从经济维度考量复合材料CAE工程仿真

——访MSC公司全球CEO Dominic

复合材料领域乃兵家必争之地。从经济学维度看，一边是制造业经济的考量，全球范围内的制造业正在经受各种挑战，包括产品性能提升、降低二氧化碳排放、提升能源利用率、产品外观的精致和易用性、降低产品成本、提高产品安全性等；而另一边，复合材料工程分析和优化是CAD/CAE产业发展的方向，透过复合材料的优化分析，牵引CAE仿真向产品研发的深度发展，提高用户端的CAE能力和水平，进而产生更多的CAE工程仿真需求。

MSC全球CEO Dominic在接受几家业界媒体采访前专门询问了各媒体关注的领域。当他了解到ENI经济和信息化传媒“关注信息技术和IT/信息产业对经济及社会的支撑和引领”时，随即表示，他关于“系统、部件、材料”的话题即围绕信息技术满足经济和社会发展的需求而展开。

探索复合材料的经济性

显然，Dominic讲述的许多企业应用复合材料的案例有力地支撑了他的经济观点。例如，汽车发动机的玄翅对刚性、强度要求都非常高，静力学、动力学、安全性的技术分析要求也很高，为避免发动机震动对整车产生影响，过去这个部件一直采用钢铁等金属材料，其重量达到1180克，而MSC的某一个用户采用“短切纤维”分析技术，用复合材料替代了金属，不仅部件的重量减少到710克，而且成本也降低了15%。

材料，特别是复合材料对制造业创新、经济发展的影响和技术导向性，也许出乎了很多人的预料，且尚未受到足够的商业的认知和应用的重视。但是，透过近年来的经济竞争和环境挑战的态势却由此可见一斑。有数据显示，在航空行业，欧洲航空研究咨询委员会(ACARE)针对环境保护明确提出未来发展的各项指标和要求：燃油消耗和CO2 排放降低75%、氮氧化物排放降低90%、可感知的外部噪声降低65%。上述越来越严苛的指标要求，在产品设计过程中，一方面要平衡材料的性能高低、品种价格高低，另一方面要达到设计的要求，满足产品性能、环保、安全、合规的要求，因此，合理地分析选择材料，对产品设计工程师提出了更高的要求，具有极大的挑战性。

在媒体专访时Dominic一再强调：“未来二十、三十年，复合材料、新型材料是非常重要的一个学科，也是产品研发的一个重要方向”。Dominic分析并认为，制造业要提高产品设计速度，缩短研发周期，需要从三个层面解决问题，即系统、部件和材料。通过集成的解决方案，缩短研发周期。

对目前制造业采用复合材料的现状，Dominic表示，即便是波音、空客这样世界顶级的企业，也没有在真正意义上彻底了解产品材料的性能，工业界更多地将材料理解为线性性能，即将材料非一致性性能理解为类似于金属材料属性。由于业界对材料的理解不够透彻，而在产品的结构上对材料的非线性性能的理解很弱，Dominic强调：“需要深层次理解材料的本质属性，有效地利用材料，实现产品更好的性能。”

并且，“当一个大型产品中复合材料占比增加，达到50%左右，整个工业产品也将发生很大的变化。” Dominic非常看好复合材料在工业领域的发展趋势和重要作用。

复合材料工程仿真五大挑战

目前，全球制造业产品研发从概念设计到产品设计的研发过程呈现出研发周期更长的趋势，分析其原由是产品性能要求更高、要求产品排放更低、产品外观更精美、产品成本更低、产品要合规等各方面因素。因产品研发的难度增加，理论上产品研发周期更长。不仅如此，在产品研发设计的每一个环节中，所涉及的设计技术指标更高、更多，比如，在概念设计中要完成的设计指标更多，更复杂，研发过程中设计、验证指标对应、修改和完善迭代次数更多，也是使得研发周期更长的因素之一。

产品研发周期不断增加，从产品基础材料应用的维度去分析，产品设计要达到技术要求，材料选择和应用具有重要意义。国外已经尝试采用CAE等设计分析软件，分析不同类型材料对汽车、飞机上的一些部件性能的工程分析。Dominic讲到他在底特律汽车制造企业的走访和调研，为了降低汽车的重量，在保证产品性能的基础上，底特律一些主流汽车制造企业正在尝试采用非金属部件。比如，汽车、飞机座椅的安全性要求非常高，且理论上对刚性、重量的要求很高，因而传统设计都采用金属材料。但是，应对汽车轻量化趋势、降低燃油消耗等的挑战，生产企业在座椅的设计上也开始尝试采用非金属、复合型材料制品。不仅如此，不同类型复合材料又有不同的性能，因此，对不同复合材料的应用和性能分析也不同。例如，飞机雷达面罩上采用了“长纤维”型复合材料;而在玻璃窗框即采用了“短切纤维”;有些风扇的叶片也采用了“短切纤维”型复合材料。未来，波音787、空客350，对复合材料的应用和探索将更加深入。

目前，采用软件分析的方式进行局部和微观分析，通过软件分析局部材料的性能后再提供给系统，材料的性能分析更精确。局部材料性能分析增强了产品的精确性、安全性。

CAE复合材料仿真分析工程具有几大挑战。首先，材料数据管理，CAE工程师需要数据体系支持将材料应用于产品设计;其次，材料工程师对材料非线性性能的了解;第三，复合材料的非一致性性能的理解，宏观、微观上材料的一致性和非一致性有差别;第四，复合材料与制造工艺性能的关系。如，热压、模压等工艺与复合材料、产品性能的关系和不同要求;最后，复合材料与CAE软件的相关性。总的目标是应用复合材料，优化产品设计制造过程中的产品性能，达到产品性能的要求。

仿真分析理念的变革

正是基于对复合材料应用前景的分析和判断，在原本系统工具中已有材料分析模块、功能的基础上，去年，MSC又收购了e-Xstream公司，继而抛出了主导公司2013战略的“系统、部件、材料”主题。

在近一个小时的PPT演示和阐述中，Dominic勾勒出MSC作为CAE仿真系统平台及解决方案提供商在复合材料分析仿真领域的产业发展走向。在记者看来，一向雄踞用户群金字塔塔尖的MSC公司，如何向下延展用户市场，引领用户CAE需求，提升用户仿真能力及水平，似乎复合材料分析领域已经成为其一个新的突破口和切入点。

过去，MSC关注度主要集中在零部件设计环节，提供系统集成软件产品，未来，将在零部件设计基础上将更加深入了解材料对零部件性能的隐性影响和产品要求。Dominic明确表示。而在技术上，此过程中应用的软件工具，不仅仅与CAE关联，并且要求软件具有较强的开放性，与产品生产流程关联，才能达成包括注塑过程计算、CAE网格计算、材料属性数据、数据管理软件应用等，因此，要求复合材料分析软件与业界软件有很好的数据接口。

在采访过程中Dominic坦言，MSC并非由于收购了e-Xstream engineering而开始提出材料分析。之前的软件系统中已有材料数据库、材料分析功能。购并e-Xstream后，平台系统整合了多个材料分析、材料数据库包括复合材料数据库、材料管理、新材料特性建立等多个功能。在工程仿真中从设计过程导入到分析中的材料数据管理，产品设计、分析过程;系统、部件、材料，多个维度在研发过程中是一个系统工程。面向用户应用需求，MSC提供了一种落地的分析技术和软件工具。

产品研发工程分析，系统、部件、材料循环往复迭代，材料性能的分析将成为产品全生命周期中一个重要的组成部分。由此，仿真分析的理念也将发生革命性的变化。

今年是MSC 公司五十华诞。·历经半个世纪的技术和产业发展积淀，面向未来，公司将发展目标锁定在将仿真流程与行业挑战和企业需求完美集成，Dominic认为这才是最有价值的。

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