读工业软件简史15工业软件未来(上)

1. 从机电一体化到机电软体化

1.1. 随着数字技术的发展，工业似乎正在进入“平台至上”的朦胧清晨

• 1.1.1. 借助于工业互联网、5G的光芒，它的轮廓才变得有些清晰

• 1.1.2. 以一种更加内生、更加隐蔽的平台方式，主宰工业的走向

1.2. 20世纪七八十年代，日本人发明了机电一体化的概念，以解决电子与机械的互动

1.3. 任何一个产品，都要同时从机械和电气两个方面来看待

• 1.3.1. 就像质子和电子一样，它们相互作用形成了一种不可分割的力量

1.4. 许多仿真技术公司最早是从机械仿真起步，后来则通过大量收购电气、电子方面的软件，加强了多物理场的耦合，提高了仿真的精度，从而使得仿真结果向现实物理世界进一步靠拢

1.5. 制造业正在发生新的变化，数据变成了全新的战略资产，物联网则成为释放数据的超级明星，以数据为食粮的人工智能也得到了快速的应用

1.6. 最早的仿真，是基于子系统、组件进行计算

• 1.6.1. 随着数据流的蔓延，把所有数据和工作流都汇聚在一起，成为工程师尝试的新方向

1.7. 工业正在形成全新的维度，从机电一体化，走向机电软体化

• 1.7.1. 这个世界的物理形状，正在被一层看不见的软件覆盖—如果不是说吞噬

• 1.7.2. 机电软体化的本质，就是MED—“机械+电气电子+数据”​，三者交互发挥作用

1.8. 从机械到电气，是一个台阶的跃升

• 1.8.1. 机电一体化的融合，使得很多制造业门类都顺利升级

• 1.8.2. 在中国许多企业中，能够看到很多掌握技术要领的企业，都从机械时代几乎“无师自通”地进入电气化和自动化时代

1.9. 从机电一体化到机电软体化的升级，则要跨越一道鸿沟

• 1.9.1. 物理世界的传统逻辑出现断层，软件与机电一体化的融合，形成一个全新维度，无法再靠迈台阶的方式突破

2. 创成式设计

2.1. 创成式设计，是软件自动根据零部件所承载的边界条件，进行应力分析和拓扑优化，从多种结构优化的方案中选择最适宜的方案

2.2. 在当前人工智能的发展如火如荼的时候，它会被某些CAD软件厂商端出来，成为人工智能的新篇章

2.3. 这种设计带来的挑战性结构和材质将如何制造、如何实现

• 2.3.1. 增材制造技术给出了一个漂亮的答案

• 2.3.2. 即使是一些奇怪的结构形状，3D打印也可以从容实现它们（制造）​

• 2.3.3. 空客公司用3D打印制造出创成式设计的具有奇形怪状结构的座椅，让人倍加赞叹

2.4. 欧特克公司在此领域耕耘多年，它的Within软件是在2014年收购的伦敦软件公司Within Labs的技术基础上开发出来的

2.5. 在增材制造的世界，有更多CAD软件和CAE软件的足迹

• 2.5.1. 用于晶格优化和金属增材制造模拟的Autodesk Netfabb软件应运而生

• 2.5.2. 美国参数技术公司的Creo 4.0，则简化了3D CAD软件与3D打印之间的流程，实现了均匀晶格的创建

2.6. Solid Edge 2019软件，则提供了基于收敛建模的逆向工程，让工程设计人员可以将网格模型集成到设计工作流程中

2.7. 美国参数技术公司于2018年11月，购买了创立于2012年的新公司Frustrum（西门子PLM的创成式设计模块主要与此公司合作）​

• 2.7.1. 这笔价值约7000万美元的收购交易，将使美国参数技术公司在其核心CAD软件产品组合中添加Frustum的AI驱动的创成设计工具

2.8. 创成式设计作为人工智能发展的一种趋势，取得了巨大的进展

• 2.8.1. 可以跟后续制造环节中的各种加工条件相结合，如计算机数控(CNC)、注塑加工、3D打印等，创造出适合本工厂内机加工（制造）的最优方案

2.9. 从创成式设计的发展来看，它与增材制造的发展是密切相关的

• 2.9.1. 它所设计的奇怪的形状，采用传统切削、研磨工艺往往很难或者根本无法实现，而叠层累积的3D打印，则满足了这些“稀奇古怪”的需要

• 2.9.2. 创成式设计更广泛的普及，也要取决于3D打印的速度有多快

3. 仿真前置

3.1. CAD与CAE曾经是两个泾渭分明的阵营，只有少数工业软件横跨这两个领域

3.2. 设计却已经跟仿真紧密地结合在一起

• 3.2.1. 设计既出，仿真即行

• 3.2.2. 同源数据，共生验证

• 3.2.3. 信息物理系统(CPS)、数字孪生、数物融合等概念背后，都映射着这样的事实

3.3. CAD软件越来越具备CAE功能

• 3.3.1. 达索系统收购了ABAQUS

• 3.3.2. 西门子收购了LMS、CD-adapco、Mentor Graphics(FloMaster、FloTHERM、FloEFD)、TASS、Infolytic等，并把这些产品逐步集成到NX与SolidEdge中

• 3.3.3. 以三坐标测量仪起家的海克斯康借助于强大的测量能力，也在推动CAE软件与CAM软件的融合

3.4. CAD与CAE正在紧密地连接在一起

• 3.4.1. 设计即仿真，将成为工业领域的标配

3.5. 达索系统的重点是深耕仿真领域，充实达索系统旗下的仿真品牌

3.6. 2016年，西门子公司以近10亿美元的价格，收购了全球工程多学科仿真软件供应商CD-adapco

3.7. 西门子公司类似的举动还有并购LMS、自动驾驶仿真软件公司TASS等，都是一次一次地在向CAE领域拓展

3.8. 欧特克公司收购大型通用的有限元分析软件ALGOR、模具分析软件MoldFlow，都是为了在CAE市场上占据一席之地

3.9. 由于物理数值仿真将先于物理实现，使得几何内核的重要性也将随之降低

• 3.9.1. 这将对单纯只做CAD软件或CAE软件的厂家，形成一个巨大的压力

3.10. 仿真前置，难在仿真是有使用门槛的

• 3.10.1. 一个汽车厂可能有200名设计人员，但专业仿真人员只有20名

• 3.10.2. 企业的CAE部门一般都是独立地完成各种仿真分析任务，CAD部门将设计数据推送到CAE部门后，等待结果可能需要2至3周的时间

• 3.10.3. 仿真需要很多经验和Know-how, CAD设计师往往无法胜任

3.11. 仿真的工作正在大幅度前置

• 3.11.1. CAD设计师对于自己的设计想法，可以先自行仿真，提前了解设计意图在制造端可能引起的加工难度

• 3.11.2. 结构件的设计速度会加快，设计与工程之间的迭代次数减少，大幅缩短了新品上市时间

3.12. 将仿真前置，有一个意外的组织障碍

• 3.12.1. 一个负面结果是，后续流程中CAE工程师所做的仿真其实并不充分，因为很多可能性已经被CAD设计师提前过滤掉，创新设计被牺牲了

3.13. 建立双方的信任感

• 3.13.1. 哪些任务可以前置到CAD端，最好需要得到CAE部门的认可

• 3.13.2. CAD部门的仿真与CAE部门的仿真是有差异的

3.14. 专门面向设计师的仿真部件

• 3.14.1. 只要会CAD设计，就可以掌握CAE仿真，掌握初步的力学原理就可以，而不需要了解算法

• 3.14.2. 结构、震动、热、内流场、外流场的仿真，都可以嵌入CAD软件

• 3.14.2.1. 在概念设计阶段，就可以做验证设计

• 3.14.3. 不用等待，只需要调整参数，秒级就可以出现结果

• 3.14.3.1. 在设计阶段就做快速迭代，可以充分满足设计师的想法

3.15. 热力学和简单的电磁仿真，也可以前置，先让设计人员熟悉一段时间，就可以把仿真流程嵌入设计

• 3.15.1. 通过近乎实时的结构分析，可以颠覆此前常见的仿真延迟，研发效率会大幅度提升

• 3.15.2. 比较难的部分，如多学科耦合、多物理场耦合等非线性仿真，无法做到前置，最好仍由少数CAE工程师来完成

3.16. 面向制造的设计(DFM)、面向安全的设计(DFS)等DFX系列由此能够更加可行，而且更具普遍性

4. 数据传递全屏化

4.1. 越是复杂的制造，数据传递就越复杂，传递路径就越长，因此通过纸张、看板等载体实现信息传递，出现差错的可能性也就越高

4.2. 从1990年开始研发的波音777客机，是最早采用数字化技术设计的飞机，但直到现在，波音仍然在致力解决无纸化问题

4.3. 无纸化，是一个解决信息孤岛问题的方向

• 4.3.1. 在这种理念之下，所有的纸张和表格，都是孤岛数据的象征，意味着工厂出现了“数据阻塞”​

4.4. 增强现实(AR)作为一种全新的媒介，有可能重新定义数据传输方式

4.5. 全球最大的风机设备制造商丹麦维斯塔斯(Vestas)公司，率先进入这样的3D时代

• 4.5.1. 正在通过简化关键操作数据的收集、合成和传递方式来解决“断点数据”问题

4.6. 在车间里向员工传递信息的方式将被彻底改变，​“文本”和“纸令”时代将有可能宣告结束

• 4.6.1. 三维数据和指令，不完全是数据下发问题，而是通过一种类似“知识感受”的方式传递信

• 4.6.2. 这种传递是体验，是感受，而不是文本说明

4.7. 不再是用纸说明，而是通过屏幕来传递，是一种感受。无纸化是一个灯塔，它现在有了更加具体的方式：​“屏幕”将成为新的载体

4.8. 鼠标让人手成为鼠标垫上的爬行物

• 4.8.1. AR则将人的手解放出来，成为在空中翻动的飞鸟

4.9. 全球最大的工程机械制造商卡特彼勒(Caterpillar)已经不再为用户提供图纸

• 4.9.1. 若需要维修油路，非授权的维修工程师今后恐怕只能依靠猜测

• 4.9.2. 用户可以拥有一切细节，却看不到它的数据