应控制动作，”他解释道。 “仿真工具之间的接口越来越标准化”，例如 FMI/FMU（功能模型界面/功能模型单元），Tideman 补充道。
破坏性模拟
Autodesk 的 Netfabb Simulation Utility 解决方案对制造过程执行多尺度热机械分析，并能够将应力和变形聚合到零件尺度响应。图片由 Autodesk Inc. 提供。一些关键的支持技术正在影响仿真在制造中的应用方式。 “虽然有许多技术发展在不断发展和改进，但少数技术发展有可能从根本上破坏仿真功能的使用地点、方式和使用对象，”制造部产品战略和管理高级经理 Seth A. Hindman 说，建设与生产n 在 Autodesk Inc.（加利福尼亚州圣拉斐尔）。
“摩尔定律的适用时间比大多数人想象的要长得多。随着处理能力的不断进步，可以以非常低的价格获得功能强大的硬件。结合广泛的光纤网络的发展，公司可以连接到超过其内部网速度的外部计算资源，”Hindman 说。 “突发容量、弹性计算和可配置的 HPC [高性能计算] 使公司能够从根本上改变他们设计和制造产品的方式，方法是运行足够的分析以真正了解他们的产品在众多应用程序和环境中的性能。”
Hindman 说，制造商也正在远离依赖于网格的分析。
“3D 设计数据无处不在的性质继续推动对不再是网格的仿真工具的需求-依赖和可以受益于与原生设计数据的关联性。这不仅提高了一般工作流程的生产力，还扩大了可以从仿真功能中受益的受众。自然而然的压力是创建更健壮、更直观并打破传统 CAE 要求的解决方案。长期的潜力在于，这可以简化与解决方案的交互并自动执行繁重的任务。”
CAE 中长期存在的将仿真“放在首位”的观点现在正在被客观的想法所取代基于分析，Hindman 补充道。 “虽然前期模拟功能强大，但它仍然依赖于传统的测试您设计的内容与推动满足您定义的目标的设计探索的传统惯例，”他说。 Hindman 补充说，Autodesk 目前正在将其所谓的生成式设计引入工程市场，这刚刚成为在 Autodesk Fusion 360 Ultimate 中可用。
“我们的生成设计技术使系统能够创建受目标启发的设计，这有助于对设计空间进行广泛探索，从而实现基于洞察力的权衡，”Hindman说。 “从历史上看，工程师的主要任务是创建可行的设计。借助衍生式设计，每个结果都能成功满足该基本要求，这意味着决策制定和权衡将提升到核心业务计划的水平。”
模拟增材过程
增材开发继续令制造业兴奋不已，许多仿真开发商最近发布了新的或增强的增材专用版本的仿真软件。
例如，4 月 19 日，仿真开发商 Ansys Inc.（Canonsburg， PA) 发布了新的 Additive Print 和 Additive Suite 解决方案，可为金属 AM 工艺提供模拟。解决方案据说离子使用户能够打印轻质、复杂的金属部件并分析微观结构特性和行为。 Ansys 表示，这将通过限制设计约束、减少浪费和缩短打印时间来帮助降低增材制造成本。
生成设计使用西门子NX软件实现更轻的部分满足所有强度要求。图片由 Siemens PLM Software 提供据该公司称，Ansys 完整的增材仿真工作流程让客户能够在打印零件之前虚拟测试他们的产品设计。该软件在打印过程之前结合了仿真，这让工程师可以在设计阶段设计、测试和验证零件的性能，并大大降低物理试错的高成本。
增材制造是一种游戏-制造业的变革者，said Brent Stucker，Ansys 增材制造总监。 “可以根据患者特定的几何形状生产医疗设备。许多组件的备件库存将成为过去，因为更换零件可以在订购时生产，”Stucker 指出。 “在极端环境中运行的产品，例如石油和天然气行业，可以使用新的 [更耐用] 混合材料成分生产。 AM 提供的几何复杂性意味着可以将数十个组件集成到一个重量更轻、性能更高的组件中。”
Stucker 指出，与 AM 相比，通常没有工程经验的设计师和机器操作员仿真用户现在必须了解复杂的打印过程。
“我们发现，在预测零件能否成功制造时，机器操作员想要的不仅仅是有根据的猜测，”他说。 “他们需要快速理解d 特定机器设置将如何导致零件从支撑件上移除前后变形，以及过度变形是否会导致粉末扩散机构撞击零件 [所谓的刀片碰撞]。这种情况类似于设计师为 AM [DfAM] 进行设计。他们想知道他们设计的零件是否会成功打印，如果可以，该组件的属性是什么。
“仿真将理解增材工艺的力量交到设计师手中和运营商，”他补充道。 “这就是我们将 Ansys Additive Print 开发为独立打印过程预测工具的原因——这样非工程师也可以在几天内使用该工具。”
虽然仿真软件已经成功Subham S 指出，用于确保设计的结构能够在现场操作期间处于服务状态，它也不断受到复杂载荷、材料和物理的挑战ett，Dassault Systèmes（巴黎）Simulia 战略计划总监。 “仿真软件现在趋向于提供多物理场和多尺度解决方案，为各个方面提供预测以加速行业增长。例如，在汽车行业，仿真软件被用于解决从多体动力学、噪声和振动、耐撞性到不稳定流动的多物理场问题，以及材料设计、多尺度材料放大和缩小以及子结构的多尺度问题。 ”
增加预测增材制造工艺形状的能力是制造模拟中最令人兴奋的新发展之一，Sett 说。 “考虑到扫描路径、材料特性、机器和激光特性，我们可以准确预测部件在打印过程中因热量和重力而产生的变形，”他补充道。
模拟增材工艺使建设者更准确准确地预测和控制过程，防止在逐层增材制造过程中发生错误。
Siemens 的 Shankar 表示，增材工艺仿真是西门子去年在其 NX Additive 模块中添加的，使制造商能够预测制造结果。
在 CGTech 的 Vericut NC 仿真软件中使用 HUD 显示多轴加工叶轮零件。水平红色“极限”虚线上方的力优化蓝色图表显示原始 NC 程序中过于激进的加工切削，而红色图表显示优化如何在控制加工力的同时以理想的切屑厚度集中切削。“当您创建层，你必须知道很多事情：它需要多长时间需要冷却吗？部件中的空隙 [空隙或空穴] 是什么？仿真可以帮助解决产品中的空隙和残余应力问题，”他说。仿真还将帮助制造商了解如何标准化流程并了解产品的性能。
西门子目前正在研究具有相变的增材工艺以及零件如何冷却等问题。在某些情况下，由于这些模拟的计算密集型性质，正在使用 HPC。 “计算经常会瘫痪。如果您想解决大型模型，它 [HPC] 很有吸引力，”Shankar 说。
关于增材，Autodesk 继续扩展其解决方案组合，Hindman 说。 “Netfabb 产品组合的最新成员是包含了 Autodesk 生成设计功能。正如我之前提到的，生成式设计使系统能够创建受客观启发的设计，以促进广泛的探索n 的设计空间。该系统如何作为积极参与者发挥作用的一个关键因素是，我们已经教会它具有增材制造过程意识，因此它将生成针对 3D 打印进行优化的结果。”
随着 March Netfabb Ultimate 的发布，除了现有的独立 Netfabb Local Simulation 产品外，Autodesk 还引入了集成过程仿真功能。 Hindman 说，两个 Netfabb 版本现在都包括： 增强了对困粉、热点/灼热和未融合等影响的预测；额外的工艺仿真，如 EDM 零件移除和热处理的影响；提高了 Autodesk 可选的弹性计算服务的性能；将过程分析功能引入 Netfabb Ultimate；以及将模拟驱动的补偿零件预制件交换为原始几何形状的简化功能。
Autodesk 还推出了对直接能量沉积 (DED) 工艺的支持与公司的 Netfabb 和 PowerMill (PowerMill Ultimate) 产品组合合作，以利用多轴机器人控制方面的专业知识。
“这增加了另一种预测高速沉积制造过程中特大变形和故障可能性的能力，”欣德曼说。 “随着公司采用金属增材制造，他们必须面对和克服一些共同的危险。”他补充说，操作金属粉末床融合打印机最常见的挑战是：部件变形、翘曲（打印部件不可接受，可能会损坏重涂机）；热应力引起的故障/断裂（打印过程中零件断裂并可能损坏重涂机）；支撑失败（零件中积累了太多的应力，它破坏了构建板和零件之间的连接，使零件无法接受，并可能使重涂机与零件发生碰撞）；和不同的材料特性（零件有可见e 缺陷或未按预期执行）。
可视化 NC 过程
对于 NC 仿真和验证过程，增材制造仍然是一个关键的开发领域，开发人员开发了 Vericut NC 仿真软件等系统CGTech（欧文，加利福尼亚州），最近添加了一个 Vericut Additive 模块。 CGTech Vericut 产品经理 Gene Granata 说：“增材制造仍然是制造业最热门的趋势之一，因此仿真软件努力跟上。”
“使用能够模拟相同 NC 代码的仿真软件这将驱动机器是保护 CNC 设备并在车间首次制造优质零件的最佳方式。”
新的 Ansys Additive Print 和 Ansys Additive Suite 为复杂、轻型金属零件的增材制造以及分析微观结构特性和行为提供解决方案。图片由 Ansys Inc. 提供。Granata 指出，在复合材料中，两个最突出的最新趋势是关注图形显示和准确表示工件。 “虽然改进图形可能看起来像是一种表面上的改进，但准确预测和可视化复合材料的净形状确实有工程上的好处。制造商开始更加依赖软件来预测零件的最终形状和质量，”他说。 “通过成品工件的高分辨率显示，工程师可以开始以更高的保真度询问他们最关心的特征。”
仿真软件提供重要的过程评估和优化工具，可提高车间生产力，他补充说. “创建‘高效’刀具路径的新选择似乎很受欢迎ar 定期投放市场，但它们的实际效果如何？由后处理 G 代码刀具路径驱动的仿真软件揭示了机器运行时的‘真相’，”Granata 说。 “这有助于 NC 程序员和制造工程师判断不同的加工方法，以便他们最终可以选择最有效的零件制造方法。”
自动化、加工优化和机器灵活性是 Spring Technologies（剑桥）的关键领域, MA)，NCSimul 和 Optitool 软件的开发商正在推动其仿真软件开发，Spring Technologies 总经理 Silvere Proisy 说。
随着市场需要更多的自动化流程，NCSimul 正在开发更多的自动化，他说。 “从 CAM 软件发送到 NCSimul 的数据，它已经过自动验证，模拟结果作为最终报告通过电子邮件发送给程序员。用户不必输入不再使用该软件进行游戏；它可以全部在远程服务器上运行。”
使用 Optitool 的 CNC 加工优化得到改进，他说。 “它现在提供两个级别的优化：一个是减少空切，在不改变材料进给率的情况下优化所有进刀和退刀运动；第二级是学习模式优化，根据切屑厚度或切屑流量等九个切削参数调节材料切削进给，同时不影响原始进给和速度。”
机器灵活性是第三个重点使用其 NCSimul 4CAM 选项进行开发。 “让制造公司能够在几分钟内将工作从一台机器转移到另一台机器，而无需在 CAM 软件中重新编程零件，这就是我们所说的革命，”Proisy 说。 “它读取初始 G 代码并自动重写新代码。”
