CAE与制造业的未来
这篇博文出自《东亚商业评论》。这是一篇最初用韩文发表的文章的译文。你可以看看在这里。
创新
“CAE作为一种模拟技术，是一项创新，引领着制造业的未来。——牵牛星(Altair)首席执行官吉姆•斯卡帕(Jim Scapa)最近访问韩国时如是说。
计算机辅助工程（CAE）是一种模拟技术，是引领制造业未来发展方向的创新方法。可在产品开发阶段“之前”和“之后”使用。当与拓扑优化（一种涉及数学算法以获得最佳形状结构的方法）相结合时，CAE可以同时减少开发时间和节省成本。考虑到空间限制，选择最有效的设计方案。此外，通过将仿真与优化相结合，可以获得以前无法想象的创造性和创新性设计思想。
SCAPA在哥伦比亚大学学习机械工程，然后在密歇根大学完成工商管理硕士学位。1985年，他在福特汽车公司（Ford Motor Company）担任工程师后，创立了Altair。如今，福特、通用、空客、阿尔斯通、巴斯夫、IBM、埃克森美孚和美国宇航局都是牛郎星的重要客户。Scapa在最近访问韩国期间讨论了CAE在制造业中的潜力。
为什么cae很重要？
让我们以雪橇为例；这是一项冬季竞技运动。为了提高雪橇的运行速度，有必要对雪橇的外部进行设计，使空气阻力最小化。因此，雪橇通常采用流线型整体式设计，表面没有任何破损。不仅如此，在考虑与冰的摩擦系数的同时，有必要优化雪橇滑道的形状。
如果你是一个运动器材制造商，你会做什么来生产这种雪橇？你可以按照传统的路线，根据设计师的草图创建一个雪橇原型，进行现场测试，看看雪橇是否会给客户带来真正的问题。该过程重复进行，直到制造出最终产品，以反映在测试过程中发现的问题的重新设计。然而，这种方法最大的问题是时间。即使进行了大量的现场测试，也不能确定和解决极端条件下可能出现的所有问题。然而，CAE可以解决这个问题所有这些问题。
CAE是一种在计算机上运行从产品设计到设计、分析和性能评价全过程的仿真技术。软件可以设置多个虚拟环境参数，并预测所需的性能。它可以通过改变和反映输入值得出最优设计。在过去，仿真软件的使用是有限的。只有在测试阶段，设计师根据自己的直觉和想象完成了具体的设计之后，才能判断一个设计在现实生活中是否能发挥作用。典型的例子包括从高处扔下智能手机来测量耐久性，或者进行高速驾驶和碰撞测试来进行安全检查。然而，CAE模拟的主要特点是它被用于设计的“前”和“后”阶段。设计师现在可以在设计完成前的规划阶段以及设计完成后的测试阶段应用仿真技术，然后进行相应的制造。
使用CAE，可以生产成熟的产品设计。可以通过数字校准精确调整模拟，无限期地运行。此外，该设计是空间效率。CAE的使用允许创建超出人类想象和直觉的设计，因为软件通过众多虚拟仿真周期提供了最佳状态。开发时间和成本可能会急剧减少。
大量的计算机模拟能产生创造性的设计吗？
将仿真技术与拓扑学结合起来很重要，拓扑学是数学的一个分支，涵盖了几何图形等。拓扑学关注的是位置和形状的空间性质，重点是点、线、边的数量和连接状态，而不是根据尺寸考虑长度和宽度（透视图）。骨骼、树叶、蜂巢等自然形态经过漫长的进化过程，已发展成为现代形态。可以得出这样的结论：经过数百万年的进化，它们已经改变了自己，以便最大限度地提高耐用性，最大限度地减少疲劳，从而在承受任何载荷或来自外部的压力和冲击时，能够有效地分散疲劳。拓扑学可以称为一种数学方法来寻找这样一个最佳的结构。
把零件设计成一个简单的矩形结构是很容易的。然而，由于空间有限，在厚度和形状不规则的扭曲管道区域内，产生想法和设计有效的部件是极其困难的。拓扑优化技术将基于拓扑的算法与仿真技术相结合，可以很容易地解决这一问题。无论空间限制有多极端，都可以通过基于一个公式的大量模拟来开发最优结构。
有趣的是，通过利用拓扑优化技术，还可以产生创造性和独特的设计理念。人类制造的机器或机器部件的工程设计主要是直线和直角，内部是固体和完全的，而不是在中间空隙或空心。相反，诸如骨，叶子和蜂窝状的自然结构，结构表现出时尚曲线和网格状结构。结构通过演化改变，并更有效地承受外部压力和冲击。让我们想象我们已经将这种进化算法应用于各种机器和零件的设计。它可能导致现有的刚性和单调结构的巨大变化。直线可以由曲线代替，并且矩形形状的完整部分可以由网格或网格结构代替。毫无疑问，有可能设计比他们的前辈更轻的东西。
此外，如果在根据结构优化技术提出的形状之后进行设计，则制造商可以轻松地开始使用3D图纸和最小的结构验证生产。这种方法可以加快产品开发，大大降低生产成本，并使其可符合各种少量生产经营。因此，CAE可以导致新的制造范式作为核心技术推动器。
有多少公司从拓扑优化中获得了实实在在的好处?
许多公司都从拓扑优化中获益。在美国雪地车制造商北极星的案例中，至少有一款产品的内部结构被Altair的拓扑优化仿真软件完全拆除。无缝和立方体形状的零件通过钻孔的晶格状结构来改变，显著减轻了过程中的重量。由于绝对重量的减少，雪地摩托变得更容易驾驶和操作。空中客车公司是牵牛星的另一个客户，它能够将A380飞机的翼肋改成格子样式，从而每架飞机减轻500公斤的重量。(图1)
优化仿真技术也已广泛用于建筑业，如在家庭和桥梁设计中，其中结构稳定是最重要的特征。今天，建立一个强大的混凝土建筑是不够的，因为它既不是环保也不是成本效益，并通过将拓扑优化技术引入设计过程，该建筑现在可以实现美容，力量和效率。
在谈到制造业的未来时，我们不应该忽视3D打印。与拓扑优化技术的协同作用是什么?
即使我们通过优化技术创建最佳结构设计，在许多情况下，我们也可能无法生产它们。例如，如果软件提出了复杂的净结构或具有空隙的结构作为最佳设计，则通常不可能通过传统的模制或注射方法完全生产形状100％。然而，3D打印技术，也称为添加剂制造，其中材料层堆叠在另一个从底部的另一个层上，已经开始溶解限制。这是非常令人鼓舞的。当拓扑优化技术与3D打印技术相结合时，可以在保持相同的结构强度的同时产生更亮的结构。
对韩国制造商有什么建议吗?
我们看到了制造业的惊人发展，韩国的制造业仍在增长，但我们不能忽视对中国等新兴市场的追求。小的产品改进不会有帮助;相反，为了保持全球竞争力，必须开发创造性、创新性的新产品。因此，韩国需要培养能够很好的使用CAE的人才。工程仿真与CAE相结合，可以提高企业的研发效率。在制造的设计阶段之前流畅地运用仿真技术，使其与实际设计过程相结合是非常重要的。这种做法将确保韩国在未来的制造业中占据上风。
