关于CAE和工业4.0关系的一点理解——Ansys V18发布会感想

liuhongyu

近日有幸受邀参加ANSYS公司的V18发布会，作为一个10多年的CAE业界老兵，近几年因专注搭建技术邻平台，CAE行业的会议参加的并不多，对行业的发展存在一定的经验认知限制，所以这次抱着学习的态度欣然前往。ANSYS产品之前给我的一个直观印象就是：相比于其它CAE软件，ANSYS在结构、流体和电磁三大领域都有首屈一指的求解能力，并且在多物理场耦合计算上表现最突出。另外，ANSYS流程化的User interface也有非常好的用户体验。大概10年前，我刚开始办中国CAE联盟的时候，很多初学CAE的大学生搞不清楚ANSYS和CAE的关系，有部分学生认为CAE就是ANSYS，ANSYS就是CAE，可见ANSYS在国内CAE业界的王者地位。

参加完V18的发布会议后我的感慨是：这几年ANSYS的变化实在是太大了！除了在功能、仿真平台、用户便捷性上持续改进以外，让我感受最深的是ANSYS和工业4.0的融合。虽然工业4.0的应用近几年非常的火爆，但之前一直觉得工业4.0和CAE之间的关系还是两套相对隔离的系统，就像人体的任督二脉，CAE驱动研发，工业4.0掌管制造，两者若能真正融合，想象真的无限！在ANSYS 18，这两者之间真正联通了，这是CAE业界的剧变！ANSYS正由一个CAE解决方案商向工业4.0解决方案厂商演变！ 打通CAE和工业4.0任督二脉的便是“Digital Twin”数字双胞胎技术！

这次ANSYS 18发布会的内容非常多，我只对其中我最感兴趣的Digital Twin技术以及CAE和工业4.0的融合做一些转述并谈一点自己的感想。

什么是Digital Twin数字双胞胎技术？

Digital Twin一词由美国密歇根大学的Michael Grieves教授，于2003年在他所讲授的PLM（产品生命周期管理）课程上引入，并且于2014年在其所撰写的“DigitalTwin:ManufacturingExcellencethroughVirtualFactoryReplication”白皮书中进行了详细的阐述。 Digital Twin是用数字化来实时且全面描述和控制制造系统的一项技术，其核心在于：实现制造系统（事物）形和态特征的完整和全面数字化，事物形态特征与时空参数及环境等相关约束的实时关联。由此看来，这个“Digital Twin”，应该是真实事物在数字世界的一个完整映射。今天我们谈的数字化，几乎都是对从客观事物的数字化描述及相关过程，可以说大多是单向的。“Digital Twin”给出了完全映射和反向影响的概念，但从其应用对象上看，是一个几乎完全受控的制造系统。

Digital Twin简单地理解就是产品的真实物理模型和产品的数字模型之间的相生相伴，实现物理机械和分析技术的融合，真正实现产品的全生命周期数字化，这里特别要提到的是产品在运行过程中的数字化分析。比如：美国国防部利用Digital Twin技术，用于航空航天飞行器的健康维护与保障。在数字空间建立真实飞机的模型，并通过传感器实现与飞机真实状态完全同步，这样每次飞行后，根据结构现有情况和过往载荷，及时分析评估是否需要维修，能否承受下次的任务载荷等。再举一个例子：有一个海上的风力发电机，它在运行过程种传送出了异常的信号，监管的工程师需要找到这背后到底什么原因。数字双胞胎技术就可以将信号从物理风机中同步到风机的孪生数字模型，通过系统级别的CAE仿真预测风机将会发生什么故障，工程师可以利用Digital Twin进行探索找到问题实时纠正措施。Digital Twin可以清晰地告诉我们，最终这个系统是否在现实当中能承受各种条件，取得成功。

据IDC预测，2017年世界上将有40%的大型生产商都会应用虚拟仿真技术来为他们的生产过程进行建模，Digital Twin可以帮助生产商，针对生产系统在早期就建立起生产流程的优化。

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CAE仿真到底在工业4.0里面到底扮演什么样的角色？

关于这一节正是这次ANSYS V18发布的重头内容，ANSYS大中华区总经理孙志伟对CAE和工业4.0的关系做了非常清晰的讲解，以下内容正是对孙总的会场演讲的节选：

工业3.0阶段用IT来驱动整个的生产制造，那个时代诞生了CAE仿真，仿真驱动整个企业的设计过程。工业4.0一个非常重要的核心，就是信息物理系统。在《中国制造2025白皮书》中的图例中说明了CAE在工业4.0中占了非常突出的位置。

信息物理系统中非常重要的内容就是的Digital Twin数字双胞胎，数字双胞胎是我们信息物理系统里面非常重要的核心。数字双胞胎的概念它不仅仅是所谓的模拟，通过仿真技术去模拟真实的物理系统，物理产品运行的过程，它更重要的是说它去从设计的阶段一直到生产的阶段，一直到最后成品的阶段，它都能够不断的去模拟真实的物理的存在，这就是数字双胞胎的概念。如果我们再看数字双胞胎的概念，再进一步衍生，仿真到底在工业4.0里面到底扮演什么样的角色？仿真在工业4.0里面扮演的角色就是所谓的从概念设计一直到详细设计，从整个设计一直到生产，一直到整个产品的运行，整个过程当中仿真可以驱动这些环节的实现。在设计过程中通过仿真提高效率，在整个生产流程、产品的运行过程也都可以用仿真软件来进行模拟。

这和过去大家看到的仿真驱动设计有一个截然不同的层面，我们过去说的仿真设计仅仅谈的是设计阶段，现在我们谈的是工业4.0，我们谈的是设计一直到生产，一直到维护整个的过程。

实际上ANSYS的整个过程是仿真过程，ANSYS公司代表了整个仿真行业的演绎过程，就是从单一的物理场的仿真，到多物理场的仿真，到今天ANSYS第18版本的推出，ANSYS郑重的向客户推出：仿真驱动工程！ ANSYS能够实现从概念设计开始，开始一直到整个运维，全生命周期所有环节的仿真！

举个例子，比如说一架飞机的设计，通过概念设计已经在计算机建立了虚拟的飞机系统，飞机包括飞控系统、发动机等多个子系统，当子系统设计完以后再嵌入到整机系统，也就是仿真出来整个大的飞机系统，当物理系统嵌入到数字系统里面就实现了所谓的虚拟物理世界和虚拟世界的集成。

最后一直到生产工艺阶段以及整个运维阶段，我们更需要一个仿真系统来模拟这个真实的物理系统。也就是说通过仿真来建立一个数字双胞胎，来告诉我们的用户真实的物理的运行系统它到底怎么样，也就是说它到底会有什么样的问题，它将会有什么问题，它现在有什么问题，预测会有什么问题，能够诊断出来它问题出现什么地方，甚至去试验这样的解决方案能够在真实的系统里面有效吗？这是一个非常大的概念的过程，数字双胞胎背后技术的核心是仿真。仿真已经不仅仅是驱动整个设计了，仿真是驱动整个流程。”

从孙总以上演讲内容不难得出结论：工业4.0的核心是信息物理系统，Digital Twin是信息物理系统的重要支撑，Digital Twin背后的核心技术是CAE仿真。CAE在工业4.0系统中占有非常重要的位置。
  
关于制造业的未来

ANSYS V18更多的新技术大家可关注ANSYS官网新闻，我不再做重复的转述。对于制造业研发的未来趋势，我非常赞同ANSYS公司的观点：“以后制造企业的创新都将会是在软件平台上的应用创新”。以后企业的研发越来越趋向于基于软件的应用和创新，无所不能的仿真将知识和经验封装，从概念阶段、功能样机、系统样机、物理原型、运营阶段全程的实时仿真，可以让工程师设计互联网产品一样设计工业产品，快速低成本试错。将来的制造业将更智能化，工程经验数字化，工程师更依赖于软件。不只是国际象棋和围棋，即使在制造业，软件也将掌管一切，未来是AI的世界！

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