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2023年在即，在持續(xù)不斷的供應(yīng)鏈問題、通貨膨脹、全球性技能短缺(尤其是專業(yè)工程學(xué)科的技能短缺)以及能源不安全感等因素的影響下，全球經(jīng)濟(jì)正處于衰退的邊緣。與此同時，各國政府、制造企業(yè)及能源供應(yīng)商也在紛紛竭力減少溫室氣體排放，以避免氣候危機(jī)產(chǎn)生的嚴(yán)重影響。
前幾次經(jīng)濟(jì)危機(jī)期間，即使研發(fā)預(yù)算遭到削減，工程仿真仍在刺激經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，原因就在于它能夠促進(jìn)創(chuàng)新、縮短研發(fā)周期時間并提高生產(chǎn)效率。進(jìn)入2023年，工程仿真將依然重要。在下文中，我們總結(jié)了明年在工程仿真領(lǐng)域的五大關(guān)鍵趨勢。
1.（可執(zhí)行）數(shù)字孿生
在 Gartner 發(fā)布的2018年技術(shù)成熟度曲線中，數(shù)字孿生占據(jù)了“期望膨脹期頂峰”(期望值最高狀態(tài))的頂點。據(jù)技術(shù)成熟度曲線預(yù)測，達(dá)到這一頂點之后，新技術(shù)不可避免地陷入“泡沫破裂谷底期”(由于早期采用者未能實現(xiàn)期望潛能而導(dǎo)致興趣逐漸減弱)，此后或有望進(jìn)入“生產(chǎn)成熟期”(主流采用階段)。彼時 Gartner 預(yù)測，數(shù)字孿生將在5-10年后進(jìn)入成熟期。換言之，現(xiàn)在正當(dāng)其時。
2023年，數(shù)字孿生將演變成更加成熟且極具實用性的概念，即可執(zhí)行的數(shù)字孿生(xDT)。xDT 就是數(shù)字孿生芯片，xDT 使用從實體產(chǎn)品內(nèi)置的少量傳感器得來的數(shù)據(jù)，利用降階模型執(zhí)行實時仿真。基于這些少量的傳感器，xDT 可以預(yù)測對象任何點位的物理狀態(tài)。
利用可執(zhí)行數(shù)字孿生，工程師可以基于有限數(shù)量的傳感器點位，實時預(yù)測資產(chǎn)的整體性能。
利用 xDT，操作人員可以對資產(chǎn)整個生命周期的性能進(jìn)行監(jiān)測。不僅如此，可執(zhí)行數(shù)字孿生還能適應(yīng)其環(huán)境并從中汲取知識。這樣一來，不僅資產(chǎn)可以根據(jù)不斷變化的操作條件而調(diào)整變化，操作人員甚至還能在問題發(fā)生前便發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，進(jìn)而安排相應(yīng)的維護(hù)工作。最終，在降低運營成本的同時，提高產(chǎn)品的性能和穩(wěn)健性。
2. 人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)
2023年，工程師將繼續(xù)擴(kuò)大機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的應(yīng)用，擴(kuò)充工程師個人的知識儲備，將累積的知識靈活運用于不同的項目。
例如，Simcenter 用戶開始使用機(jī)器學(xué)習(xí)來掃描以前的仿真結(jié)果，訓(xùn)練算法以識別能夠?qū)Ξa(chǎn)品性能產(chǎn)生顯著影響的流動特性(或應(yīng)力集中等等)。更引人注目的是，機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的算法甚至能夠識別有經(jīng)驗的工程師都有可能遺漏的情況，全面提高仿真生成數(shù)據(jù)的價值。再比如說，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)還被用來識別大型 CAD 裝配體中的各個零部件并對之進(jìn)行分類，節(jié)省寶貴的工程時間。
2023年，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)可以幫助工程師執(zhí)行更多的仿真，并從每一次仿真中提取更多有用的信息。此外，它們還將使得工程師能夠集中精力，依據(jù)仿真數(shù)據(jù)做出決策，而不是將時間花在重復(fù)、枯燥的任務(wù)上，同時提高生產(chǎn)效率和創(chuàng)新。
3. 基于模型的系統(tǒng)工程 （MBSE）
現(xiàn)如今，復(fù)雜的產(chǎn)品都是電子器件、軟件和機(jī)械部件的綜合體，造成復(fù)雜的跨產(chǎn)品交互，而對這些交互亟待管理?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程(MBSE)是一種可幫助我們管理產(chǎn)品復(fù)雜度的工程方法，從而確保復(fù)雜的事物也不盡然就難以處理。
2020年1月，美國國家航空航天局(NASA)表示，MBSE 業(yè)已“被越來越多的行業(yè)和政府用作對系統(tǒng)復(fù)雜度進(jìn)行跟蹤的手段”， MBSE“使得工程師能夠在完整的計算機(jī)模型中進(jìn)行系統(tǒng)表達(dá)，進(jìn)而更好地進(jìn)行追溯和跟蹤，并提高信息一致性。”
通過幫助工程師理解系統(tǒng)之間的復(fù)雜交互并識別驅(qū)動系統(tǒng)行為的關(guān)鍵因素，MBSE 可為決策流程提供支持。MBSE 將建模和仿真作為系統(tǒng)設(shè)計流程的核心環(huán)節(jié)。換言之，必須孤立地考慮各獨立組件和子系統(tǒng)的情況已不復(fù)存在，相反，用戶現(xiàn)在可以在考慮整個系統(tǒng)性能的情況下，進(jìn)行各獨立組件和子系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。
4. 增材制造與創(chuàng)成式設(shè)計
幾年前，筆者有幸與仿真行業(yè)(包括FEA和CFD)早期的一些先行者們進(jìn)行交談。令人感到驚訝的是，在20世紀(jì)80年代初，他們預(yù)設(shè)制造而非產(chǎn)品設(shè)計將成為仿真的最佳用例，因為“在任何產(chǎn)品的生產(chǎn)成本中，設(shè)計約占10%，市場營銷約占10%，而制造約占80%。”2023年，隨著制造企業(yè)利用仿真來實施并優(yōu)化其增材制造流程，這一設(shè)想最終走向現(xiàn)實。
增材制造崛起的結(jié)果就是帶來了創(chuàng)成式設(shè)計。在創(chuàng)成式設(shè)計中，產(chǎn)品幾何體直接從仿真演變而來，而非出自 CAD 設(shè)計師之手。2023年，在擺脫了傳統(tǒng)流程之約束的增材制造的加持下，工程師可以制造出更佳的經(jīng)仿真優(yōu)化產(chǎn)品。
5. 優(yōu)化數(shù)字材料
材料科學(xué)領(lǐng)域的革命性發(fā)展推動著下一代技術(shù)的進(jìn)步。
作為工程師，我們總是傾向于以理所當(dāng)然的態(tài)度看待材料。在大多數(shù)工程項目中，材料都是“給定項”，在設(shè)計流程一開始就已確定，項目過程中鮮少有任何變化。工程師愿意隨時對每一個幾何參數(shù)進(jìn)行微調(diào)整，以尋求最優(yōu)工程解決方案，但卻總是將材料作為一項約束條件，而非能夠自由發(fā)揮的領(lǐng)域。
近來，可通過仿真進(jìn)行設(shè)計、分析和優(yōu)化的“數(shù)字材料”的發(fā)展改變了這一范式，開啟技術(shù)和文化發(fā)展的無限可能。
Simcenter 可幫助工程師和材料科學(xué)家預(yù)測材料的微觀結(jié)構(gòu)屬性將給其結(jié)構(gòu)性能帶來何等影響。
2023年，數(shù)字材料將幫助材料科學(xué)家和產(chǎn)品設(shè)計工程師更好地協(xié)同，使他們每一次都能為相關(guān)應(yīng)用程序研發(fā)適當(dāng)?shù)牟牧?，材料發(fā)展將能與工程創(chuàng)新齊頭并進(jìn)，有些數(shù)字材料還將減少人類社會對化石燃料的依賴。
原標(biāo)題：西門子：仿真與測試領(lǐng)域的五大關(guān)鍵趨勢
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