计算机仿真技术:设计和制造革命 – 上部

仿真这一抽象概念有着悠久的历史。工匠们使用他们的工作模型来分享设想或探索新想法,建筑师构建复杂的建筑物比例模型,以更好地构思如何协调光线和空间。在工程中,仿真具有新的重要性,因为它架起了二维图纸和三维产品之间的桥梁。更重要的是,它允许工程团队在低成本的虚拟世界中开发多个场景。

借助数字化转型,我们定义如何模拟产品的整个生命周期。计算机的出现意味着建模可以在虚拟领域中进行。该领域可以支持的功能比现实世界的实物模型更多,从而可以轻松地对虚拟模型进行操作、变更和改进。更重要的是,它允许将其它因素引入虚拟领域,从而能够洞察模型对其它变量的反应。当今,仿真科学迈出了一大步,成为了一项真正可行的技术。

今天,仿真软件用于最苛刻的环境。例如,美国国家航空航天局(NASA)拥有自己的任务模拟设施(MSF),这是一个支持自动化行星探索技术发展的框架,包括仿真机器人。航空航天业使用虚拟现实来模拟人机界面以改进优化工作,他们还在进行打印制造时运用模拟软件,以便把打印制造一次性做好。

随着这些应用软件的开发,人们对更好的仿真解决方案的需求也在增加。这意味着软件应更好地支持更多细节、更快地计算并对事件做出实时响应。如今,仿真不再仅仅用于评估最终产品的外观,它已成为设计和制造过程中的基本要素。

在关于此主题的两篇博客中的第一篇博客中,我们将探讨仿真软件的重要性以及如何在各层面上使用仿真软件,涉及到如何改进元器件设计和如何在自动化生产环境中制造元器件等各方面内容,甚至涉及到它们如何用于现实世界。

仿真软件的重要性

此级别的仿真在很大程度上依赖于数学计算,主要使用有限元分析(FEA)、有限体积法(FVM)和时域有限差分法(FDTD)等技术。所有这些都采用了“有限”这个词,这基本上意味着将大问题分解为更小、更易于管理的任务,而不会在过程中丢失信息。 “有限”是指在模拟过程中可以达到的缩减水平。随着计算资源的改进,这个限制正在不断放宽。

尽管在高性能计算(HPC)和超大规模架构的推动下,可用资源不断增加,但在模拟所能达到的精度和得到这些结果所需的时间之间,总是会有一个折衷。人工智能(AI)和机器学习(ML)等新技术正在被用来重新定义这种平衡。仿真中的人工智能技术引入了一个概念,即:使用专家系统来加速仿真模拟中的决策和分析,并在仿真技术标注问题时探索替代方案。随着系统学会把事情做得更好,人工智能技术也有望加速仿真速度和提高仿真准确性。

现在用于模拟的工具,基于底层的方法和技术,可以实现几乎无限多种功能。在非常基本的层面上,各种物质(包括从非常小的电子到相对大的物体在内的各种物质)的行为都会受到电磁力等基本力的影响,当这些物质暴露于其它力时(如以热或振动形式存在的能量),其行为会发生变化。由于可以对这些因素进行建模,因此仿真软件环境是模拟这些场景的理想环境。

仿真改进了元器件生产

对于像 Molex 莫仕这样的设计和制造公司来说,每一次生产效率的提高对整个公司的业务都很重要,因此使用仿真已成为当务之急。该技术用于产品设计,它告诉我们产品将如何在自动化过程中使用,它还模拟最终产品将如何在生产线上制造。在每个阶段,仿真技术考虑不同的关键因素,其中一些因素可能仅在生命周期模拟过程中变得明显。

例如,可以从机械的角度模拟塑料部件的成型过程,并分析其输出。这通常包括分析潜在的缺陷及其对总体成品率的影响。修改模拟组件的设计可以在工具发布之前就对其进行优化。此外,模拟塑料部件如何在下一个生产阶段中使用,也凸显了增加提高效率的机会。

Molex莫仕在模具设计阶段使用流动模拟来找出填充形状不佳、收缩、翘曲和壁厚等问题。这种模拟有助于发现问题并预测故障的实际发生位置,并据此在仿真阶段优化模具和工艺参数。

在实践中,模具的形状问题可能造成不合标准的填充形状,注塑件缺少特征结构或高度翘曲,太多注塑件会因此不合格。在模拟阶段解决这些潜在的缺陷可能需要通过更改模具设计来添加、移除或重新分配一些注塑材料。每个阶段的模拟都可以创建更具预测性和更全面的图片,从而减少因返工而导致的时间和成本浪费。

型钢失效预测是模具优化的关键,可以提高成品率,进而降低单价。它还会显著影响工具的寿命。如果出现不利条件,就会以意想不到的方式给工具施加压力。这将大大降低工具的使用寿命。

仿真模拟技术可以产生积极效果的另一个关键因素是缩短成型过程的整体周期时间。整体周期时间是指模具总共需要多长时间才能生产出一个制件,包括填充、保压、冷却和开模时间。仿真软件允许我们调整这些参数中的每个参数,并测量这些调整的影响,并预测缩短填充时间或冷却时间将如何影响最终产品。通过进行数千次模拟循环,效果可能非常显着,如果能在整个周期时间中节省几秒钟的时间,就意味着可以在每小时生产更多注塑件。

制造最终产品需要使用元器件,而元器件是由多种材料制成的。金属冲压是产品设计的重要因素。冲压涉及通过在表面上均匀施加的力将一块金属冲压成预定形状的制件。冲压是仿真技术能带来积极影响的另一个领域。冲压仿真软件可预测如何进行冲压。

Molex 莫仕正在使用这些仿真工具来改进冲压产品的设计方式,首先模拟产品以评估其设计可行性,然后通过增量模拟步骤来设计模具和/或冲头,以及毛坯的尺寸或形状。事实证明,这项工作有助于减少设计期间所需的迭代。

增量模拟允许以虚拟方式评估工具的微小变化,而无需花费时间和费用来制备新工具。由于所有数据都是已知的,因此可以分析任何微小变化的影响,而在“实物世界”中做这项工作会困难得多,在实物世界中,我们首先要制备工具,然后仔细测量所得产品,最后做出对设计更改的结论。当然,仿真也支持轻松回滚到以前的设计,如果微小变更的影响被证明是有害的,那么我们可以在仿真软件中轻松回滚到以前的设计。

仿真软件正在不断进步,人工智能和机器学习等新技术只会加速这一过程,进步的目的是确保建模和仿真工具能够提供可靠且具有成本效益的解决方案来优化设计和制造。Molex莫仕在设计周期的每个阶段都使用各种模拟工具,从流程模拟到生产线时间框架模拟,所有这些都使我们能够确保最大的生产效率并减少时间和成本浪费 – 所有这些最终都会使我们的合作伙伴受益。

在第二部分,我们将更详细地探讨仿真如何优化装配过程以及我们对仿真未来的设想,包括数字孪生和人工智能的使用。

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