高仿真技术

高仿真技术和软件是将虚拟概念转化为新产品的关键，而高端数字化技术带来的便利也正在使人们有机会去实现许多以前很难实现的想法。高仿真技术不仅可以对新产品本身进行可视化的设计和优化， 亦可以对其相关的制造工艺进行可视化的设计和优化。这种对产品和工艺的全模拟开发方式可以帮助制造商更灵活的应对未来挑战。

高仿真技术的诸多优势为产业链中需要进行协作开发的研发和制造人员带来了福音，因为他们可以为自己的应用需求量身定制合适的产品解决方案和制造工艺，从而确保实现最佳产品性能，满足最高质量标准。在本文中，我们将深入探讨高仿真技术在产品开发过程中的几项重点应用领域。

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弹性化合物的特点很复杂，需要高级建模技术才能通过数学方法量化和表征。通过数据分析、调整以及与所测属性的参数化数学模型比较的过程，就可以确定材料模型本身的参数。这不仅有利于推导出一流的数值模拟输入参数，而且有利于量化材料特点，从而方便选择以及最终的系统决策。

例如，这些模型可以将应力映射成结构力学的应变、时间和/或频率的函数，粘度可以映射成虚拟成型的温度和切变率的函数。它们是真实材料的一种数学或数字表示形式，为促成特定化合物的系统优化提供基础，是针对现有的应用要求量身定制的。

测试和建模领域的举措是持续不断的，是连续提高数值模拟质量和定量解释模拟结果的关键。这些结果将影响开发过程的后续阶段（即结构力学和虚拟成型），因此要求的尽可能更高的精度。

对于汽车行业的总成供应商来说，最好能在早期就与零部件供应商接触，这样可以促成此类测试，同时还能促成对现有应用的规范和表征——而不是仅确定对弹性体零件的要求。目的是最终建立一个完整的虚拟模型，了解在整个生产过程中及之后化合物的表现。

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非线性超弹性机械响应

• 通过光学应变测量，获取各种变形模式的高质量准静态应力应变数据。
• 通过定制的优化算法，用一流材料模型对弹性体化合物的准静态非线性超弹性力学响应进行建模。

粘弹性材料响应

• 在一系列不同的温度下，针对各种变形模式，测量橡胶材料在频率和时间方面的粘弹性表现。
• 通过定制的优化算法，用一流材料模型对阻尼和时间相关表现进行建模。

流变学和硫化动力学

• 测试弹性体化合物的流变特点和硫化动力学并进行建模，推导出经过优化的硫化条件。图 1 展示了此类测试的一个示例。

图 1：流变材料特性的测试和成型是虚拟成型模拟的重要前提。

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结构力学分析的目的是确定负荷（如力或压力）对物理结构及其组件的影响，运用连续力学、材料科学和应用数学领域的知识，计算结构的变形、内力、应力、支撑反应、加速度和稳定性。分析结果用于验证结构的适用性，目的是避免物理测试，并通过调整设计和/或材料来优化其性能，以期达到所需的性能目标。

而且，还可以研究热负荷的作用及其对功能的影响：结构分析与热分析相结合，这是容易实现的多物理量分析的一个示例。因此，无论是设计新产品，还是优化现有机械系统，结构力学分析都是产品开发的基础。

在产品开发和工程中的使用这种计算方法，可以使产品开发变得非常敏捷，从而有利于从根本上理解结构与特性的关系。其结果是显著缩短产品上市时间，因为大幅减少测试工作，还可节省大量成本。随着数字化向前发展、新的可能性（如使用云计算）以及处理器技术的进步，在不久的将来，在产品开发、生产工艺设计以及与客户和供应商的合作中使用虚拟方法的重要性将愈发突出。

图2：对某泵膜片及周围壳体进行结构力学设计优化，提高系统性能，显著延长膜片的疲劳寿命。

虚拟产品开发是一个关键焦点元素，在产品开发过程中，高效而广泛地反复使用原型来测试功能和优化设计是一项至关重要的活动，可以决定市场投放的成败。在这方面，实体原型的生产很可能既费时又费钱，如果设计测试要求更改，并且这种更改需要重新设计工具，则这种情况尤其明显。计算机辅助设计方法的出现，为产品开发中越来越多地使用虚拟原型铺平了道路。利用这类在计算机辅助环境下创建的数字化结对产品，可以精简开发流程，帮助提升和优化产品性能，减少测试工作和迭代周期，缩短上市时间并节约成本。

协作开发的优势很明显：定制材料和优化设计相结合，这是提供卓越产品解决方案的关键。例如，仅当密封组件的设计与安装空间完美匹配时，密封系统才能实现最佳功能。成功的协作开发项目需要在开发过程早期进行合作，彼时整个系统仍有足够的设计自由度，可以同时优化密封组件和安装空间。这样就减轻了不得不进行逆向工程 （或者更糟糕，重新设计部件以适应密封组件）的风险[此处风险指（比如产品和安装空间出现冲突后）开发需要重置和调整 类似step back，原文reverse engineer似乎也不准确]。最终，对于所有的应用，最好的做法是策划一个与设计密不可分的解决方案，而不是策划一个解决方案来适应设计。

尤其是客户已使用产品多年，现在想开辟新的应用领域时，需要重新评估所有组件的设计和性能。常见的情况是，这些新应用领域还与已改变的荷载条件关联（例如，温度更高、压力更高或流体不同）。在这种情况下，至关重要的是明确现有产品在新边界条件下是否还能正常发挥作用，以及确定其顺利运行的极限。

客户的另一个常见话题是担心密封组件的安装表现。借助结构-力学仿真，可以详细分析安装过程，并可通过设计调整优化发生的变形、产生的安装力和主要的接触压力。这样不仅会确保产品的可靠性和安全性，还会确保产品可以方便地安装在客户的组装流水线上。

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通过仿真，专家们可对整个成型过程进行多周期研究，可以重现模具、零件、浇注系统、温度控制系统和镶嵌件的每个细节。逼真的工艺模拟不仅包括灌注、填料和凝固阶段，还包括周期之间的处理时间（打开模具并弹出部件或者放置镶嵌件所需的时间，以及模具关闭时间）。

图 3：基于注塑过程中聚合物流、热通量和硫化 3D 模拟的橡胶膜虚拟成型示例。

跟实际情况类似，在开始生产之前必须通过多个成型周期，虚拟过程涉及模具的稳定，直到可以重现周期之间的热条件。这样可以更好地了解材料与模具在传热过程中的复杂相互作用，比如熔融弹性体的固化和粘度的受影响情况。因此，不仅可以通过虚拟方式发现并提前纠正需要返工的工艺问题，还可以优化刀具设计，缩短产品上市时间，进一步降低潜在成本。过去，甚至在考虑进入量产之前，一个零件经过五到六轮的修正并不罕见——现在，模拟专家一般可以将这个数量减少一半，减少到两到三轮。当然，由于这种程度的复杂性消除，与之关联的成本节省也很可观。

可以肯定的是，在产品性能和工艺可靠性方面，汽车应用的模压件也必须达到最高质量标准。只有最精心优化的生产工艺，才能确保符合指定的标准和规格。用全球知名的质量管理大师的 Philip Crosby 话说：“质量肯定是创造出来的，而不是控制出来的。”

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改善组件机械特性的一种常用方法是在热塑性聚合物中加入纤维。由于注入过程中的剪切应力，纤维的局部取向与流型相关，这会导致纤维取向的三维分布，从而导致组件的局部各向异性材料特性。根据局部纤维取向，虚拟成型 利用合适的微观力学模型，确定注塑件的局部热力学特性。

此信息不仅用于预测收缩和翘曲，还用于将结果映射和传输到用于结构力学分析 的 FEA 模型。将前面讨论的两个概念结合起来，这种工艺和结构模拟的结合，可以计算出真实的各向异性组件特性。这样可以提高分析的准确性，避免过度测量尺寸，减少材料消耗。

本质上，经过优化的部件几何形状决定了模具的型腔几何形状；根据部件的工艺和尺寸，利用虚拟成型作为优化工具，可以设计出完整的模具。浇注和浇注系统、注入点以及工艺参数（如注入压力和模具温度），都可以随提议的部件制造条件一起确定，确保最大的工艺效率。这一点至关重要，因为汽车生产对成本非常敏感，需要利用效率最高的工艺来实现成本目标。

在一个零部件复杂度不断提高的行业中，用于在量产前优化和最小化成本的能力和工艺也必须不断提高。采用高仿真技术的 FEA 方法可以消除产品开发方面多个层次的物理相互作用，精简和优化工艺，使制造商能在不影响质量的前提下，提升部件进入市场的速度和成本效益。

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