文|PTC

對于制造業(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，也是其面臨的主要挑戰(zhàn)，其中的難點在于好的設計需要大量設計方案的迭代，每個設計方案都不是一蹴而就的，需要設計團隊投入足夠的時間，其中包含設計、仿真和實物樣機試驗等工作。企業(yè)通過研發(fā)團隊的人海戰(zhàn)術及改造研發(fā)工具來提升效率。而傳統(tǒng)研發(fā)工具對于效率的提升已經(jīng)到了“天花板”。圖1 所示發(fā)動機活塞設計，左圖是傳統(tǒng)設計方案，重量大而散熱面積??；右圖是優(yōu)化后的設計方案，可節(jié)省材料、提升散熱效果，從而提高動力，但其結構設計復雜，非一般設計工具和“人海戰(zhàn)術”所能企及。

上文談到的只是一個初步設計結果，該結果還需要專門的仿真人員進行校驗，通過后可以算是一個合格的方案，如果有問題，這個設計和校驗的工作還需要重做，術語稱為迭代。復雜產(chǎn)品的迭代多達數(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、上市周期和品質間進行折衷和取舍。

近年來，隨著人工智能、并行計算、云計算和3D 打印等技術的崛起，傳統(tǒng)的數(shù)字化研制手段也迎來了新生，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)驗設計人員極速完成設計和仿真，并直連3D 打印機完成制造。該方案由三個部分組成，一是融入人工智能技術和并行計算技術的創(chuàng)成式設計，二是整合ANSYS 實時仿真引擎的Creo Simulation Live （CSL）實現(xiàn)邊設計邊仿真，三是與業(yè)界頂級打印機廠商直連的3D 打印技術，使得設計方案秒傳3D 打印機，快速完成制造，無需額外成本。

圖1 發(fā)動機活塞設計

圖2 Creo 7.0 軟件一站式解決方案

一、創(chuàng)成式設計

用戶只要在Creo 中輸入產(chǎn)品設計要求，軟件即可自動生成一個或多個設計方案，軟件可代替設計師自主完成設計。如圖3 所示，需要在左圖灰色透明區(qū)域中避開紅區(qū)設計一個零件，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0.2公斤，同時要求能夠通過數(shù)控機床加工或模具加工或3D 打印制造出來，右圖是Creo 7.0 創(chuàng)成式設計自生成的可3D 打印的合金材料零件結果。

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

1、Creo 創(chuàng)成式拓撲優(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)過優(yōu)化的產(chǎn)品設計。完全在Creo 設計環(huán)境中快速探索創(chuàng)新的設計選項，減少開發(fā)時間和開支。AI 驅動的 GTO 幫助用戶提供更高質量、更低成本且可適用于制造的設計。其具體功能包括：

圖3 創(chuàng)成式設計合金材料零件

圖4 Creo 7.0 自動生成雪地摩托車前懸架的三種設計方案

圖5 Creo 創(chuàng)成式拓撲優(yōu)化操作流程

◎易于使用，并完全集成到Creo Parametric 熟悉的設計環(huán)境，熟悉的UI 功能區(qū)和上下文相關菜單和簡化的工作流程。

◎無縫設置。 只需選擇設計空間，添加載荷和約束，定義目標，材料，和制造過程。

◎使用強大的AI 驅動的優(yōu)化引擎快速生成設計。

◎支持從傳統(tǒng)制造到增材制造的常見制造要求。

◎能夠預覽和詢問優(yōu)化設計以及仿真結果。

◎交互過程結果通過對幾何圖形和設置的編輯而動態(tài)更新。

◎自動將優(yōu)化結果重建為豐富的B-REP表示幾何或細分模型。

圖5 為軟件操作流程：

第一步：通過定義設計空間、物理性能、負載和約束、設計目標、制造工藝和材料，輕松設置優(yōu)化項。

第二步：利用分型線約束方案來支持鑄件制造工藝的快速預覽。

第三步：生成可制造結果，摩托車整體裝配的最后一個關鍵部件。

2、Creo 創(chuàng)成式設計擴展（GDX）

利用云計算和并行計算多項優(yōu)化研究，一次生成大量的設計結果，顯著提高生產(chǎn)力。用戶可以快速評估和比較更多的設計方案，提升用戶對最終選定設計的信心，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算能力生成多種設計解決方案，優(yōu)化目標和獲得更好的仿真結果。Creo 創(chuàng)成式設計擴展功能包括：

◎SaaS 產(chǎn)品，云托管。

◎在Web 頁面中過濾，評估和比較解決方案。

◎將選定的解決方案下載到Creo 進行重建。

Creo 創(chuàng)成式設計擴展的操作流程如圖6 所示：

第一步：上傳設計空間、物理性能、負載和約束、設計目標、制造工藝和材料等條件。

第二步：在Web 頁面中過濾，評估和比較解決方案。

第三部：將符合目標的解決方案下載到Creo 進行重建。

二、仿真驅動設計

設計和仿真的迭代受制于仿真專業(yè)的高技術門檻和傳統(tǒng)工具計算時間長等問題，在Creo 7.0 中得到了有效解決，Creo 7.0 內(nèi)嵌的ANSYS 實時仿真引擎，能讓無仿真專業(yè)背景的普通設計師在工作中邊設計邊仿真，無需跨部門迭代，Creo 7.0 將集成新版ANSYS 仿真引擎進一步提升計算速度，并加入流體仿真、非線性和多物理場等高級分析功能，使得電腦里的三維仿真模型更加逼近實際產(chǎn)品，結果更精確。圖7 是Creo 7.0 新增的實時流體仿真功能計算出的鼓風機內(nèi)流速和氣壓結果，流體仿真的計算時間從小時級縮短至分鐘甚至秒級。

圖7 Creo 7.實時流體仿真功能

1、Creo Simulation Live 實時仿真增強

Creo Simulation Live 提供了實時、瞬時流體流動仿真功能，以及參數(shù)研究、圖例/制圖、瞬態(tài)熱研究及隔離組件。該程序在后臺運行，在Creo 建模環(huán)境中為用戶提供瞬時的動態(tài)反饋。所帶來的不僅是便利和快速，還能作為設計指導而成為正常工作流程的一部分。該功能有如下特點：

◎實時：直接在建模環(huán)境中對零件和裝配結果進行瞬時模擬。

◎交互：用戶編輯或創(chuàng)建模型時，分析會動態(tài)更新。

◎可靠：ANSYS 技術提供算法支持。

◎易用：在幾分鐘內(nèi)運行第一次模擬。無需簡化幾何體、劃分網(wǎng)格及運算等待。

◎在設計過程中更早發(fā)現(xiàn)問題，因為此時解決問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計方案。減少與傳統(tǒng)仿真工具相關的等待時間。節(jié)省分析師在消除各種技術瓶頸時進行高端分析的時間和成本。

（1）外流分析

圖8 風洞環(huán)境仿真

圖9 內(nèi)流分析

圖8所示Creo Simulation Live針對幾何的風洞環(huán)境仿真，通過帶有或不帶時間限制的瞬態(tài)仿真，可得到溫度條件，瞬間得到速度和壓力結果，邊界條件能夠交互修改，可以創(chuàng)建探針來獲得詳細數(shù)值。

（2）內(nèi)流分析（圖9）

Creo Simulation Live內(nèi)流分析通過流速、內(nèi)部壓力或質量流輸入，對漩渦進口、旋轉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)建探針來獲得詳細數(shù)值。

（3）瞬態(tài)熱研究（圖10）

圖10 瞬態(tài)熱研究

針對時間相關的熱模擬，可持續(xù)更新結果，可以用探針查看結果的圖表，瞬態(tài)溫度圖可以導出為文本，可以在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)之間切換。

（4）支持多實體

Creo Simulation Live支持結構，熱，模態(tài)和CFD 研究，材料可以分配給每個實體，如圖11 所示。

圖11 Creo Simulation Live 支持多實體

（5）探針值的行為建模研究

如圖12 所示在Simulation Live樹中，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擴展

從獲得方向性指導轉變?yōu)楂@取更豐富的功能，從而對用戶的設計進行高保真驗證。借助Creo ANSYS Simulation擴展，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)行結構、模態(tài)和熱分析，如圖13 所示。其優(yōu)勢和功能包括：

圖13 Creo7.0 支持ANSYS Simulation 擴展

◎自動網(wǎng)格和接觸，帶有更詳細定義的選項。

◎支持實驗設計。

◎與Creo Simulate 進行交換分析。

◎支持所有的結構力/約束和熱改正。

◎支持理想化（質量、彈簧、殼體和梁）。

◎支持計算和快速結果。

三、多實體設計

多實體設計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構，從而顯著提高用戶在構建復雜幾何結構時的設計效率。除了顯著提高整體設計效率，它在創(chuàng)成式設計、增材制造和為注塑件進行多材料二次成型設計方面也至關重要。具體功能包括：

◎在實體作為設計工具的情況下使用布爾運算和分割功能。

◎幾何多實體上的柔性建模功能。

◎支持創(chuàng)成設計、增材制造、仿真高級設計場景。

◎注塑成型與多材料零件。

◎具有多實體概念的主模型方法。

◎鈑金中的上下文設計。

◎數(shù)據(jù)交換工作流支持。

通過多實體設計，用戶可以優(yōu)化更高效、更靈活的零件設計工作流，以提高生產(chǎn)率；同時，減少了切換到基于曲面/面組的工作流和裝配的需求；簡化的工作流程，可在設計零件的“上下文”中定義求差/型腔幾何；在“主模型”的上下文中進行設計，從而可以輕松地可視化和細化派生幾何；單體和多體零件的快速后期設計更改，輕松編輯包含或由導入數(shù)據(jù)定義的實體。

四、增材制造/CAM

當今的3D 打印技術與20年前不可同日而語，能勝任大批量制造，幾乎可與數(shù)控機床比肩，Creo7.0 軟件提供了一站式的3D 打印設計方案，克服了從零件三維設計、輕量化、性能仿真和打印準備的各種技術障礙，一個軟件解決了以往四個軟件才能解決的問題，如圖14 所示

圖14 Creo7.0 軟件提供了一站式的3D 打印設計方案解決四大技術障礙

Creo7.0 軟件能夠自動判斷產(chǎn)品是否可打印，建議支撐形狀最少化的零件擺放姿態(tài)，自動設計免支撐結構形狀，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、減震零件場景和人體骨骼在其內(nèi)生長的醫(yī)用零件制造場景，如圖15 所示醫(yī)用假體零件。

圖15 醫(yī)用假體零件

在經(jīng)濟全球化，充分競爭的當今市場，加快產(chǎn)品上市并提供差異化的創(chuàng)新品質是制造業(yè)的重中之重，融合A I 人工智能、并行計算和3D 打印等前沿技術的Creo 7.0 能讓零經(jīng)驗工程師也快速的做出好設計，為企業(yè)降低研制成本，搶占市場先機助一臂之力。

Creo 提供了全面的增材制造功能集。Creo 7.0 增強對隨機晶格的支持功能，能夠識別和跟蹤棱柱形狀的邊緣。從傳統(tǒng)加工角度，實現(xiàn)了對瑞士型車削機器的支持，所以用戶可以在銑削/車削工作中心選擇瑞士型車削，而無需手動添加自定義命令。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。

◎定義引用多實體對象的晶格結構。

◎支持瑞士型車削機器。

◎其優(yōu)勢包括增強醫(yī)療植入物、化學工藝、過濾、吸聲和減震等，可快速生成自定義晶格以及能夠為各個實體分配不同的打印構建處理器。

五、生產(chǎn)力功能增強

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