设计工具进入快车道 - 彭博社

在今年印第安纳波利斯500赛车赛的发令枪响起之前，达拉拉汽车公司就已经在庆祝。第一排的三辆赛车都有一个共同的特点：它们的底盘是在意大利帕尔马以西约20英里的瓦拉诺·德·梅莱加里由达拉拉设计和制造的。

达拉拉最近取得了一系列令人印象深刻的赛车胜利，包括过去五届印第安纳波利斯500赛中的四届以及去年的戴通纳500赛。大部分功劳归功于最新一代的计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）工具。达拉拉的技术总监卢卡·皮尼亚卡表示：“没有这些工具，我们所做的一切都是绝对不可能的。”

新软件也在全球设计和工程界引发了轰动。所有主要的CAD和CAE供应商都推出了将曾经割裂的创意设计和理性工程过程结合起来的程序。达拉拉使用的工具来自马萨诸塞州尼达姆的参数技术公司，几乎消除了设计错误，并使设计师的效率提高了三倍——帮助公司更快地从计算机设计转向40%比例的模型。“现在我们可以花更多的时间在风洞中微调性能，”皮尼亚卡说。

此外，这些新工具在模拟成品的真实世界行为方面变得更加准确。因此，“虚拟原型”——计算机模型——开始取代工程师一直用来双重检查新设计的物理原型。这种技术的融合正在大幅减少设计修订的需求，并比以往更快地将新产品推向市场。

新的CAD-CAE混合系统在过去十年中不断发展，这得益于计算能力的提升。如今，工程程序可以在设计形成的过程中自动检查设计。这是通过一种称为有限元分析（FEA）的数学工具来实现的。在过去，FEA消耗了大量的计算能力，因此必须在设计过程之后进行——但这一点现在已经改变。

本质上，FEA通过将CAD模型划分为复杂的三维网格来工作。然后，计算机模拟压力或热量沿网格线的传递，以确定三维模型的所有部分在最终产品在现实世界中所面临的力量下能承受得多好。

这可以帮助发现设计缺陷，防止有缺陷的产品进入市场。由于设计师通常根据经验做出选择，他们很容易忽视模拟可以揭示的更好的方法。如果设计师对基于FEA程序（如Abaqus）的模拟结果提出异议，Hibbitt, Karlsson & Sorensen Inc.的总经理Mark W. Bohm宣称：“模拟总是证明是正确的。”该公司是位于罗德岛州帕特基特的Abaqus开发商。

在密尔沃基的Milsco Manufacturing Co.，FEA帮助高级设计工程师John S. Scott避免了新款SUV和卡车座椅潜在的问题。使用来自洛杉矶的Structural Research & Analysis Corp.的CosmosM软件，Scott发现，在对第一个原型座椅进行了一些美观上的修改后，扶手出现了一个弱点。他担心如果人们反复拉扯扶手以爬进车辆，扶手可能最终会断裂，因此Scott加固了扶手。

在设计阶段捕捉到这样的潜在问题可以节省数万美元，避免在生产线上进行更改，例如订购一套新的昂贵模具。“这也为我们的测试实验室节省了时间，”斯科特说。因此，Milsco Manufacturing能够承担更广泛的工作，并扩展到新的市场，例如高尔夫球车座椅。

尽管今天的计算机功能强大，但仅依靠有限元分析（FEA）在探索设计替代方案时的实用性仍然有限。评估多种设计方法可能需要数百或数千次的FEA运行，这将使设计过程拖延数小时或数周。这就是下一个重大进展的所在，称为“实验设计”（DOE）。这种方法可以显著简化所谓设计空间的分析——不仅是现有设计，还有可行替代方案的范围。“用FEA分析一个发动机缸体可能需要一天，”德克萨斯州普莱诺的电子数据系统（EDS）公司的CAD-CAE专家基思·D·佩林说。“你不能承受这样做5000次，”他补充道。无论如何，即使是这么多的重复也可能不足以为由多个部件和材料构成的产品提供足够的数据。确定材料、部件形状和厚度以及其他变量的正确组合可能需要50,000次迭代。

通过分析各种设计元素如何相互影响，DOE找出哪些组件对性能影响最大。然后，FEA程序可以集中在这几项关键变量上，上下调整它们以找到最佳解决方案。再加上一些工程智慧，你就得到了基于知识的工程。佩林说，使用EDS最新的软件Unigraphics NX，“你告诉它你的整体设计目标和不能改变的事项，它将使用DOE、FEA和优化工具来探索替代方案以达到该目标。”

设计优化的下一个步骤是“行为建模”。当软件探索多种组合时，它将结果组织成一种树状结构，显示因果关系。每个大分支代表一个主要变量，例如厨房电器中电机的大小。子分支显示使用各种品牌电机和不同电机支架的可选项。当这个数据库完成时，设计几乎可以瞬间修订，安德烈亚斯·弗拉希诺斯（Andreas Vlahinos）说，他曾是科罗拉多大学的工程教授，对这项技术着迷并创办了一家初创公司：位于科罗拉多州城堡岩的先进工程解决方案公司。

汽车制造商和其他大型制造商正在认真对待这些新能力，虚拟原型制作在底特律成为热门词汇。“这现在是我们产品开发过程中的主流部分，”通用汽车（GM）公司的动力系统合成与分析主任约翰·L·吉文斯（John L. Givens）说。“我们有一个特别的培训项目来教设计师工程学，”以便他们能够更熟练地使用结合CAD和CAE的系统。

不久，像通用汽车这样的巨头“将对他们的小供应商施加压力，让他们承担更多的产品开发工程任务，”位于马萨诸塞州康科德的SolidWorks公司的市场副总裁苏奇特·贾因（Suchit Jain）预测。然后，那些仍然抵制单独使用有限元分析（FEA）的公司将意识到这款软件的成本效益。SolidWorks今年发布的一项研究发现，拥有五名设计师的公司在50,000美元的CAD-FEA投资上平均获得了285,000美元的回报。

由于这些好处，Advanced Engineering Solutions的Vlahinos表示，促使犹豫不决的公司采取行动只需要一次成功的工作。“然后他们就会渴望升级到DOE，”他说。“最终，每个人都会拥有行为建模。”

Vlahinos预测，明天的CAD-CAE系统也将为管理者带来 relief。软件将聪明到无法容忍有缺陷的设计。“它就像计算机上的一个小锤子。每当你错过设计目标时，”他说，“它就会敲响警钟——并纠正设计。”然后公司应该能够以最快的速度推进产品开发周期。

作者：Otis Port，纽约