歷經40多年的發展，有限元素分析工具(FEA Simulation)又稱作電腦輔助工程(CAE)，已經成長為現代先進製造業必備的手段之一，並廣泛應用於產品研發和生產環節中，通過提前預知產品性能與缺陷，大大降低了產品的設計和實驗成本，同時也大幅縮短了產品的開發週期。隨著近年來雲端運算和人工智慧的蓬勃發展，以及數位樣機技術的不斷完善，模擬技術、產品設計和製造過程正在進一步融合，並以前所未見的方式給予設計師更多洞見與啟迪。

尤其有意義的是，製造業本身也正處於千載難逢的發展機遇之中，對創新的設計工具和新洞察能力的要求日漸提升。

產品的本質正在發生變化。蓬勃發展的網路技術以及觸手可及的巨量計算資源，給產品創新帶來了前所未有的契機。傳統的專注於功能實現的產品，正逐漸向更懂使用者需要的互聯智慧設備過渡。一旦與智慧平台相連，諸多產品生成的資料交匯，就彷彿產生了源源不斷的靈性，讓產品能夠更加的理解使用者需求，提供客製化服務，並且在整個生命週期中不斷改進與增強。Nest、Tesla和iPhone 都是這些新智慧產品中的佼佼者。

產品交付的方式也隨之改變。交付的標的也從產品本身轉向封裝的整體服務。勞斯萊斯給它引以為傲的引擎配備了大量的感測器。不論是在三萬英尺的高空還是在海裡，引擎產生的運行資料都會通過衛星擷取，並提交給總部作即時維護決策使用。這使得勞斯萊斯能夠隨時掌控引擎的狀態，以執行時間和里程的方式交付服務，這是傳統產品難以做到的。

先進的製造過程也極大的激發了產品設計的創新。以3D列印為代表的增材加工技術發展迅捷，增材加工的工業化應用在航空和高端模具製造等行業逐漸展開。其獨有的成型過程賦予工程師極大的自由來操控產品的內部構成，為創新的外形和突破性的性能提供了廣闊的探索空間。

如雨後春筍般出現的新技術，和使用者對新形態產品的渴望，將進一步推動製造業變革升級的浪潮。

初識

歐特克(Autodesk)與許多的製造企業有深入的合作，不管是位列世界五百強的知名跨國公司，還是嶄露頭角的市場新星，這些合作夥伴在產品研發中運用模擬技術的熱情、視角和收穫，一直在給予我們啟示。在過去的十年時間裡，Autodesk在模擬領域不懈的投入資金和技術，打造了5大產品線來支援不同的行業。

圖1 : (source: Autodesk)

● Autodesk Simulation Moldflow 是全球模流注塑分析和加工過程模擬解決方案，在塑膠製品行業極富盛名。廣泛應用於汽車和消費電子業。

● Autodesk Nastran 是源於NASA的三大Nastran分支之一，通過嚴苛的NAFEMS 基準測試，擁有極高的可信度和完整的結構分析功能。在線性、頻響、屈曲和熱應力等基本能力之上，對非線性、瞬態、超彈材料和顯式求解等高階功能也有極好的支援。

● Autodesk Simulation CFD 專攻流體和熱分析，主要應用在電子散熱、管道閥門、數值風洞和空調建築等方面。CFD尤為稱道的是與各種CAD檔案格式良好的相容性，出色的易用性和與Autodesk建築業解決方案的無縫整合。

● Autodesk Simulation Helius 面向複合材料的設計與分析，對疊層複合材料的漸進性失效(Progressive Failure)特性有獨到的支持，對航空業極有意義。Helius也能夠通過非線屬性的映射，使得對纖維增強塑膠構件的性能分析成為可能，這是汽車行業特別需要的。

● Autodesk Robot Structure Analysis 主要是建築鋼結構分析，長於結構分析和國家標準適配，長期深耕歐洲市場。

模擬能力是對人類直觀觀察力的有力補充，是工程師的又一雙敏銳的鷹眼。它將以往不直觀的物理現象，以可偵測和量化的方式呈現出來。複合使用多種模擬能力，能將以往依靠經驗和閱歷來決定的判斷，代之以量化和客觀的剖析。從而因應答許多以往難以確定的問題，例如:

● 強度要多少才足夠

● 部件何時會失效

● 缺陷會如何發生

● 是否會過熱

● 不影響性能的前提下，能變得多輕

● 如果跌落會發生什麼

圖2 : (source: Autodesk)

溫度變化的影響是? 這個部件會損毀嗎? 如果跌落，會發生什麼狀況? 是否會過熱? 能夠承載流體的壓力嗎? 能夠更快的生產嗎? 何時會失敗? 缺陷會如何發生? 部件會相交嗎? 強度到底要多少才夠?能讓它變得多輕? 會有瑕疵嗎?

對於初識模擬的企業而言，模擬的洞察力較多用於補充和代替產品研發中的的試件和實驗環節。只要有了數位化的CAD模型和工況載荷描述，無需製造真實部件，就能展開實驗，預測性能及耐久度。在設計開始就能以極低的成本隨時開展實驗，以可重現、可比較的方式將性能考量加入到設計環節中，這是非常有吸引力的。對於試製成本高昂的部件（例如飛機機翼）、破壞性的實驗（例如汽車碰撞檢測）和難以達成實驗條件的場合（例如建築設計的散熱需求）尤其如此。越早開展模擬分析，就能以越小的成本完成設計更改，獲得更完整的設計方案。這是業界比較通行的認知，也是大部分企業現在所處的應用水準。

進階

在熟悉了模擬技術之後，有越來越多的企業不再滿足於其虛擬驗證和實驗的用途，開始探索模擬在設計和加工製造方面的延伸運用，希望在設計階段就增添可加工性檢驗，例如：

● 設計是否可加工

● 如何設計才便於製造

● 對工藝參數有何推薦

● 何處容易出現加工和外觀缺陷

● 加工過程對部件性能的影響

● 材料選擇會產生的差異

● …

Autodesk Moldflow近年來的發展，就是和模流注塑行業與時俱進的一個典型。塑膠高分子模內成形過程極其複雜，影響因素眾多。同時由於行業的快速發展，新製程、新材料、新技術層出不窮，也激發了對模擬技術的需求和發展創新的動力。

圖3 : (source: Autodesk)

在新製程支援上，Autodesk Moldflow提升了塑膠流動模擬，纖維取向計算，模具/冷卻系統溫度場類比，產品翹曲變形預測等功能的精度；同時也積極開發各種新製程的模擬模組，例如微發泡成型、熱塑性塑膠壓縮成形、樹脂傳送成形、變模溫技術、電磁感應加熱技術、隨性冷卻分析、粉末注射成形等。

在新材料支持上也是不遺餘力。Autodesk Moldflow為塑膠成形過程模擬軟體，在該產業鏈上發揮著極其重要的作用。準確的材料屬性測試對模擬類比的精度至關重要，Autodesk Moldflow依託兩個材料實驗室，能夠對新材料的粘度、PVT、熱傳導係數、比熱係數以及CRIMS等參數進行完整測試，同時Autodesk Moldflow和各大材料商保持著戰略合作關係，雙方緊密合作為客戶提供最新最精確的材料參數資料庫。

在典型的塑膠模具企業中，模流分析工程師團隊使用Autodesk Moldflow對產品的可成形性以及可能出現的製品缺陷進行評估。通過將實際生產的工藝參數輸入軟體中進行計算，Autodesk Moldflow可以模擬製品在模具中的充填行為以及後續的翹曲變形，並能提供一系列結果，例如壓力場、溫度場、速度場、剪切速率場、纖維分佈取向、收縮率等。通過對模擬結果的解讀，可以提前發現各種可能將會出現在實際生產過程中的問題與缺陷。例如:

● 通過對充填模式的解讀，可以判斷是否存在短射，流動不平衡等缺陷

● 通過對壓力結果的觀察可以判斷成型壓力是否過高，結合其它結果，如溫度、粘度、剪切速率來進一步分析導致壓力過高的原因。

● 通過對剪切速率的觀察，可以判斷是否存在不合理的澆口設計，過高的剪切溫升和材料降解。

● 通過對模具和冷卻水路結果的分析，可以指出模具設計不合理的區域。

● 通過對翹曲結果的分析，可以判斷製品尺寸是否符合要求，進一步分析引起翹曲的原因，例如收縮不均或者不合理的纖維取向分佈，可以幫助找出改善翹曲變形的關鍵因素。

基於模擬結果，模流工程師可以與產品設計部門、模具廠、生產現場，以及客戶緊密合作。對產品設計、模具設計，以及生產製程提供建議與指導。以短射缺陷為例，可能的改進方式有很多種，如修改澆口尺寸或位置、修改流道、增加壁厚、升高溫度、增加排氣等。此時模擬模擬的結果就能為方案的選擇提供最好的參考，從而提高試模成功率，提升效率，降低成本，提高企業行業競爭力。

除了能夠做成形性分析，為工程師提供參考之外，Autodesk Moldflow還具有智慧尋找最優化方案的能力。通過使用實驗設計優化，使用者自訂影響因素與目標準則，Autodesk Moldflow能夠自動將這些因素分解成為一系列的分析，進而根據使用者的目標來推薦最優的方案。Autodesk Moldflow的試驗設計優化功能相當強大，幾乎包含了所有的成形因素。在最新的版本中Autodesk Moldflow更是將CAD模型直接編輯加入到試驗設計優化中。例如使用者可以直接在Autodesk Moldflow中定義模型壁厚的變化範圍，軟體能夠自動生成一組不同壁厚的CAD模型並劃分網格與分析，最終返回給用戶最優的壁厚方案。這些功能的出現是各種前沿技術集大成的結果，如Autodesk的雲計算能力使得試驗設計優化產生的大量方案能夠得到快速求解，又比如Autodesk對CAD內核直接編輯的技術，使得任意格式的CAD模型能夠被修改，並加入到試驗設計優化當中。

展望

增材製造近些年很受關注，其工業級應用漸熱。例如鐳射選區燒結技術(SLS)結合金屬材料，可以列印高強度、高精度的工業製品，屢見於航空和模具製造領域。但是對於SLS加工過程中產生的熱應力，及其導致的冷卻後的收縮變形，卻一直缺乏有效的分析手段，殘留的熱應力也使得傳統的模擬分析變得困難。所以對性能敏感的關鍵部件，現在的設計過程大多還停留在試製、實測和試校正的層面。為此Autodesk 在其Netfabb 3D列印套件中新添了Simulation元件，使用美國賓州大學Pan實驗室的技術，可以高速模擬整個3D列印過程，通過計算每一個節點的熱歷史來獲取整個部件的熱應力分佈，填補了這一空白。

圖4 : (source: Autodesk)

增材製造對製品內部細微結構的掌控，也賦予設計師更大的創想能力。Netfabb Optimization可以以擬生的方式，在製品內部設計晶格(Lattice)填充結構。運用不同的晶格基礎結構，可以達成極輕量化、生物親和，彈性緩衝等等不同的優化目標。下圖就是一個熱交換器的實現，內部的仿生結構能夠實現熱交換率的最大化，這樣部件的設計和優化，是傳統CAD/CAE軟體和傳統製造工藝難以企及的。

圖5 : (source: Autodesk)

這樣的設計，其實是依託雲計算和人工智慧，運用強大的建模規則和模擬軟體的洞察能力構建而成。它改變了傳統設計過程中以幾何為中心的觀念，轉向面向需求的生態拓樸設計，從性能要求和加工約束出發，從實際使用的角度來推導最佳方案。自然界千萬年的演化與科技的自我完善，在這裡匯集。

假設有一天，你可以對手機說：「我想要一張椅子，它有四個腳，離地90cm高，木頭或者塑膠材質，100公斤大漢也坐不壞。」然後就會有成百上千種最優化的設計自動生成任由挑選，然後柔性工廠可以為這款獨特的座椅自動加工成型，那是不是很酷？

圖6 : (source: Autodesk)

在2016年11月的全球用戶大會上，Autodesk首次宣佈了名為DreamCatcher產品的雄心壯志。目標就是打造一個智慧平台，能夠理解使用者產品的性能要求與使用場景，自動探索最優且可加工的設計方案組合，供設計師參考。它所引發的產品設計的重新思考，現在才剛剛開始。未來的唯一局限，也許只是我們的想像力。

製造業最好的年代，正在路上。

(本文作者夏臻新、陳路為歐特克(中國)軟體研發高級經理、資深研究員)