觀點(diǎn) | 工業(yè)仿真軟件技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)分析

2017-02-05 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)仿真技術(shù)作為工業(yè)生產(chǎn)制造中必不可少的首要環(huán)節(jié),已經(jīng)被世界上眾多企業(yè)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中。隨著智能制造、工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一輪工業(yè)革命的興起,新技術(shù)與傳統(tǒng)制造的結(jié)合催生了大量新型應(yīng)用,工業(yè)仿真軟件也開(kāi)始結(jié)合大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、大規(guī)模數(shù)值模擬等先進(jìn)技術(shù),在研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、服務(wù)管理和維護(hù)反饋等工業(yè)各環(huán)節(jié)中凸顯出更重要的作用。我國(guó)工業(yè)軟件廠商需把握新技術(shù)新市場(chǎng)帶來(lái)的機(jī)遇,彌補(bǔ)軟件技術(shù)短板,找準(zhǔn)定位,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)與壯大。

一、新技術(shù)引領(lǐng),工業(yè)仿真軟件走向智能化

工業(yè)仿真是對(duì)實(shí)體工業(yè)的一種虛擬,將實(shí)體工業(yè)中的各個(gè)模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)整合到一個(gè)虛擬的體系中,在這個(gè)體系中模擬實(shí)現(xiàn)工業(yè)作業(yè)中的每一項(xiàng)工作和流程,并與之實(shí)現(xiàn)各種交互。工業(yè)仿真軟件承擔(dān)著對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程中的建模分析、虛擬現(xiàn)實(shí)交互、參數(shù)效果評(píng)估等重要作用,單純的建模軟件可視為CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))軟件,而當(dāng)前仿真和分析常常會(huì)結(jié)合在一起,通常提到仿真軟件,主要是指CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)軟件。隨著3D、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)逐漸進(jìn)入工業(yè)仿真領(lǐng)域,工業(yè)軟件對(duì)工業(yè)元素描述更精確、更細(xì)致,仿真模型得到持續(xù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化,軟件與工業(yè)實(shí)際應(yīng)用結(jié)合更緊密,虛擬仿真軟件成為了工業(yè)軟件未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)。工業(yè)仿真軟件呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì):

工業(yè)仿真軟件技術(shù)與性能不斷演進(jìn)提升?；谟?jì)算機(jī)群的并行計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算,基于云和互聯(lián)網(wǎng)的集成化協(xié)同使仿真軟件的計(jì)算能力不斷提升,如美國(guó)ANSYS公司推出 Workbench仿真平臺(tái)包含高性能計(jì)算(HPC)功能和并行可擴(kuò)展性,提升復(fù)雜仿真求解能力。另一方面,工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)得到不斷豐富與完善,更多部件模型、行業(yè)材料、設(shè)計(jì)方案和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范信息納入仿真軟件數(shù)據(jù)庫(kù),ANSYS 在其EKM產(chǎn)品平臺(tái)中提供多物理場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)管理,開(kāi)放的數(shù)據(jù)交換功能可集成試驗(yàn)、第三方和其他物理場(chǎng)的工程數(shù)據(jù)。同時(shí),計(jì)算機(jī)圖形處理能力、三維圖形算法和圖形運(yùn)算發(fā)展均有增強(qiáng),虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)應(yīng)用促進(jìn)實(shí)現(xiàn)了真三維和虛擬仿真,沉浸式交互系統(tǒng)使工業(yè)仿真更加立體,圖形表現(xiàn)更加真實(shí)。

多體多態(tài)多物理場(chǎng)復(fù)雜耦合仿真迅速發(fā)展。得益于計(jì)算處理、數(shù)據(jù)支持、圖形化等基礎(chǔ)支撐技術(shù)的持續(xù)提升,面向多相多態(tài)介質(zhì)、多物理場(chǎng)、多尺度等復(fù)雜耦合仿真的新型工業(yè)軟件日漸豐富,其實(shí)現(xiàn)形式主要有兩種:一是通過(guò)開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行多仿真系統(tǒng)耦合的聯(lián)合仿真,如法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)公司推出Dymola平臺(tái)軟件,可基于FMI/FMU接口聯(lián)合AMESim、PROOSIS、Simulink等十幾種不同建模工具和機(jī)電分系統(tǒng)進(jìn)行仿真,實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域模型聯(lián)合求解仿真;二是通過(guò)增加仿真模塊,融合先進(jìn)仿真技術(shù),單系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域仿真。如瑞典多物理場(chǎng)仿真軟件公司COMSOL不斷整合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁等多領(lǐng)域世界領(lǐng)先公司和高校最先進(jìn)求解器技術(shù),推出多物理場(chǎng)復(fù)雜耦合仿真軟件,具備超過(guò) 30 個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域附加模塊,在Desktop?集成環(huán)境中提供專(zhuān)用物理接口和工具,并擁有世界先進(jìn)的復(fù)合材料求解算法和工程庫(kù)。

二、產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,工業(yè)仿真軟件領(lǐng)先廠商動(dòng)作頻頻

全球工業(yè)仿真軟件產(chǎn)業(yè)格局相對(duì)固定,以ANSYS、MSC Software、達(dá)索系統(tǒng)、Altair、西門(mén)子PLM等為代表的國(guó)際CAE/CAD軟件巨頭在技術(shù)、產(chǎn)品、市場(chǎng)等多方面均以較大優(yōu)勢(shì)領(lǐng)跑。隨著工業(yè)仿真應(yīng)用日趨廣泛和復(fù)雜,并向多學(xué)科多物理場(chǎng)景的智能仿真發(fā)展,國(guó)際工業(yè)仿真軟件廠商也開(kāi)始通過(guò)收并購(gòu)、研發(fā)合作等方式,推出新的產(chǎn)品,以期繼續(xù)引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)甚至新一輪工業(yè)革命的發(fā)展。

并購(gòu)整合,從單一領(lǐng)域向綜合領(lǐng)域進(jìn)軍。ANSYS近幾年收并購(gòu)動(dòng)作頻頻,通過(guò)納入多種類(lèi)型仿真軟件公司的領(lǐng)域和能力,擴(kuò)展了自身工業(yè)仿真軟件的使用范圍和客戶(hù)群體。例如其并購(gòu)ANSOFT和Apache公司,補(bǔ)充強(qiáng)化了電子電磁仿真領(lǐng)域直流、交流電路設(shè)計(jì)、無(wú)線藍(lán)牙設(shè)計(jì)、電磁爐和微波爐的電磁場(chǎng)計(jì)算;通過(guò)收購(gòu)軟件開(kāi)發(fā)商Fluent,其加強(qiáng)了流體仿真分析軟件(CFD)功能,提高了模擬流體流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等問(wèn)題的準(zhǔn)確度;收購(gòu)Gear Design Solutions公司,借助其半導(dǎo)體和電子系統(tǒng)的專(zhuān)用大數(shù)據(jù)平臺(tái),增強(qiáng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的預(yù)測(cè)精確度。

廣結(jié)盟友,實(shí)現(xiàn)仿真軟件工業(yè)功能擴(kuò)展。部分廠商通過(guò)開(kāi)發(fā)平臺(tái),聚集并對(duì)接了大量產(chǎn)業(yè)鏈伙伴,利用行業(yè)資源針對(duì)特定工業(yè)需求進(jìn)行仿真軟件的二次開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)了工業(yè)仿真功能的擴(kuò)展。例如歐特克(Autodesk)公司推出工業(yè)制造仿真平臺(tái)fusion 360,支持3D打印實(shí)用工具,并集成了來(lái)自多個(gè)合作伙伴的服務(wù)和應(yīng)用,包括BriteHub的服務(wù)、CADENAS的parts4cad應(yīng)用等,通過(guò)不斷擴(kuò)充優(yōu)化工業(yè)模型與行業(yè)資源庫(kù),使其仿真軟件應(yīng)用范圍從單一產(chǎn)品仿真擴(kuò)展到工藝與生產(chǎn)線裝配仿真等領(lǐng)域。

三、國(guó)內(nèi)工業(yè)仿真軟件產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展,兩大難題有待破解

據(jù)IDC統(tǒng)計(jì),2015年CAE軟件在制造業(yè)各領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛,全球保持8%左右的增速,制造企業(yè)在產(chǎn)品生命周期各階段對(duì)仿真軟件的應(yīng)用逐漸增多。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上,2015年仿真分析類(lèi)軟件繼續(xù)保持較高增速,實(shí)現(xiàn)了近15%的增長(zhǎng),明顯高于其它工具類(lèi)軟件的增幅。從細(xì)分領(lǐng)域來(lái)看,航空航天及軍工行業(yè)是CAE應(yīng)用的主要行業(yè),約占42%的市場(chǎng)份額;其次為汽車(chē)及交通運(yùn)輸行業(yè),占據(jù)20%的市場(chǎng)份額;電子高科技和工業(yè)裝備行業(yè)分別占14%和13%市場(chǎng)份額。從應(yīng)用趨勢(shì)來(lái)看,工業(yè)仿真技術(shù)主要應(yīng)用于大中型離散制造業(yè),尤其是航空航天和國(guó)防、汽車(chē)、裝備制造及電子高科技等行業(yè)企業(yè),同時(shí),能源、鋼鐵、石化等行業(yè)的大型企業(yè)均開(kāi)始涉足CAE等仿真軟件產(chǎn)品應(yīng)用。

雖然我國(guó)工業(yè)仿真軟件市場(chǎng)發(fā)展良好,但仍面臨產(chǎn)品技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用兩大方面的困難和不足。一是產(chǎn)品技術(shù)方面,國(guó)內(nèi)工業(yè)仿真與設(shè)計(jì)軟件核心算法產(chǎn)業(yè)化能力不強(qiáng),國(guó)外廠商掌握CAE有限元算法和CAD核心幾何內(nèi)核算法并對(duì)其進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣,應(yīng)用最多的是Parasolid和ACIS內(nèi)核,國(guó)內(nèi)企業(yè)只能通過(guò)授權(quán)經(jīng)營(yíng)方式使用國(guó)外幾何內(nèi)核,基本不具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CAE企業(yè),多數(shù)廠商基于國(guó)外產(chǎn)品二次開(kāi)發(fā)和定制化的基礎(chǔ)上推出產(chǎn)品。二是仿真技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用兩極分化明顯,廣大中小型企業(yè)在仿真技術(shù)應(yīng)用水平上與大型企業(yè)有很大差距,工業(yè)仿真軟件應(yīng)用與工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)部門(mén)脫節(jié),只能將仿真技術(shù)作為驗(yàn)證手段,缺乏仿真流程規(guī)范、材料數(shù)據(jù)庫(kù),仿真技術(shù)應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)人才缺口較大。

四、緊抓機(jī)遇,推動(dòng)我國(guó)工業(yè)仿真軟件跨越發(fā)展

我國(guó)工業(yè)仿真軟件市場(chǎng)潛力巨大,中國(guó)制造2025等一系列行動(dòng)計(jì)劃將促使對(duì)國(guó)內(nèi)對(duì)工程軟件產(chǎn)品的需求進(jìn)一步擴(kuò)大,雖然國(guó)內(nèi)當(dāng)前面臨技術(shù)、市場(chǎng)、應(yīng)用等多方面問(wèn)題,新一輪工業(yè)革命仍然是我國(guó)工業(yè)仿真軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可多得的機(jī)遇,需夯實(shí)基礎(chǔ),補(bǔ)齊短板,盡快實(shí)現(xiàn)新一代設(shè)計(jì)仿真技術(shù)在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

一是需要加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和系統(tǒng)研究,完善工業(yè)仿真軟件產(chǎn)業(yè)與政策環(huán)境。重點(diǎn)針對(duì)沉浸式仿真、三維圖景可視化、衍生式設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)能力和產(chǎn)業(yè)薄弱環(huán)節(jié),出臺(tái)相應(yīng)扶持政策與保障措施,加快推動(dòng)國(guó)內(nèi)工業(yè)仿真軟件體系化發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

二是突破虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)分析等高端核心技術(shù),把握新興增長(zhǎng)點(diǎn),加強(qiáng)新型工業(yè)仿真軟件的研發(fā)和推廣。支持開(kāi)發(fā)通用的三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)、數(shù)字化工廠仿真平臺(tái)等新型工業(yè)仿真平臺(tái),促進(jìn)行業(yè)需求與軟件技術(shù)結(jié)合,全面推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí),加緊搶占市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

三是加強(qiáng)行業(yè)需求結(jié)合,通過(guò)試點(diǎn)示范推動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)仿真軟件重點(diǎn)應(yīng)用升級(jí)。促進(jìn)軟件仿真技術(shù)與工業(yè)技術(shù)深度融合,通過(guò)聯(lián)盟、論壇、會(huì)議等形式打造工業(yè)領(lǐng)域與仿真軟件領(lǐng)域的技術(shù)交流與需求對(duì)接平臺(tái),選擇信息化基礎(chǔ)較好的工業(yè)企業(yè)開(kāi)展工業(yè)軟件的試點(diǎn)示范與創(chuàng)新實(shí)踐,持續(xù)提升工業(yè)仿真軟件應(yīng)用水平。

作者簡(jiǎn)介

蔣昕昊:

電信科學(xué)技術(shù)研究院碩士,現(xiàn)就職于中國(guó)信息通信研究院兩化融合研究所。擁有多年行業(yè)趨勢(shì)、戰(zhàn)略與業(yè)務(wù)規(guī)劃等領(lǐng)域研究經(jīng)驗(yàn),主要研究方向包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、智能制造產(chǎn)業(yè)等。

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