從經濟維度考量復合材料CAE工程仿真

    復合材料領域乃兵家必爭之地。從經濟學維度看，一邊是制造業經濟的考量，范圍內的制造業正在經受各種挑戰，包括產品性能提升、降低二氧化碳排放、提升能源利用率、產品外觀的精致和易用性、降低產品成本、提高產品安全性等;而另一邊，復合材料工程分析和優化是CAD/CAE產業發展的方向，透過復合材料的優化分析，牽引CAE仿真向產品研發的深度發展，提高用戶端的CAE能力和水平，進而產生更多的CAE工程仿真需求。
　　MSCCEO Dominic在接受幾家業界媒體采訪前專門詢問了各媒體關注的領域。當他了解到ENI經濟和信息化傳媒“關注信息技術和IT/信息產業對經濟及社會的支撐和引領”時，隨即表示，他關于“系統、部件、材料”的話題即圍繞信息技術滿足經濟和社會發展的需求而展開。
　　探索復合材料的經濟性
　　顯然，Dominic講述的許多企業應用復合材料的案例有力地支撐了他的經濟觀點。例如，汽車發動機的玄翅對剛性、強度要求都非常高，靜力學、動力學、安全性的技術分析要求也很高，為避免發動機震動對整車產生影響，過去這個部件一直采用鋼鐵等金屬材料，其重量達到1180克，而MSC的某一個用戶采用“短切纖維”分析技術，用復合材料替代了金屬，不僅部件的重量減少到710克，而且成本也降低了15%。
　　材料，特別是復合材料對制造業創新、經濟發展的影響和技術導向性，也許出乎了很多人的預料，且尚未受到足夠的商業的認知和應用的重視。但是，透過近年來的經濟競爭和環境挑戰的態勢卻由此可見一斑。有數據顯示，在航空行業，歐洲航空研究咨詢委員會(ACARE)針對環境保護明確提出未來發展的各項指標和要求：燃油消耗和CO2 排放降低75%、氮氧化物排放降低90%、可感知的外部噪聲降低65%。上述越來越嚴苛的指標要求，在產品設計過程中，一方面要平衡材料的性能高低、品種價格高低，另一方面要達到設計的要求，滿足產品性能、環保、安全、合規的要求，因此，合理地分析選擇材料，對產品設計工程師提出了更高的要求，具有極大的挑戰性。
　　在媒體專訪時Dominic一再強調：“未來二十、三十年，復合材料、新型材料是非常重要的一個學科，也是產品研發的一個重要方向”。Dominic分析并認為，制造業要提高產品設計速度，縮短研發周期，需要從三個層面解決問題，即系統、部件和材料。通過集成的解決方案，縮短研發周期。
　　對目前制造業采用復合材料的現狀，Dominic表示，即便是波音、空客這樣頂級的企業，也沒有在真正意義上徹底了解產品材料的性能，工業界更多地將材料理解為線性性能，即將材料非一致性性能理解為類似于金屬材料屬性。由于業界對材料的理解不夠透徹，而在產品的結構上對材料的非線性性能的理解很弱，Dominic強調：“需要深層次理解材料的本質屬性，有效地利用材料，實現產品更好的性能?！?BR>　　并且，“當一個大型產品中復合材料占比增加，達到50%左右，整個工業產品也將發生很大的變化?！?Dominic非常看好復合材料在工業領域的發展趨勢和重要作用。
　　復合材料工程仿真五大挑戰
　　目前，制造業產品研發從概念設計到產品設計的研發過程呈現出研發周期更長的趨勢，分析其原由是產品性能要求更高、要求產品排放更低、產品外觀更精美、產品成本更低、產品要合規等各方面因素。因產品研發的難度增加，理論上產品研發周期更長。不僅如此，在產品研發設計的每一個環節中，所涉及的設計技術指標更高、更多，比如，在概念設計中要完成的設計指標更多，更復雜，研發過程中設計、驗證指標對應、修改和完善迭代次數更多，也是使得研發周期更長的因素之一。
　　產品研發周期不斷增加，從產品基礎材料應用的維度去分析，產品設計要達到技術要求，材料選擇和應用具有重要意義。國外已經嘗試采用CAE等設計分析軟件，分析不同類型材料對汽車、飛機上的一些部件性能的工程分析。Dominic講到他在底特律汽車制造企業的走訪和調研，為了降低汽車的重量，在保證產品性能的基礎上，底特律一些主流汽車制造企業正在嘗試采用非金屬部件。比如，汽車、飛機座椅的安全性要求非常高，且理論上對剛性、重量的要求很高，因而傳統設計都采用金屬材料。但是，應對汽車輕量化趨勢、降低燃油消耗等的挑戰，生產企業在座椅的設計上也開始嘗試采用非金屬、復合型材料制品。不僅如此，不同類型復合材料又有不同的性能，因此，對不同復合材料的應用和性能分析也不同。例如，飛機雷達面罩上采用了“長纖維”型復合材料;而在玻璃窗框即采用了“短切纖維”;有些風扇的葉片也采用了“短切纖維”型復合材料。未來，波音787、空客350，對復合材料的應用和探索將更加深入。
　　目前，采用軟件分析的方式進行局部和微觀分析，通過軟件分析局部材料的性能后再提供給系統，材料的性能分析更精確。局部材料性能分析增強了產品的精確性、安全性。
　　CAE復合材料仿真分析工程具有幾大挑戰。先，材料數據管理，CAE工程師需要數據體系支持將材料應用于產品設計;其次，材料工程師對材料非線性性能的了解;第三，復合材料的非一致性性能的理解，宏觀、微觀上材料的一致性和非一致性有差別;第四，復合材料與制造工藝性能的關系。如，熱壓、模壓等工藝與復合材料、產品性能的關系和不同要求;后，復合材料與CAE軟件的相關性?？偟哪繕耸菓脧秃喜牧?，優化產品設計制造過程中的產品性能，達到產品性能的要求。
  　仿真分析理念的變革
　　正是基于對復合材料應用前景的分析和判斷，在原本系統工具中已有材料分析模塊、功能的基礎上，去年，MSC又收購了e-Xstream公司，繼而拋出了主導公司2013戰略的“系統、部件、材料”主題。
　　在近一個小時的PPT演示和闡述中，Dominic勾勒出MSC作為CAE仿真系統平臺及解決方案提供商在復合材料分析仿真領域的產業發展走向。在記者看來，一向雄踞用戶群金字塔塔尖的MSC公司，如何向下延展用戶市場，引領用戶CAE需求，提升用戶仿真能力及水平，似乎復合材料分析領域已經成為其一個新的突破口和切入點。
　　過去，MSC關注度主要集中在零部件設計環節，提供系統集成軟件產品，未來，將在零部件設計基礎上將更加深入了解材料對零部件性能的隱性影響和產品要求。Dominic明確表示。而在技術上，此過程中應用的軟件工具，不僅僅與CAE關聯，并且要求軟件具有較強的開放性，與產品生產流程關聯，才能達成包括注塑過程計算、CAE網格計算、材料屬性數據、數據管理軟件應用等，因此，要求復合材料分析軟件與業界軟件有很好的數據接口。
　　在采訪過程中Dominic坦言，MSC并非由于收購了e-Xstream engineering而開始提出材料分析。之前的軟件系統中已有材料數據庫、材料分析功能。購并e-Xstream后，平臺系統整合了多個材料分析、材料數據庫包括復合材料數據庫、材料管理、新材料特性建立等多個功能。在工程仿真中從設計過程導入到分析中的材料數據管理，產品設計、分析過程;系統、部件、材料，多個維度在研發過程中是一個系統工程。面向用戶應用需求，MSC提供了一種落地的分析技術和軟件工具。
　　產品研發工程分析，系統、部件、材料循環往復迭代，材料性能的分析將成為產品全生命周期中一個重要的組成部分。由此，仿真分析的理念也將發生革命性的變化。
　　今年是MSC 公司五十華誕。?歷經半個世紀的技術和產業發展積淀，面向未來，公司將發展目標鎖定在將仿真流程與行業挑戰和企業需求完美集成，Dominic認為這才是有價值的。