工程设计的量子飞跃 - 彭博社
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在1850年,拉尔夫·瓦尔多·爱默生观察到,在自然界中,“结构的最高简单性不是由少数元素产生的,而是由最高复杂性产生的。”一个半世纪后,这在计算机辅助设计(CAD)的世界中似乎尤其真实。
考虑一下iSight,这是由Engineous Software Inc.制作的一个计算复杂的软件包。通过隐藏所有复杂的数学,程序为产品设计师提供了一种快速改进的方法,这些改进是他们在使用昨天的CAD系统时无法发现的。iSight是在通用电气(GE )公司的研究部门开发的,最初在1994年Engineous分拆后被汽车和航空航天公司迅速采用。基本方法随后传播到其他CAD系统,因此即使是小型制造商也在利用这些工具。Engineous副总裁迈克·谢分享了他对设计技术未来的看法,采访者是高级撰稿人奥蒂斯·波特。
这种新设计方法的关键是什么?
让我们从有限元分析开始。通过有限元分析(FEA),你将设计或计算机模型划分为无数几何形状。结果是一个网格,看起来有点像你在[物体]周围包裹了一层鱼网。但这个网格不仅仅在表面上——它在三维中渗透整个模型。计算机使用这个网格来计算模型如何响应压力、温度和其他力。但要模拟一个系统在现实世界中的工作方式,你需要进行多次有限元分析重复,以确定哪些特征可以更改以改善设计。
设计师如何决定改变什么?
这就是实验设计,或称DOE,发挥作用的地方。这是一种复杂的统计技术,可以识别出最重要的变量,并且它在不经过每次重复只改变一个变量的常见过程的情况下做到这一点。对于除最简单设计之外的所有设计,即使在强大的计算机上,这也会花费太长时间。DOE大大简化了系统评估许多替代方案的过程。
DOE实际上会修订原始设计吗?
不,它识别出关键变量,例如在特定位置材料的厚度或刚度。然后设计师可以指定允许的变化范围。其他数学技术会调整这些变量,以尝试找到更好、更平衡的解决方案。
将来,工程师能否输入一系列功能,按下一个按钮,得到一个完成的设计?
这已经是可能的。但设计师必须从非常明确的需求列表和各种参数的允许变化范围开始。对于2000年美洲杯比赛,意大利的普拉达队使用iSight,在六个月的时间里进行了30,000次模拟。他们能够自动优化部分龙骨设计。但输入包括非常具体的因素——不仅是关于船只设计的严格规定,还有海洋和风的行为以及工程技术知识。
那么,自动化更平凡的项目呢?
一些有前景的“无CAD”变形技术正在早期采用者中进行测试。你从一个自由形式的有限元分析网格开始,加上一些一般功能指南。优化工具探索许多替代方案,而网格变形软件则生成不同的设计,这些设计可以通过计算机辅助工程软件(如Abaqus [来自罗德岛州帕特基特的Abaqus Inc.])进行有限元分析。到目前为止,这种变形技术主要限于探索不同的形状,但应该可以包括其他设计变量。
为了提高设计的可制造性,这些系统能否与车间设备连接?
我们开始看到这一点。一位客户在设计阶段就包括了组装程序。其他公司正在创建能够加快生产或减少工厂废料的设计。但可能只有不超过15%的设计师在使用基本的有限元分析(FEA)和设计实验(DOE)工具。因此,先进的设计集成和自动化水平在未来几年内不会普遍存在。