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1、DIGITAL INDUSTRIES SOFTWARE提升产品开发水平拥抱建模和仿真,促进企业数字化转型-作者:汤姆 朗(Tom Lange)内容摘要对客户而言,购物的关键在于对购买的产品是否有信心。客户的购买习惯正在发生改变,他 们更加关心产品用料来源。另外,客户还希望厂商能够保证产品功能符合预期,并提供当前 趋势和专业产品的获取渠道。即便客户对消费品公司有诸多要求,但仍希望企业能快速交付 产品。再者,买家也不会顾及制造商满足他们的期望需要付出的代价。另外,人们还普遍认 为开发和生产这些产品相对简单,从而想当然地以为生产消费品比生产汽车等复杂产品更快。 造的难度不以为然。他们所关心的始终是产
2、品多快能 到手,是否能够满足其特定需求和期望。因此,时 间或时间不足也就成了备受制造商关注的痛点之一。产品上市速度可以决定产品发布的成败。由此提出一个问题:企业如何继续以期望的质量开 发产品,同时加快产品生产速度以跟上消费者需求?再具体点,CP&R(消费品和零售)企业可以采用什么 方法来加快此进程?答案就在于建模和仿真。如上所 述,消费品复杂性与日俱增,个中原因很多,比如法 规监管日益严苛、消费者需求不断提高,以及企业需 要开发新产品以保持竞争优势和跟上发展趋势。对于开发汽车和医疗器械这样的产品,鉴于其复杂性,投资仿真和建模不仅具有良好的商业意义,对创造产 品也必不可少。但对于消费品和零售企业
3、,建模和仿 真在开发新产品时往往会遭到忽视。我将通过这一系列的三篇文章尝试回答以下问题:什么是建模和仿真?为什么消费品企业需要对其投资?Siemens Digital Industries Software2白皮书-提升产品开发水平 摘要首先,我们先来看看一些误区。包括开源和云在内,建模和仿真(M&S)是否基本免 费?尽管一些软件是免费的,而云看似免费,但建模 和仿真却是一项业务决策,旨在补充或替代正在做的 事,而不增加任何成本。您也许会想,“这和我的业务有什么关系?我用现有测 试工具就可以轻松解决问题。”这种错误观念源于以下 事实:企业内部人员常常建议进行建模和仿真。但毕 竟很多好技术都没能
4、转化为商业价值。您不应该凡事 都补充建模和仿真流程。对建模和仿真投入的资金应来 自替换下来的成本以及节省下的创新时间。要提供业务相关决策支持,就要围绕必要性给出预测 或回答一些业务方面的问题。给出预测或解释业务问 题就是“业务相关决策支持”背后的含义。以下是我们利用建模和仿真解决的一些问题:从瓶子移除多少塑料还能保证瓶子足够坚固并能 完好无损地送达交易地点?盖子会漏吗?如果在烤炉中增加更多气流,烘焙、烤制或干燥 的速度能提高多少?如果在配方中加入香料,新配方是否耐储存?如果改变罐子的填充液位、搅拌器或批次成分粘 度,是否也会改变批次充分搅拌的时间?能否在夏天将产品运到德克萨斯州,而产品不需 要
5、冷藏,也不会融化?这里的基本商业概念是什么?建模和仿真有助于解决 因成本或时间限制而无法通过测试解决的问题。在大 多数情况下,对新产品或改进进行完整的工厂测试要 么不切实际,要么费用过高。什么是建模和仿真?它与其他业务流程有何区别?摘要Siemens Digital Industries Software3白皮书-提升产品开发水平 而研发和某些工程支出往往侧重于需要测试的新概念。尽管如此,借助科学和数学方法,我们可以将测试简 化为多个未知因素,并通过方程显示整个行为。有了 这些方程,科学家和工程师就可以利用实验室、试点 工厂和工厂测试预算来研究上述未知因素。就此而言,航空行业无疑是一个典范示例
6、。大约 120 年前,莱特兄弟利用风洞、经验计算(在那个没有计 算机的时代,相当于建模和仿真)、小型风筝及其他实 验方法,成功实现了人类首次受控飞行。即使在 75 年前,似乎也无法想象航空行业会通过计算求解基流 方程(例如描述湍流现象的纳维-斯托克斯方程),但 它确实做到了。基于以方程表达的原理通过计算求解方程高性能计算(HPC)及其支持的仿真软件在过去半个世 纪给技术和工程带来了巨大改变,其程度相当于航空 行业在过去一个世纪对出行带来的改变。它是如何做到的?高性能计算(HPC)通过将任务分解 成小块来确定其工作原理。这些小块的行为很容易弄 清楚并组合在一起。因此,对整个系统的复杂行为进 行仿
7、真是从各部分开始的。有了高性能计算以及相应 软件,规则就变了。为安全起见,我们不必再在加倍 前猜测小数点后两位数。建模可一步到位,且仿真精 度在 2-5%内。汽车和航空航天正走在前列。想象一下,历史学家眼中的世界会是什么样子。然后 我们脑海中就会浮现出以下场景:建模和仿真广泛应 用于各行各业,上至国防和航空航天,下至汽车和快 速消费品(CPG),不一而足。该技术可根据企业当时 的需求和之前行业应用中所显示的可能性在不同行业 之间转移。从军用飞机(F-117)到商用飞机,航空行业已学会 如何利用计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程 (CAE)、CFD 和 FEA 技术来预测一切结果,包括飞机
8、 是否可以飞行。40 多年前,在开发 F-117 隐形战机时,高性能计算的使用尚且有限。如今,高性能计算已能 同时解决空气动力学和雷达标记方面的问题。建模和 仿真在军用方面所展示的创意与成功也让商用航空直 接受益。Siemens Digital Industries Software4白皮书-提升产品开发水平 对消费品采用数字化方法由此商业飞行有了一个良好开端,汽车行业亦是如此。到上世纪 90 年代末,大型汽车制造商大多对其汽车 采用了数字化设计,并能在联邦测试中预测碰撞假人 的反应。他们之所以开始使用碰撞测试,更多是为了 营销和获得政府批准,而不是了解如何制造更好的汽 车。碰撞研究数字化对道
9、路安全意义重大。1980 年至 2019 年,每 100,000 起车祸的死亡人数下降了一半,不到 7 人。由于设计/制造/测试/修正流程应用广泛,人们很 容易就会认为这是产生新概念的唯一途径。我们不能 指望彻底改变整个流程,但必须纠正“先制造,后测试”的观念。要实现此目标,就要复制使用条件(包括天气、压力、形状、撞击和化学成分)。审核设计时,第一步通常是 创建仿真测试环境。我们可以模拟在真实世界中不可 能测试的情况,并利用真实测试结果预测只能通过仿 真实现的情况。说到“未来现实的数字孪生”,我们指 的是 3D 计算机辅助设计(CAD)和对其实际性能的深 入描述。如果没有数字技术的帮助,我们的
10、发明创造步伐就会 放缓。鉴于原型制作耗时费力,我们仅有几次测试机会。包装瓶的新模具要 6-8 周才能送达,而仅测试一种形 式或轻质概念就要 3 个月。数字化消费者测试则为产 品同步开发和制造奠定了基础。数字化测试成本高昂,最好将其作为安全措施纳入当 前测试过程。在此变革时期,研发需要比平时投入更 多资金。这种方法可用来替代一些昂贵的传统测试,例如风洞、测试跟踪、飞行测试、海军导弹击落测试、试点工厂、工厂规模工艺测试和包装装运测试。随着这些测试成本减少,企业就可以投资软件开发、计算机技术和仿真专家。这意味着使用相同的资金可 带来更多设计和创新,从而更快提供竞争优势和提高 销售额。如果我们不这样做
11、,在创新水平上势必会被 别人超越。尽管规模更小,成本更低,但建模和仿真 仍需要非典型材料属性的数据。Siemens Digital Industries Software5白皮书-提升产品开发水平 可能会有人以为我说的是,我们需要告别测试,转而拥抱数 字化未来。但这并非我所倡导的观点。我只是建议以后多对 更改进行数字化测试。测试和实验之间的关系不同我们必须改变昂贵的原型和全线测试。要通过实 验证明某些东西有效,我们就需要测试所有使用 情况,而长期暴露则需要人工环境。如果准确性有保证,目前最有效的方法是通过仿 真评估原型或流程在不同时间和情况下的表现。而要证明准确性,需要使用模型的属性和数据来
12、测试仿真所需的参数,而不是仿真测试结果以取 而代之。换句话说,需要进行测试的时间更短(但 使用更好的仪器),子系统或组件更少。如果准确性有保证,目前最有效的方法通过仿真 评估原型或流程在不同时间和情况下的表现。模 型的属性和数据必须用于测试仿真所需的参数,而不是仿真测试结果以取而代之。换句话说,需 要进行测试的时间更短(但使用更好的仪器),子系统或组件更少。如果数据管理方法与模型和仿真活动相称,更改 实验内容就会事半功倍。在大型企业,实验员和 仿真专家往往由不同人员担任,因此协同就显得 尤为关键。仿真专家必须描述需要其测量的内容,而实验员则必须习惯对模型进行测量,而不仅是 观察最终结果。Sie
13、mens Digital Industries Software6白皮书-提升产品开发水平 制造商生产了数十亿种消费品,改变了行业格局。消费品行业(包括包装和耐用消费品)在快速消费品行业,冒充者综合征现象非常严重。我 们很容易自欺欺人,认为我们创造的东西不需要或不 值得使用复杂的技术,但事实大相径庭。为什么我们 很少听说快速消费品和耐用消费品企业面临某些全球 最复杂的科技和工程挑战?大众媒体不会讨论这些挑 战,因为快速消费品企业竞争激烈,会对其采用的方 法严格保密以保持自身竞争优势。此外,它很少是客 户是否购买产品的决定性因素,通常也不是主要卖点。产品理应没有问题,而且消费者关心的是产品功能是
14、 否与广告相符,而不会考虑其创造过程背后的科学原理。我将消费品所面临的挑战分为两个方面:产品矛盾和 规模化。规模化意味着每次使用成本低。要解决产品 设计挑战,通常必须克服一些基本的技术矛盾,对此 后面会详细进行介绍。消费品(尤其是快速消费品)规模化 意味着其每次使用成本低。据我观察,每次使用成本与系统复杂性和投资成 本呈相反关系,技术性远比我们想象 中要强。但一台造纸机却要花费近才能购得 厕纸就是典型的例子,其每次使用成本约为0.01 美元 2.5 亿美元大多数商用飞机的运动部件和计算机代码都比 Charmin 造纸机少。有些化妆品(例如粉盒)由手工制作,价 格要高得多。大多数商用飞机的运动部
15、件和计算机代 码都比 Charmin 造纸机少。有些化妆品(例如粉盒)由手工制作,技术性远比我们想象中要强,价格也比较贵。技术矛盾决定了设计师所面临的挑战。以包装为例。其唯一的作用就是保护产品,且我们还必须对其进行 处理,其中包括运输渠道中用到的所有纸板、托盘和 其他垫料。只要能使用较少材料将产品完好无损地送 到消费者手中,那就相当于是在印钱。所以这不仅仅 是规模化和产品制造方法的问题。建模和仿真对产品 设计非常重要,尤其是在产品矛盾方面,科技和工程 方程可以指导设计。Siemens Digital Industries Software7白皮书-提升产品开发水平 下面是一些例子。对于洗衣产品
16、:去除衣物上的泥土和污渍,但要保护面料及其接触的 皮肤。有多种方法可以清洁衣物,但都会损坏衣物。有多种方法可以洗衣物并不会刺激皮肤(比如只用水),但不能清洁或去除污渍。所以,不仅要有效清洗衣物,还要让这个过程更加轻松。一个世纪前,洗涤剂只是一种可以与水混合的白色粉 末,例如汰渍。如今,它成了一种可以与水混合的单 位剂量液体。这最后一步只能通过计算机辅助工程以 及建模和仿真实现。对于转换后的纸制品和塑料包装,应考虑以下要求:厕纸要柔软耐用纸巾要耐用且吸水性强一次性纸尿裤的透气性和容纳功能都要好女性卫生用品要干爽舒适,吸收性好对于消费品包装,还应考虑以下要求:包装要吸引眼球,但又必须实用、易于分发
17、包装要牢固轻便,易降解包装要能防止内装物泄漏,但又易 于打开盖子要防拆封,但又易于打开对于液体制剂,通常要控制乳剂或 粘度:液体混合物不能分离液体要易于配制和成型货架稳定性也是对配方的一大挑战;即使在加热或冷 却的情况下,产品也应具有良好的货架稳定性。这些看似不一致的地方大多是由产品设计师发现的,这样他们就可以创造出更加新颖别致的产品。然而,设计完成后,通常会进行测试以确保制品符合标准,由此可能产生大量研发和工程成本。Siemens Digital Industries Software8白皮书-提升产品开发水平 对看起来不难测试的东西进行仿真有何意义?我把效益分为两类:营收效益和利润效益。利
18、润效益 是显而易见的。如果可以减轻包装重量,去掉塑料、纸板等,同时还能保护产品,就能降低产品销售成本,增加利润。如果可以降低推出新包装所需的测试、原 型和模具的成本,就能降低研发费用。假设研发费用 保持不变,营收效益则来自降低产品以新容器上市的 成本和时间。这样我们就可以将更多新产品推向市场。新产品越多往往意味着销售额越高,或者至少是被竞 争对手抢走的销售额就越少。我们以液体快速消费品包装为例。大多数快速消费品 公司生产的塑料包装几乎都是用 3D CAD 进行数字化 描述的,有些制造商和供应商还会使用虚拟测试方案 来评估设计。液体的塑料包装:这种包装始终离不开轻量化或使用最少的材料满足功 能要
19、求。1.顶部载重(堆叠强度)2.凸起或真空(内力)3.凹陷(外冲击强度)4.跌落测试-满载(外力冲击)5.在设计开启扭矩条件下的密封泄露情况6.包装放在货架上和传输过程的稳定性(空载和 满载)7.包装在运输通道中的托盘贴合度和稳定性(倾斜 和振动稳定性)8.容器类包装的分液设计想象一下,当您好不容易完成产品设计、订购和制造,却发现由于生产线速度问题,包装太不稳定,无法放 在组装线上。容器可能过高,无法摆放在零售商的货 架上,或者瓶盖扭矩过大,普通人必须拧很久才能开启。此类问题很普遍,由此催生出了一种数字化升级的业 务运营方法。在制作原型之前,即使是只制作一个,相 关领域的领跑者都会对所有必要性
20、能参 数进行全面(逼真)的仿真。下面我们来探讨相关成本效益。Siemens Digital Industries Software9白皮书-提升产品开发水平 这些仿真要用到已在汽车和航空行业得到验证的 FEA 和 CFD 软件。消费品行业现在也受益于这些行业,就像汽 车行业曾受益于航空行业一样。在数字化增强开发过程前后,典型的新塑料容器开发项目将采取以下措施:数字化增强 开发之前:全方位实施数字化设计和 测试流程之后:从独特造型设计提案到投入运输,用时约 18 到 24 个月从独特造型设计提案到投入运输,用时约 12 到 18 个月 使用型腔模具进行约三次迭代设计 依据设计和功能要求评估数千种
21、形式 将一小部分设计投入展会测试和消费者测试 3D 打印成型,投入展示和消费者测评 与客户一起制作实物货架模型 与顾客一起审查数字化货架模型 供应商制造数百个瓶子托盘 跳过单位腔体模具应用过程(或使用一个模具用于确认)试点工厂试运行首件模具即为生产模具 两到三次交易运输测试 无需在试点工厂试运行 推出后如期更新设计(启用新的生产模式),完成轻量化周期 工厂试用即为首次生产运行 容器类包装用料极简。进入市场后不存在轻量化周期推出后如期更新设计(启用新的生产模式),完成轻量化周期Siemens Digital Industries Software10白皮书-提升产品开发水平 这组内容主要有两种类
22、型:处理单独制品和管理稳定流。独立流程大多包括组装零件。这种组装可以在 10 秒 内快速手动完成。电池、吊扇、割草机、电动和手动 剃须刀都是快速组装品。有的产品只有几个零部件,有的产品则有很多,而 3D CAD 对所有这些产品而言 都是关键的环节。FEA 可用于确定零部件公差,而公 差问题对存在干扰或需要卡扣安装的手工组装品至关 重要。FEA 还有助于弯曲或焊接机器制造的塑料和金 属物体。FEA 可测量在传送带上移动薄膜或基板时所 产生翘曲的应力。30 多年前,人们首次使用 FEA 等软件进行建模和仿真,并将其用于制造个人消费品。在那个时代,使用软件 仅可解决基本问题。想要正确缩小作业规模很难
23、,而 且热因素也会限制生产速度。需要缓慢冷却的制品就 得缓慢冷却。打造有效的全尺寸原型并以多种速度测 试所需成本高昂。在建模和仿真出现之前,我们不得 不一再打造昂贵的机器。现在,大多数创新企业在制 造新机器前都会进行仿真,这样可以使迭代次数减半。实现工艺规模化,包括加热和冷却扩大作业规模并非易事。根据牛顿第二定律,力等于 质量乘以加速度。因此,要将组装速度提高到每分钟 1,000 个零部件可能并不容易。想要正确缩小作业规 模很难,而且热因素也会限制生产速度。需要缓慢冷 却的物体就得缓慢冷却。我们可以打造全尺寸原型,而不必计划测试不同速度的原型机。大多数有远见的 领先机械制造商在制造原型前都会在
24、计算机上对其新 工艺进行仿真。这样可以使迭代次数减少 50%以上。模型仍然需要运用一些物理学原理,所以这表示它并 不完美,但随着加入的物理学原理增多,模型会逐年 改进。结构完整性 Siemens Digital Industries Software11白皮书-提升产品开发水平 对此,可以选择一种连续性更强的处理工艺,其中涉 及加热、冷却和各种化学变化。此外,还有一种折衷 方法,其中离散粒子的行为更像是一个连续过程。DEM(离散元建模)是一款不错的工具,非常适用于此目的。此类应用可以是空气吹入小球或颗粒,或者是容器加 热或冷却隧道。它可以是任何物体,无论是车载太阳 能饼干烤箱,还是通过隧道窑对
25、小零件铸件进行回火 冷却。此外,它还可以模拟水淬和油淬(复杂性更大 但可行)。在此领域,利用喷雾蒸发冷却空气是个难题,但仿真可帮助解决此类问题。CFD 软件对此类应用很有帮助,其仿真在按比例扩展 后准确性非常可观。与测量值相比,空气等流体和相 对规则的几何体的仿真日渐“精确”,对内部零件温度 尤甚。此类应用适用于塑料封装,包括注模冷却和加热。尽管如此,在增加壁厚以获得更好的冷却效果和提高 结构强度以减少变形之间,经常需要我们进行权衡,导致大规模注模(通常用于瓶盖等)成本变高。在此 领域已涌现出一批新公司,不仅可以生产出更便宜的 模具,还不像以往那样严重依赖经验和过度设计。假设我们需要了解往产品
26、容器吹入热或冷空气后产品会有什么反应。Siemens Digital Industries Software12白皮书-提升产品开发水平 加工液体和粉末提升了复杂程度。几乎所有以瓶装、袋装或其他液体容器出售的液体和粉末产品都需要搅 拌液体和粉末。它的可扩展性更强;我们通常试图确 定这些成分何时完全结合在一起。工厂搅拌器直径为 10 英尺,高 20 英尺,其运作方式不同于试点工厂所 用的小型搅拌器,后者通常只有大型工业厨房那么大。对剪切率、搅拌时间或其他参数进行数量级预测无异 于天方夜谭。因此,在工厂中对全尺寸设备进行测试 会浪费宝贵的生产时间。早在 20 年前,CFD 就被用于分析搅拌罐、搅拌
27、叶片 和其他方法。上述模型适用于针对水或油等牛顿流体 的实验。现代 CFD 软件可以处理花生酱和护肤液等非 牛顿流体。我们在工厂实验中就使用了 CFD。该应用 程序会自动填充搅拌罐,提示成分并绘制结果图。无 论您使用的是罐式搅拌器还是液体连续搅拌器,要将 化学物质混入液体,就需要使用 CFD 软件。该软件通常有助于处理流动空气,但在流动流体以加 热或冷却产品或组装件方面也至关重要。无论是家用 产品还是工业产品,CFD 都非常适用。若要计算风扇 移动的空气或液体体积与其速度、叶轮结构和噪声水 平的关系,它的作用至关重要。在此问题中,噪声是 一个相对较新的因素,但对于大多数现代家用电器而 言,迅速
28、产生噪声的能力必不可少。如我之前所述,消费品和零售企业可以将建模和仿真 应用于包装并从中受益,但这只是故事的一小部分。此系列第二篇文章将围绕力学与电子学的结合展开,主要介绍我对机械系统中应用建模和仿真的一些看法。敬请关注!第一部分结论:按比例混合Siemens Digital Industries Software13白皮书-提升产品开发水平 关于 Siemens Digital Industries SoftwareSiemens Digital Industries Software 不断推动数字化企业转型,让 工程、制造业和电子设计遇见未来。Xcelerator 是 Siemens Di
29、gital Industries Software 推出的软件和服务全面集成式产品组合,可 助力各种规模的企业打造数字孪生,带来新的洞察、新的改进 机遇和新的自动化水平,让技术创新如虎添翼。如需了解有关 Siemens Digital Industries Software 产品和服务的详细信息,请访 问 或关注我们的领英、推特、脸书和照片墙 帐号。Siemens Digital Industries Software 数智今日,同塑未来作者简介汤姆 朗汤姆 朗在宝洁公司(Procter&Gamble)工作了 36 年。在此期间,他组建并领 导建模与仿真部(M&S)。汤姆已于 2015 年退休
30、。在此之前,他一直担任建模和 仿真总监,负责利用技术从产品源头到 商店货架对配方、产品和制造系统进行 建模和仿真。通过分析和优化,他帮助公司解决了诸多重要问题,例如品客薯片是怎么飞出传送带的,以及婴儿大小如何影响纸尿 裤泄漏等。这些分析涉及消费者建模、计算化学和生物学、计算 机辅助工程(CAE)(结构、流体、控制、化学工程、实证)及生产 系统吞吐量和可靠性等学科。目前,汤姆主要作为顾问为公私企 业提供咨询服务,利用先进的建模和仿真软件帮助他们巩固竞争 优势。 2022 Siemens.可在此处查看相关西门子商标列表。其他商标 属于其各自持有方。85124 12/22Siemens Digital Industries Software美洲:1 800 498 5351欧洲、中东及非洲地区:00 800 70002222亚太地区:001 800 03061910如需其他地区电话号码,请单击此处。