文|PTC

對(duì)于制造業(yè)企業(yè)而言，如何既快又好地完成產(chǎn)品研制是企業(yè)發(fā)展的目標(biāo)，也是其面臨的主要挑戰(zhàn)，其中的難點(diǎn)在于好的設(shè)計(jì)需要大量設(shè)計(jì)方案的迭代，每個(gè)設(shè)計(jì)方案都不是一蹴而就的，需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)投入足夠的時(shí)間，其中包含設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)等工作。企業(yè)通過(guò)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的人海戰(zhàn)術(shù)及改造研發(fā)工具來(lái)提升效率。而傳統(tǒng)研發(fā)工具對(duì)于效率的提升已經(jīng)到了“天花板”。圖1 所示發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)，左圖是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，重量大而散熱面積??；右圖是優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案，可節(jié)省材料、提升散熱效果，從而提高動(dòng)力，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，非一般設(shè)計(jì)工具和“人海戰(zhàn)術(shù)”所能企及。

上文談到的只是一個(gè)初步設(shè)計(jì)結(jié)果，該結(jié)果還需要專門的仿真人員進(jìn)行校驗(yàn)，通過(guò)后可以算是一個(gè)合格的方案，如果有問(wèn)題，這個(gè)設(shè)計(jì)和校驗(yàn)的工作還需要重做，術(shù)語(yǔ)稱為迭代。復(fù)雜產(chǎn)品的迭代多達(dá)數(shù)十次，迭代周期從數(shù)月到數(shù)年不等。因此，企業(yè)只能在產(chǎn)品成本、上市周期和品質(zhì)間進(jìn)行折衷和取舍。

近年來(lái)，隨著人工智能、并行計(jì)算、云計(jì)算和3D 打印等技術(shù)的崛起，傳統(tǒng)的數(shù)字化研制手段也迎來(lái)了新生，PTC 公司推出的Creo 7.0 軟件一站式解決方案（圖2），幫助零經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)人員極速完成設(shè)計(jì)和仿真，并直連3D 打印機(jī)完成制造。該方案由三個(gè)部分組成，一是融入人工智能技術(shù)和并行計(jì)算技術(shù)的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)，二是整合ANSYS 實(shí)時(shí)仿真引擎的Creo Simulation Live （CSL）實(shí)現(xiàn)邊設(shè)計(jì)邊仿真，三是與業(yè)界頂級(jí)打印機(jī)廠商直連的3D 打印技術(shù)，使得設(shè)計(jì)方案秒傳3D 打印機(jī)，快速完成制造，無(wú)需額外成本。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)

圖2 Creo 7.0 軟件一站式解決方案

一、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)

用戶只要在Creo 中輸入產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，軟件即可自動(dòng)生成一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)方案，軟件可代替設(shè)計(jì)師自主完成設(shè)計(jì)。如圖3 所示，需要在左圖灰色透明區(qū)域中避開(kāi)紅區(qū)設(shè)計(jì)一個(gè)零件，在跑道內(nèi)壁固定的情況下，能承重350 公斤并且該零件重量不超過(guò)0.2公斤，同時(shí)要求能夠通過(guò)數(shù)控機(jī)床加工或模具加工或3D 打印制造出來(lái)，右圖是Creo 7.0 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)自生成的可3D 打印的合金材料零件結(jié)果。

Creo 7.0 使用多核CPU 或顯示卡GPU 并行計(jì)算和云計(jì)算的技術(shù)，使得創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的計(jì)算速度有了顛覆性的提升。Creo 7.0 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的高階能力是生成一批方案，圖4 所示是自動(dòng)生成的雪地摩托車前懸架的三種設(shè)計(jì)方案。

1、Creo 創(chuàng)成式拓?fù)鋬?yōu)化（GTO）

Creo GTO 根據(jù)用戶的約束和要求（包括材料和制造流程）創(chuàng)建經(jīng)過(guò)優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。完全在Creo 設(shè)計(jì)環(huán)境中快速探索創(chuàng)新的設(shè)計(jì)選項(xiàng)，減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和開(kāi)支。AI 驅(qū)動(dòng)的 GTO 幫助用戶提供更高質(zhì)量、更低成本且可適用于制造的設(shè)計(jì)。其具體功能包括：

圖3 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)合金材料零件

圖4 Creo 7.0 自動(dòng)生成雪地摩托車前懸架的三種設(shè)計(jì)方案

圖5 Creo 創(chuàng)成式拓?fù)鋬?yōu)化操作流程

◎易于使用，并完全集成到Creo Parametric 熟悉的設(shè)計(jì)環(huán)境，熟悉的UI 功能區(qū)和上下文相關(guān)菜單和簡(jiǎn)化的工作流程。

◎無(wú)縫設(shè)置。 只需選擇設(shè)計(jì)空間，添加載荷和約束，定義目標(biāo)，材料，和制造過(guò)程。

◎使用強(qiáng)大的AI 驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化引擎快速生成設(shè)計(jì)。

◎支持從傳統(tǒng)制造到增材制造的常見(jiàn)制造要求。

◎能夠預(yù)覽和詢問(wèn)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及仿真結(jié)果。

◎交互過(guò)程結(jié)果通過(guò)對(duì)幾何圖形和設(shè)置的編輯而動(dòng)態(tài)更新。

◎自動(dòng)將優(yōu)化結(jié)果重建為豐富的B-REP表示幾何或細(xì)分模型。

圖5 為軟件操作流程：

第一步：通過(guò)定義設(shè)計(jì)空間、物理性能、負(fù)載和約束、設(shè)計(jì)目標(biāo)、制造工藝和材料，輕松設(shè)置優(yōu)化項(xiàng)。

第二步：利用分型線約束方案來(lái)支持鑄件制造工藝的快速預(yù)覽。

第三步：生成可制造結(jié)果，摩托車整體裝配的最后一個(gè)關(guān)鍵部件。

2、Creo 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)擴(kuò)展（GDX）

利用云計(jì)算和并行計(jì)算多項(xiàng)優(yōu)化研究，一次生成大量的設(shè)計(jì)結(jié)果，顯著提高生產(chǎn)力。用戶可以快速評(píng)估和比較更多的設(shè)計(jì)方案，提升用戶對(duì)最終選定設(shè)計(jì)的信心，然后再將它引入Creo，供下游使用。Creo GDX 支持熱/模態(tài)，可以利用云中的高性能計(jì)算能力生成多種設(shè)計(jì)解決方案，優(yōu)化目標(biāo)和獲得更好的仿真結(jié)果。Creo 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)擴(kuò)展功能包括：

◎SaaS 產(chǎn)品，云托管。

◎在Web 頁(yè)面中過(guò)濾，評(píng)估和比較解決方案。

◎?qū)⑦x定的解決方案下載到Creo 進(jìn)行重建。

Creo 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)擴(kuò)展的操作流程如圖6 所示：

第一步：上傳設(shè)計(jì)空間、物理性能、負(fù)載和約束、設(shè)計(jì)目標(biāo)、制造工藝和材料等條件。

第二步：在Web 頁(yè)面中過(guò)濾，評(píng)估和比較解決方案。

第三部：將符合目標(biāo)的解決方案下載到Creo 進(jìn)行重建。

二、仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)和仿真的迭代受制于仿真專業(yè)的高技術(shù)門檻和傳統(tǒng)工具計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，在Creo 7.0 中得到了有效解決，Creo 7.0 內(nèi)嵌的ANSYS 實(shí)時(shí)仿真引擎，能讓無(wú)仿真專業(yè)背景的普通設(shè)計(jì)師在工作中邊設(shè)計(jì)邊仿真，無(wú)需跨部門迭代，Creo 7.0 將集成新版ANSYS 仿真引擎進(jìn)一步提升計(jì)算速度，并加入流體仿真、非線性和多物理場(chǎng)等高級(jí)分析功能，使得電腦里的三維仿真模型更加逼近實(shí)際產(chǎn)品，結(jié)果更精確。圖7 是Creo 7.0 新增的實(shí)時(shí)流體仿真功能計(jì)算出的鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)流速和氣壓結(jié)果，流體仿真的計(jì)算時(shí)間從小時(shí)級(jí)縮短至分鐘甚至秒級(jí)。

圖7 Creo 7.實(shí)時(shí)流體仿真功能

1、Creo Simulation Live 實(shí)時(shí)仿真增強(qiáng)

Creo Simulation Live 提供了實(shí)時(shí)、瞬時(shí)流體流動(dòng)仿真功能，以及參數(shù)研究、圖例/制圖、瞬態(tài)熱研究及隔離組件。該程序在后臺(tái)運(yùn)行，在Creo 建模環(huán)境中為用戶提供瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)反饋。所帶來(lái)的不僅是便利和快速，還能作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)而成為正常工作流程的一部分。該功能有如下特點(diǎn)：

◎?qū)崟r(shí)：直接在建模環(huán)境中對(duì)零件和裝配結(jié)果進(jìn)行瞬時(shí)模擬。

◎交互：用戶編輯或創(chuàng)建模型時(shí)，分析會(huì)動(dòng)態(tài)更新。

◎可靠：ANSYS 技術(shù)提供算法支持。

◎易用：在幾分鐘內(nèi)運(yùn)行第一次模擬。無(wú)需簡(jiǎn)化幾何體、劃分網(wǎng)格及運(yùn)算等待。

◎在設(shè)計(jì)過(guò)程中更早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)榇藭r(shí)解決問(wèn)題的難度和成本都更低。生產(chǎn)出能夠更快地滿足性能要求的產(chǎn)品，并更快地探索更多其他設(shè)計(jì)方案。減少與傳統(tǒng)仿真工具相關(guān)的等待時(shí)間。節(jié)省分析師在消除各種技術(shù)瓶頸時(shí)進(jìn)行高端分析的時(shí)間和成本。

（1）外流分析

圖8 風(fēng)洞環(huán)境仿真

圖9 內(nèi)流分析

圖8所示Creo Simulation Live針對(duì)幾何的風(fēng)洞環(huán)境仿真，通過(guò)帶有或不帶時(shí)間限制的瞬態(tài)仿真，可得到溫度條件，瞬間得到速度和壓力結(jié)果，邊界條件能夠交互修改，可以創(chuàng)建探針來(lái)獲得詳細(xì)數(shù)值。

（2）內(nèi)流分析（圖9）

Creo Simulation Live內(nèi)流分析通過(guò)流速、內(nèi)部壓力或質(zhì)量流輸入，對(duì)漩渦進(jìn)口、旋轉(zhuǎn)壁和重力輸入的附加的邊界條件，可得到溫度條件，邊界條件可以交互修改，可以創(chuàng)建探針來(lái)獲得詳細(xì)數(shù)值。

（3）瞬態(tài)熱研究（圖10）

圖10 瞬態(tài)熱研究

針對(duì)時(shí)間相關(guān)的熱模擬，可持續(xù)更新結(jié)果，可以用探針查看結(jié)果的圖表，瞬態(tài)溫度圖可以導(dǎo)出為文本，可以在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)之間切換。

（4）支持多實(shí)體

Creo Simulation Live支持結(jié)構(gòu)，熱，模態(tài)和CFD 研究，材料可以分配給每個(gè)實(shí)體，如圖11 所示。

圖11 Creo Simulation Live 支持多實(shí)體

（5）探針值的行為建模研究

如圖12 所示在Simulation Live樹(shù)中，探針可以另存為參數(shù)，用于敏感性研究和優(yōu)化/可行性研究。

圖12 支持探針值的行為建模研究

2、Creo ANSYS Simulation擴(kuò)展

從獲得方向性指導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)楂@取更豐富的功能，從而對(duì)用戶的設(shè)計(jì)進(jìn)行高保真驗(yàn)證。借助Creo ANSYS Simulation擴(kuò)展，用戶現(xiàn)在可以直接在Creo 內(nèi)使用成熟的ANSYS 求解器，輕松執(zhí)行結(jié)構(gòu)、模態(tài)和熱分析，如圖13 所示。其優(yōu)勢(shì)和功能包括：

圖13 Creo7.0 支持ANSYS Simulation 擴(kuò)展

◎自動(dòng)網(wǎng)格和接觸，帶有更詳細(xì)定義的選項(xiàng)。

◎支持實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

◎與Creo Simulate 進(jìn)行交換分析。

◎支持所有的結(jié)構(gòu)力/約束和熱改正。

◎支持理想化（質(zhì)量、彈簧、殼體和梁）。

◎支持計(jì)算和快速結(jié)果。

三、多實(shí)體設(shè)計(jì)

多實(shí)體設(shè)計(jì)允許用戶自由高效地處理單一零件中接觸或重疊的幾何結(jié)構(gòu)，從而顯著提高用戶在構(gòu)建復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)時(shí)的設(shè)計(jì)效率。除了顯著提高整體設(shè)計(jì)效率，它在創(chuàng)成式設(shè)計(jì)、增材制造和為注塑件進(jìn)行多材料二次成型設(shè)計(jì)方面也至關(guān)重要。具體功能包括：

◎在實(shí)體作為設(shè)計(jì)工具的情況下使用布爾運(yùn)算和分割功能。

◎幾何多實(shí)體上的柔性建模功能。

◎支持創(chuàng)成設(shè)計(jì)、增材制造、仿真高級(jí)設(shè)計(jì)場(chǎng)景。

◎注塑成型與多材料零件。

◎具有多實(shí)體概念的主模型方法。

◎鈑金中的上下文設(shè)計(jì)。

◎數(shù)據(jù)交換工作流支持。

通過(guò)多實(shí)體設(shè)計(jì)，用戶可以優(yōu)化更高效、更靈活的零件設(shè)計(jì)工作流，以提高生產(chǎn)率；同時(shí)，減少了切換到基于曲面/面組的工作流和裝配的需求；簡(jiǎn)化的工作流程，可在設(shè)計(jì)零件的“上下文”中定義求差/型腔幾何；在“主模型”的上下文中進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而可以輕松地可視化和細(xì)化派生幾何；單體和多體零件的快速后期設(shè)計(jì)更改，輕松編輯包含或由導(dǎo)入數(shù)據(jù)定義的實(shí)體。

四、增材制造/CAM

當(dāng)今的3D 打印技術(shù)與20年前不可同日而語(yǔ)，能勝任大批量制造，幾乎可與數(shù)控機(jī)床比肩，Creo7.0 軟件提供了一站式的3D 打印設(shè)計(jì)方案，克服了從零件三維設(shè)計(jì)、輕量化、性能仿真和打印準(zhǔn)備的各種技術(shù)障礙，一個(gè)軟件解決了以往四個(gè)軟件才能解決的問(wèn)題，如圖14 所示

圖14 Creo7.0 軟件提供了一站式的3D 打印設(shè)計(jì)方案解決四大技術(shù)障礙

Creo7.0 軟件能夠自動(dòng)判斷產(chǎn)品是否可打印，建議支撐形狀最少化的零件擺放姿態(tài)，自動(dòng)設(shè)計(jì)免支撐結(jié)構(gòu)形狀，這樣最少化或避免后期手工打磨工作量，Creo7.0 新增一種隨形晶格算法，特別適合吸聲、減震零件場(chǎng)景和人體骨骼在其內(nèi)生長(zhǎng)的醫(yī)用零件制造場(chǎng)景，如圖15 所示醫(yī)用假體零件。

圖15 醫(yī)用假體零件

在經(jīng)濟(jì)全球化，充分競(jìng)爭(zhēng)的當(dāng)今市場(chǎng)，加快產(chǎn)品上市并提供差異化的創(chuàng)新品質(zhì)是制造業(yè)的重中之重，融合A I 人工智能、并行計(jì)算和3D 打印等前沿技術(shù)的Creo 7.0 能讓零經(jīng)驗(yàn)工程師也快速的做出好設(shè)計(jì)，為企業(yè)降低研制成本，搶占市場(chǎng)先機(jī)助一臂之力。

Creo 提供了全面的增材制造功能集。Creo 7.0 增強(qiáng)對(duì)隨機(jī)晶格的支持功能，能夠識(shí)別和跟蹤棱柱形狀的邊緣。從傳統(tǒng)加工角度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瑞士型車削機(jī)器的支持，所以用戶可以在銑削/車削工作中心選擇瑞士型車削，而無(wú)需手動(dòng)添加自定義命令。具體新增功能包括：角剖分算法。

◎引入了隨機(jī)網(wǎng)格的德勞內(nèi)三

◎使用B-REP 和非B-REP 幾何的自定義晶格類型。

◎定義引用多實(shí)體對(duì)象的晶格結(jié)構(gòu)。

◎支持瑞士型車削機(jī)器。

◎其優(yōu)勢(shì)包括增強(qiáng)醫(yī)療植入物、化學(xué)工藝、過(guò)濾、吸聲和減震等，可快速生成自定義晶格以及能夠?yàn)楦鱾€(gè)實(shí)體分配不同的打印構(gòu)建處理器。

五、生產(chǎn)力功能增強(qiáng)

Creo 7.0 與之前每個(gè)版本一樣，增強(qiáng)了重要的核心生產(chǎn)力，幫助用戶更快地設(shè)計(jì)更好的產(chǎn)品。新的功能包括增強(qiáng)的草圖工具、對(duì)2D 鏡像的改進(jìn)以及對(duì)草圖工具的多個(gè)UI 改進(jìn)。這些功能使Creo 更直觀、更易于使用，讓每個(gè)用戶的工作效率更高。