设计与仿真的问题 当前企业在产品开发过程中面临诸多挑战： •变更发生在流程越靠后，更改成本越高，产品开发需要尽早决策，越早介入越有利于开发； •新的方案需要大量的测试验证，尤其在概念阶段，需要能够有更好的技术支持新方案的快速设计、评估、优化和选型； •设计复杂产品通常需要集成大量设计约束及边界，如布置、架构、造型、性能、成本环境和制造等，而这些通常也需要尽可能在早期阶段研究并满足。 因此开发过程中越来越多的设计和仿真工作需要被放到虚拟概念开发阶段及之前，以尽可能提前预测、发现和解决问题，控制成本，从而缩短整体开发周期。
前期阶段工作更趋向于面向产品功能（如多学科性能要求，产品重量等）进行概念开发，开发出基于各种设计空间限制下的尽可能功能优异的概念方案，从而为开发进入到详细工程阶段搭好框架基础。 如果我们能够在前期快速响应方案变化，且同时能够做出快速决策，那么就可以在更短的时间内评估更多的方案，有机会得到更优化的概念方案，从而提高产品质量，压缩开发周期和控制后期产品大幅更改风险。 在这个工作过程中，设计和仿真发挥着举足轻重的地位，可以说它们之间的协同效率直接决定了产品开发的周期，当前产品前期结构开发过程设计和协同之间存在诸多急需改善的问题，如部门协同效率偏低、流程冗长、数据割裂及工具繁杂等；另外针对概念设计阶段周期短、变更快和方案多的特点，当前CAD设计技术本身也难以有效响应。 种种问题导致了概念开发周期长，产品潜力无法挖掘。
什么是MODSIM？ 计算机辅助设计（CAD）建模与计算机辅助工程（CAE）仿真均已得到广泛应用。“统一的建模与仿真”方法（MODSIM）结合上述功能，将CAD与仿真工具集成到一个通用的数据库中，用于在设计流程中分析设备的性能。所有模型和仿真数据都存储在一个统一的数据源中，因此所有用户都在使用相同的新信息开展工作。我们可以直接利用CAD模型来构建仿真模型，再利用仿真结果指导相关设计。 MODSIM可以加速开发，因为其允许设计人员从设计的开始阶段就针对产品是否符合相关规范和需求进行验证，而不是将资源投入到开发和原型设计中，结果却在测试过程中发现问题。MODSIM可提供以下众多优势： •减少所需的原型数量：由于无需进行物理测试即可识别潜在的问题，因此只有当设计人员确信设计符合SI和EMC需求时，才需要制造物理原型。 •改善各部门间的沟通：传统上，设计与仿真各自为政地开展工作。通过将两者有效整合在一起，MODSIM可助力实现协同工作，使设计人员能够更直接地访问仿真数据。 • 加快开发速度：此外，MODSIM还可加快开发速度，因为CAD模型可以直接传输到仿真中，从而减少为所有不同类型的仿真准备随时可用于仿真的模型所需的工作。然后，可以将仿真结果用于改进设计，甚至能够直接使用自动参数化或非参数化优化对其进行优化。
3DE CATIA MODSIM（BSD）方案 基于3DEXPERIENCE MODSIM建模仿真一体化策略，在前期产品开发领域，达索系统发布了专注于产品前期结构开发全新产品3DEXPERIENCE CATIA Concept Structure Engineer（3DE CATIA BSD），该产品不仅继承了CATIA SFE CONCEPT独立版工具的思想理念，且得到3DEXPERIENCE多行业在线协同开发平台、CATIA多行业覆盖设计产品及SIMULIA多尺度仿真产品的能力加持，是基于3DEXPERIENCE MODSIM建模仿真一体化理念的、从底层架构基于3DE CATIA几何内核全新打造的3DE CATIA模块，在建模技术、建模仿真一体化协作上有很多技术革新，并与3DE平台其它模块无缝搭配可形成一系列开发解决方案。企业可以通过这些方案进行有效的产品前期快速概念开发，产品多学科优化，产品减重等工作。
基于新一代产品，达索系统构建了独特的前期产品结构快速开发方案，以特有的快速柔性建模技术，快速响应概念设计阶段短周期、变更快和方案多的特点，通过生产力提高为客户带来特别的价值。 建模和仿真基于单一数据源协同，实现效率大幅提高、流程大幅简化、数据无缝连续、统一的工具更简单易用及学习操作体验更佳。 全新方案的前期产品开发协作流程如下图：
基于全新的流程，用户可在产品概念设计阶段建立全参建模仿真一体化概念模型。该模型既是全参数化动态3DEXPERIENCE CATIA 3D CAD概念模型，又是多学科3DEXPERIENCE SIMULIA CAE模型，CAD与CAE可基于该一体化概念模型无缝快速自动化切换 。 借助3DEXPERIENCE协同和单一数据源能力，该建模仿真一体化概念模型既支持CAD概念设计应用，如有效协同设计、快速方案设计与与变更等，以实现有效协同设计和快速设计更改；也支持基于CAE的仿真应用，如多学科仿真性能快速验证，多学科自动优化，轻量化减重等，以实现快速优化产品性能提高产品质量和仿真驱动设计。 在产品详细设计阶段该模型还可以被尽可能的进行重用，如直接重用该一体化CAD概念模型进行深化详细设计以及应用关联设计实现概念模型与详细模型的关联更新等，以大幅提高设计效率。
方案的核心引擎3DEXPERIENCE CATIA BSD(Concept Structure Engineer)，目前将主要覆盖产品前期概念设计流程，产品模块包含众多应用，产品模块独自可形成面向概念设计阶段解决方案，提高概念设计能力，实现快速产品设计、仿真、方案权衡与决策，也可以通过与3DE平台其它模块拓展形成更多方案来服务具有不同业务需求的开发业务，可面向设计部门的设计工程师，仿真部门的仿真工程师，或者统管设计与仿真双角色的部门或设计仿真双重角色的用户也尤为合适。 3DEXPERIENCE CATIA Mechanical & Shape Designer(MES)是当前应用CATIA产品设计的核心主流模块之一，是产品三维复杂产品设计的强大工具，通过与BSD的组合，形成完整的更完善的快速概念到详细设计流程覆盖，并依托3DEXPERIENCE协同平台及实现概念设计到详细设计的数据无缝打通。
3DEXPERIENCE CATIA BSD相比CATIA SFE CONCEPT独立版，其中包含的应用不仅继承其技术理念，而且还带来更多附加价值。 不管是使用BSD角色包中传统强大的CATIA Generative Shape Design（CATIA GSD）核心应用构建的参数化模型还是使用BSD角色包中全新的CATIA Concept Structure Engineering (CATIA CSE) 应用基于全新柔性化建模技术构建的模型亦或是两者混合使用构建的参数化模型，甚至中间格式的几何或外部CATIA V5源几何文件导入后，都可以使用CATIA CSE定义后进行全自动前处理。 这样带来了更多的灵活性，不管是对于熟悉CATIA SFE CONCEPT独立版的工程师，还是对于熟悉CATIA应用的设计工程师都更友好，可以灵活选择自己熟悉的建模方式；如需混合实体网格进行仿真，还可以通过内嵌的SIMULIA仿真前处理应用进行MODSIM建模仿真一体化处理，实现片体网格和实体网格的联合仿真优化。 在模型构建完成之后，附加更多求解和仿真后处理及参数化组合快速研究权衡的价值：
通过以上能力和方法覆盖，客户可以按照如下技术路线及典型场景匹配业务开展产品开发应用：
3DEXPERIENCE MODSIM CATIA BSD产品关键技术特点概览： 1. 全新CATIA原生有效概念设计模块与柔性建模技术支持快速概念设计，从子系统到整机系统，模块化参数化有效快速概念设计与方案变更体验，一模两用；与传统核心CATIA模块可互操作进行概念设计，并可重用历史几何数据； 2. MODSIM建模仿真一体化，设计与仿真模型无缝传递； 3. 概念设计详细设计模型无缝传递重用关联及减少设计重建；
4. 自动方案生成及自动多学科优化循环实现多方案权衡及合适方案版本生成；
5. 基于实时在线单一数据源一体化平台实现更细颗粒度的协同。
|
仿真驱动创成式设计
在达索系统一直倡导的一站式的3D体验中，由优化和仿真驱动的认知增强设计CATIA GDE，是一体化端到端设计到数字化制造、一体化端到端设计到增材制造这两大解决方案的主要环节。基于航空航天、汽车交通、机械设备行业的优异实践经验，不仅重新理顺设计流程，还应用诸多特有功能，包括创建设计空间及分区、自动生成概念实体、权衡优选概念方案、面向增材制造的仿生结构设计、面向铣削工艺的铣削助手设计、局部范围的无参数形状优化等。进一步加强计算可靠性和工程实用性，致力于为广大工程师们提供有效的概念方案、并快速实现之，因此促进设计创新、优化、轻量化。
1.定义功能规格
在拓扑优化的前处理中，几何分区特征定义更灵活。相对前几个老版本，现在几乎不用手工大量创建辅助几何，选中意向几何进行偏移交错，就能便捷定义冻结区域，作为拓扑优化功能区域的输入。并且，这些分区特征跟原几何模型关联，可快速关联更新，并传播至下游关联的有限元网格（网格由模板自动划分）。这将有更多时间做后续有价值工作。
制造工艺约束分类更有条理、功能更丰富。传统制造方面，除了原有面向铸造的拔模约束、面向铣削的可叠加的单轴约束，还新增了面向铣削的多轴约束，因此生成的结构可夹持性更好、换刀次数更少。面向增材制造的悬垂区域约束更精细，尽可能减少在关键功能区域添加打印支撑结构的需求，并且可考虑将支撑结构置于设计空间之外，或直接将结构设计到所放置的打印机基板上。
2.生成概念方案并校核、权衡
现在还可根据计算规模更灵活选用计算资源。重新优化本地硬件资源执行拓扑优化、形状优化、参数优化，在大多数结构工况情形下，可不调用分布式计算服务，计算更稳定快速，且更容易部署，这是CATIA GDE的一个较大改进。而对于其他更复杂结构和工况，可选用分布式计算服务，以扩展应用其他分布式网络计算资源或HPC资源。
拓扑优化生成的实体结构更光顺。当时的光顺实体虽然纹理相比以前老版本更规则，但结果仍然含有尖锐的边角。现在增加了光顺选项，可一键生成边角倒圆的光顺实体，纹理更规则，可有效避免应力集中现象。对于结构原型，可直接用光敏树脂等材料打印出来进行方案比较，可有效加快迭代周期。
在权衡多个拓扑方案时，可定制显示KPI项目，并作相应打分评估。可有选择地加载概念方案，更快获得权衡比选结果。
3.详细设计
详细设计时，引入更多参数化特征准确控制结构外形。现在可根据拓扑优化光顺实体，自动生成多个截面处的草绘，通过参数化尺寸定义结构详细特征。这样适合后期快速准确修改模型设计。
在局部区域进行形状优化、参数优化更有效，可减小局部应力集中或优化其他结构性能。例如形状优化区域的几何前处理，既能够通过关联选择点线面快速定义，还能够通过比较概念实体与设计空间的形状异同来智能定义。
优化有限元分析结果后处理。在认知增强设计流程末尾，对详细设计模型重用前处理的载荷工况、边界条件设置，进行初步有限元分析校核，确保结构总体可靠。对于简化的对称结构和工况载荷，现新增支持简化模型校核结果的对称全结构显示，因此场景更丰富完善，可谓事半功倍。
参数化建模创成式设计
达索系统CATIA xGD（xGenerative Design）具有强大的创成式设计能力。xGD 使用参数化建模来设计简单和复杂的形状和图案。无论是在3D视图中还是在图形视图中，都可以通过一组由输入和输出参数定义的操作来设计几何形状。xGD 不仅仅是用对象集合创建几何。更能通过逻辑运算设计和更新形状，并且可以在交互式3D建模和图形建模之间轻松切换，以执行基本和高阶操作。
xGD的前身可谓是CATIA出色的知识工程，经历了从CATIA V5、V6到现在集成于3DEXPERIENCE平台的发展历程。在继承了CATIA参数驱动和关联设计的基础上，借助于3DEXPERIENCE平台强大的协同工作环境，CATIA xGD形成了优异创成式建模优势。
1.基于网页端的3D设计
用户将无需安装本地软件或插件，所有建模全部在网页端进行。
2.基于单一数据源
数据存储在云端，所有设计均基于同一数据，实现“一个平台、一套数据、统一的协同工作环境”。
3.参数驱动和关联设计
继承CATIA参数化设计优势，关联参数相互约束和驱动，快速重用和变更模型。
4.3D可视化编程式建模
支持可视化编程建模窗口，像编程一样完成建模，建模窗口实现同步。
5.数据有效传递
数据可与CATIA客户端无缝协同，便于深层次精细化设计。
6.支持使用EKL编写自定义运算符
EKL是CATIA知识工程的编程语言。用户可以通过使用ELK来自由创建有效算法，以扩展解决方案的能力。
达索系统CATIA xGD为设计师和模型师提供了与传统方式截然不同的制作工具和设计思路，让以往看似天马行空的想象有机会真正落实下来。配合先进的增材制造技术，达到的不仅是造型的突破，同时伴随着材料、加工、结构、经济性等诸多方面的变革。
