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安怀信,推进仿真模型验证技术的普及

2015年1月4日     作者:e-works  王阳       
关键字:CAE  V&V  仿真模型验证  
本文是记者在2014第十届中国制造业产品创新数字化国际峰会上,就企业仿真置信度的建立、仿真模型验证技术等话题采访了安怀信总经理李焕先生。

   在CAE技术诞生50余年的今天,工程师们早已不再质疑仿真技术对产品创新的重要性。但企业不得不面对的事实是,仿真结果的真实性究竟有多高?仿真结果如何真正融入企业的研发流程中?

    即使在仿真应用水平较高的复杂产品制造领域,仿真精度的确认和仿真置信度的评估依然是一大难题。在安怀信总经理李焕看来,CAE领域的V&V(Verification & Validation)验证及校核工作是提高仿真置信度的重要手段,这一在美国和欧洲发展多年的技术,在中国仿真市场有着广阔的前景。在2014第十届中国制造业产品创新数字化国际峰会上,记者就企业仿真置信度的建立、仿真模型验证技术等话题采访了安怀信总经理李焕先生。

图1 安怀信创始人兼总经理李焕

安怀信创始人兼总经理李焕

从CAE仿真置信度说起

    在目前的中国企业中,CAE软件的拥有量已是世界领先。但凡注重产品自主创新的企业,都能找到数量众多的主流商用CAE软件。但问题依然存在,仿真结果的准确性一直困扰着CAE工程师们。因为不能确定仿真结果是否准确,CAE往往让位于实验,CAE工作有时处于一种可有可无的状态,无法成为研发流程中必要的一环。

    这也导致很多制造企业对CAE技术产生困惑,明明知道其重要性,仿真却始终无法真正融入到企业的研发设计流程中来。

    在安怀信总经理李焕看来,这一现状的产生主要有三方面的原因:首先,CAE仿真精度无法确认,置信度无法评估;其次,仿真与试验两条线,未能完全做到“仿真指导试验,试验确认仿真”的有效联合;另外,没有明确的流程和规范,导致仿真规范、仿真模型、验模规范等一系列重要文件无法管理和发布。

    如何让仿真真正融入到企业的研发主流程中,发挥其应有价值,解决CAE仿真的置信度显得至关重要。

    事实上,西方国家的CAE应用水平高于中国,一方面源于它们积累了更悠久的工程经验,另一方面在于它们建立了较完善的仿真检验和校验流程。

    所谓仿真检验和校验流程,正是提高企业仿真置信度的关键。李焕介绍:CAE领域的V&V(Verification & Validation)验证及校核工作在美国和欧洲等国家已经发展了很多年,成为了任何一个CAE部门都必须完成的工作,形成了一整套完整的流程,对很多西方国家的企业来说,仿真模型验证工作甚至比仿真本身更重要。

仿真模型验证的重要性

    谈到仿真模型验证的重要性,首先需要明确仿真模型验证的定义。

    在世界两大有限元组织的定义中,ASME(美国机械工程师协会)和NAFEMS(国际有限元工程师协会)共同做出的对V&V全流程的定义:V&V(Verification & Validation)流程包括真实物理简化、仿真、试验、比较验证四个部分,其中,Verification验证发生在仿真过程内部;而Validation确认发生在试验和仿真结果之间。

    如今,V&V技术已经成为欧美先进企业的标准流程。在CAE工程师们的愿景中,仿真是为了减少甚至代替试验。所以在欧美先进的企业中,仿真经过V&V验证后可以成为虚拟试验,在这些企业中,虚拟试验平均取代了70%以上的物理试验,甚至在某些行业做到了完全取代真实试验。

    问题的关键在于,CAE仿真结果如何令人信服,以成为名副其实的虚拟试验。在李焕看来,V&V CAE模型验证与校核是使得CAE仿真成为虚拟试验的关键。李焕介绍,在欧美先进企业一个仿真部门的平均时间分配中,进行仿真建模和分析工作通常小于50%,而进行V&V CAE仿真验证及试验工作往往超过一半以上的时间。

    那么,CAE模型验证与校核究竟有哪些价值?李焕认为有以下几点:

    首先,经过V&V技术之后,准确的仿真模型可以实现优化设计;准确的仿真模型能够使得ALD仿真驱动设计流程成为可能,仿真部门更多更早地介入设计环节当中去。

    其次,经过V&V技术之后,仿真与试验可以高度融合,仿真工作可以作为试验工作的前端和有效补充;而试验数据必须用于修正仿真模型;由于仿真模型成本低、周期短,高质量的仿真模型可以指导试验,进行试验设计工作;同时,由于很多数据试验无法获得,或成本太高,仿真数据可以和试验数据融合,获得更完整的性能响应空间。

    即便是面向仿真数据管理环节,基于V&V的数据管理也变得更有价值。因为基于V&V的数据管理需要管理具备准确度的模型库、仿真规范库、模型验证规范库、验模工具集、以及模型验证过程,且这个验证后的模型库才是企业真正核心的资产,这才是SDM(仿真数据管理)真正的核心价值。同时,V&V要求将TDM与SDM建立有机集成,TDM数据为SDM所用,SDM数据补充TDM数据,这样也大大提升了TDM的价值。

    另外,CAE仿真模型验证工作对改进设计、仿真的量化评估、优化研发流程、知识管理等环节都有着实质的促进和提升。

仿真模型验证技术发展历程

    在CAE技术的发展历程中,上个世纪60年代CAE软件开始商业化,正式进入航空、国防等行业领域。经历了之后20余年的快速发展,CAE应用在80年代陷入了一个低谷,很多企业认为仿真只是试验的补充,并不能解决研发的核心问题,很多决策还是需要依靠试验结果。

    在此后的十余年间,CAE业界一直在寻找一种让仿真更加准确可靠的解决方案。直到1998年,美国航空航天学会American Institute of Aeronautics and Astronautics(AIAA)率先推出了基于流体动力学(CFD)模型V&V指南。CAE仿真模型V&V(Verification & Validation)验证与校核技术开始被讨论和研究。

    2006年5月,SNL(美国Sandia国家实验室)举办The Validation Challenge Workshop,会议重点讨论三个方向:heat transfer,structural statics以及structural dynamics。参加者有来自美国各个领域(工程、科学、数学、统计)的专家,目标是讨论如何利用V&V方法论解决各行业的实际工程问题。

    此后,ASME(美国机械工程师协会)在2006、2009、2012三次发布V&V行业标准——Guide for V&V in Computational Solid Mechanics。而且,从2012年开始,ASME每年都会在美国拉斯维加斯召开V&V技术的专题研讨会,而NAFEMS(国际有限元工程师协会)从2011年开始每两年一届的V&V技术专题研讨会也会在奥地利召开。

    在李焕看来,V&V发展历程中一个具有里程碑意义的事件是:美国新一代战神火箭完全按照V&V流程研制,在未做全箭试验、只做了部件级试验的前提下,其研制周期和成本只有其它型号的三分之一到二分之一。

    这更加彰显V&V技术的价值。李焕说,V&V技术在国内市场还处于概念认知和普及阶段,近来已经有好几位院士在不同的场合提到了V&V技术,表明它正在逐步受到重视,有着广阔的发展前景。

    但另一个事实是,V&V流程的实现需要设计部门、CAE部门、试验部门协同工作,尤其是CAE部门,需要花费大量的时间建立不同参数设置的CAE模型,然后一一去和试验结果比对,反复修正CAE模型设置。这无疑为V&V技术的普及和推广增添了难度,但这也正是李焕创立安怀信公司致力于仿真模型建立及验证技术发展的重要原因。

安怀信,推进仿真模型验证技术的普及

    创立于2012年的Anwise安怀信科技,本着以“让仿真更可信”为企业目标,致力于仿真模型建立及验证技术发展。李焕介绍,自从接触V&V技术之后,他就非常坚定仿真模型验证对提升CAE应用水平的重要性,所以率先在国内开展了V&V研发流程引入的工作。

    作为国内最早引入CAE V&V验证流程的咨询公司,安怀信与另外两家国际公司进行技术合作——基于最佳实践的流程服务的法国SimConcept公司和提供底层工具及集成技术的美国COMET Solutions公司。

    在此基础上,安怀信与COMET联合开发了CAE V&V工具SimV&Ver,李焕介绍,SimV&Ver可以建立一个V&V验模流程模板,在输入CAE的参数设置范围、实验结果文件、误差收敛控制等初始条件后,V&V模板会自动按照预先设置的CAE参数设置条件,逐步优化CAE参数,直到CAE结果与实验结果误差控制在一定范围内。然后,这个CAE模板和模型可以被发布为企业的CAE标准模板和模型。

图2 安怀信与COMET联合开发的CAE V&V工具SimV&Ver

安怀信与COMET联合开发的CAE V&V工具SimV&Ver

    依靠SimV&Ver软件底层对CAD/CAE/自研程序的无缝集成,以及强大的回路控制功能,SimV&Ver能够驱动包括几何、工程假设、材料、边界条件、约束连接关系、网格控制、单元选择、单位制等所有CAE设置条件,并实现自动V&V回路,用以逼近实验结果,能够最大程度、最方便地帮助CAE工程师能够获得足够精确的CAE模型和模板。

    成立三年以来,李焕带领团队在V&V领域创造了多个第一:SimV&Ver是世界上第一款可以驱动CAE模型参数的V&V软件,而安怀信是SimV&Ver源厂商之一,负责软件代码编写及需求定义工作;自主赞助建立了国内第一个V&V和ALD论坛,并开展大量V&V培训及免费推广服务;2014年10月15日联合NAFEMS组织在中国举办第一届V&V MASTER CLASS大师课程,这是此项课程第一次在欧美地区之外举行,为中国CAE行业带来了非常先进的技术和经验;是第一个翻译V&V标准并对中国免费发布的组织。

    除此之外,安怀信还是NAFEMS组织成员,NAFEMS V&V线上及线下培训业务中国区负责单位,该培训属于NAFEMS PSE(Professional Simulation Engineer)计划组成部分,旨在对全世界范围内仿真工程师进行专业能力评价、需求评估以及培训提升服务;同时,2013年安怀信开始为中国企业提供完整的CAE V&V咨询服务。

    得益于安怀信丰富的国际合作经验,以及其核心团队多年的CAE仿真及验证相关咨询经验,在短短几年间,已经为大量国内企业导入先进研发制造技术,同时为他们提供本地化的服务和支持。

    当然,推进仿真模型验证技术的普及和应用,还有很长的路要走。李焕说,目前V&V技术在中国尚属起步推广阶段,概念普及和市场培育的工作量巨大,这也使得安怀信一方面要为企业提供先进的CAE V&V产品和技术服务,另一方面要循序渐进地引导国内企业,推动仿真模型建立及验证技术发展。

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