如果您不是专家，那么“生产过程虚拟化”一词似乎令人无聊。 实际上，这是物理学与创造力交汇处的有趣课程。 没有它，我们周围的所有物体，从家具，小工具到车辆和建筑物，都不会像现在这样具有先进的技术，可靠性和令人难以置信。 在这篇文章中，我们将向非专业人员介绍如何在不存在的工厂中建立虚拟生产，如何在不破坏产品的情况下找出其拉伸强度以及如何用一个程序替代测试人员。
东芝内部有一个奖项，以公司的创始人之一藤井一介奖命名，该奖项授予那些对社会发展和改善人民生活做出特别重要贡献的员工。 如此重要的获奖者可以被称为“日本爱迪生”。 2019年，东芝公司制造工程中心的一名员工中川洋忠（Yoshitada Nakagawa）因开发和实施了公司中的生产流程模拟系统而获得了该奖项。
中川正在开展的仿真工作使从便携式电子设备到重型工业机械（例如
蒸汽轮机 ）的任何事物生产过程中的材料行为，都能准确计算和可视化。 通过仿真，您可以快速自然地替换数十个原型的成千上万的测试，以完全重新创建任何条件和负载，并且几乎没有错误的结果-一台功能强大的计算机可以代替几个月的测试实验室。
东芝在产品创建的不同阶段模拟生产。 资料来源：东芝
中川先生首次来到东芝时，虚拟建模还没有被认为是必要的做法，工程师只需要对电路进行仔细的工作，并在物理原型上进行测试。 中川开始熟悉公司各个部门和工厂的活动，并且惊讶地了解到每个部门，每个生产车间都有自己独特的经验，东芝内部的其他人仍然不了解某些见解。 决定将所有这些开发形式正式化，以便将其应用到各个地方-为此，中川公司在精心保护的公司经验的基础上，为生产的各个阶段开发了建模系统。 工程师来来往往，但知识不应消失，必须尽快且有效地进行传递，而不会造成失真和损失，并且可以通过可以替代人员的软件包来实现。 您可以在不同领域应用知识。
工厂模拟
东芝在设计新工厂时面临的挑战之一是错误地计算了其内部结构。 如何安排输送机，机床和工作场所，使生产顺利进行？ 总是有可能忽视并发现已经安装好的机器人的操纵器的工作区域实际上落在天花板上一厘米，或者工作场所的位置较差，并且您必须沿非最佳路线将手中的零件拿走。
根据自己的项目建造满足自己需求的建筑物要比为自己装备现有建筑物容易得多，但是在清洁的领域中建造新工厂并不总是经济上的意义。 为了尽可能有效地适应购买的建筑物，我们求助于虚拟仿真。
看起来像这样：所有使用的对象（例如输送机元件，机床，机器人，计算机，家具-我们将放置的所有对象）均已加载到专用软件中。 然后，从外部创建一个三维模型，类似于在《模拟人生》中布置的房屋。 在此阶段，您可以查看项目之间是否存在任何冲突。
Siemens Line Designer程序中的一条生产线示例：其中一个机器人显示了其机械手的作用范围。 在动态仿真阶段，这将有助于避免发生危险的轨迹交叉。 资料来源：Geometric Solution / YouTube
工厂的虚拟仿真使您可以在设计阶段人们可能忘记（经常忘记）的大量参数上测试其运行情况。 我们列出了最频繁的。
-通风/冷却计算不正确。 对于某些行业而言，在车间内保持严格定义的温度和湿度非常重要，偏差会不利地影响所加工材料的性能。 更不用说对房间通风强劲或防风过热区域不利的人了。
在纸上的理想条件下，该项目可能看起来很平滑，但是天气异常或房间的特征（在阳光下变热，积聚水分）将使所有计算无效。 另一个选择：设计空调系统时，工程师可以依靠其技术特性，但不必考虑主线的长度和配置会影响其性能，例如，在将成品运输到特定位置的仓库之前存储的成品会干扰其性能。适当的空气流通。
在程序中对工厂进行仿真将有助于准确计算不同点的气流和温度的运动。 如果您预先模拟了工厂的辛勤工作，那么服务部门的员工就不必为新开的带有过热设备的车间发明“拐杖”。
-电网上的负载不平衡。 通过模拟电源负载，您可以查看超出允许负载的潜在点，从而沿备用线路均匀分布设备。
-忽略建筑物的功能。 订购昂贵的设备进行生产后，令人非常不愉快的可能是它没有穿过房间的门/走廊。 验证精密机器不会变成从兔子洞里伸出来的小熊维尼，是虚拟生产模拟不可或缺的一部分。
早在2013年，德国机场柏林-勃兰登堡机场就看似完工了。 但是，由于大量的工程错误计算和设计缺陷肯定会在计算机模拟中浮出水面，因此至今仍在对机场进行重建和修改。 阅读有关它的精彩故事。 资料来源：Muns / Wikipedia生产模拟
想象一下，您需要煮一道菜。 根据这个想法，结果应该是烹饪杰作，餐馆热销。 是的，这就是问题所在：您仅大致了解它的外观，并且没有确切的配方或配料表-仅仅是因为没有人为您准备它。 拥有一些经验，您将开始寻找理想的配方，并进行许多实验。 您可能不仅不知道您需要组合什么，而且还发现一种成分不能承受加热，第二种成分最好用热的方式使用，第三种成分通常会改变口味，第四种成分会使菜肴的成本提高数倍，尽管它们似乎都可以将需要。
为了找到最安全的机器设计，您需要破坏一百个原型。 或在碰撞测试模拟中计算应变。 资料来源：Maksim / Wikimedia
寻找材料，结构和最成功的生产商品的过程看起来像这样。 您可以搜索最可靠的零件设计，该零件设计将被正确加工或铸造而没有缺陷，直到原型制作预算用尽为止，但是将带有必要参数的模型加载到有限元分析程序中要好得多。 实际上，使用有限元方法（FEM）将零件模型划分为可通过数学计算得出载荷响应的元素。
借助FEM，即使在建模阶段，也可以检测到例如薄弱的地方或应力增加的情况，在撞击时会破裂，您可以计算出铸造或铣削中可能出现的缺陷，以免产生一批废料，选择最佳材料，塑料类型，合金等级。 诸如ANSYS或Abaqus Unified FEA之类的程序可以进行原型测试计算-通常，虽然没有必要（尽管很可取）进行实际测试。 现代建模软件的水平很高，以至于在欧洲，您可以成功通过仅在计算机环境中经过专门测试的产品的认证。
在Abaqus程序中模拟金属租赁过程。 可视化轧制后零件中的应力计算。 通过更复杂的处理，模拟可让您找到潜在的易碎场所。 资料来源：Abdullah Khalifa / YouTube
再一次，我们列出了生产开始时的典型错误，而没有事先胜任的建模。
-错误的铸造方法。 如果您需要处理塑料零件，则需要非常小心地进行铸造，因为在铸造过程中很容易产生次品。 您不能只拿几个零件并将它们更紧紧地放在门上，然后将它们投入生产。 铸造单个零件的计算或多或少是合理的，但是如果同时将多个零件放置在模具中，则单独的模拟将毫无用处-只有完整的模拟对整个模具有效。 否则，某些细节很有可能会存在缺陷。
-组装过程中的载荷计算不正确。 由于要用螺钉拧紧并固定在闩锁上，因此从多个部分组装物体不可避免地会在材料中产生应力。 即使在组装后，该结构看起来非常可靠，但随着时间的推移，在电压升高的点上也会出现裂纹。 几乎每个人都可以回忆起某些小工具，即使它经过特别小心地处理，其情况也会不时破裂。 如果我们不是在谈论低质量的材料，那么工程师很有可能会错误地计算（如果完全计算出）组装设备中的电压。 缺陷的代价：小裂缝，闩锁断裂，螺纹连接处的螺纹破裂。
如果不是在家用电器中，而是在运输中发现问题，那就更糟了。 第一架de Havilland Comet 1喷气客机的设计计算错误，原因是当方窗用铆钉固定时，在拉伸区域中会形成微裂纹。 由于这些原因，在1950年代初期，几条班轮在空中飞散，导致机组人员和乘客死亡。 设计缺陷只有在经过漫长的测试之后才能计算出来，这导致了班机飞行的中断，几乎成为完全削减彗星计划的原因。
那些相同的方形舷窗，周围的铆钉形成了微裂纹，这种裂纹在飞行中不断增长。 这架真正的飞机坠毁在地中海上，位于伦敦科学博物馆。 资料来源：Krelnik / Wikipedia
模拟产品运行
如果您想查找产品中最复杂的问题和错误，请在开放的Beta测试中发布它。 罕见的测试人员团队将能够发明产品在现实生活中会遇到的用例。 但是，鼓舞人心的初创企业可以享受到像公开测试这样的奢侈品，而对于那些不怀疑客户对质量的关注的大型公司来说，却无法获得这种公开测试。尝试进行“ beta测试”可能不仅会失去您的形象，而且会损失您的资本份额。 因此，对于在各种条件下对产品的长期运行建模，现代仿真软件包也是必需的。 所有轴上的静态和动态载荷，振动，冲击，热和声学效果-所有这些计算都是必要的，这样，在开始销售后的几周内，愤怒的买家就不会因为任何设计错误而对制造商睁大眼睛。
在哈布雷（Habré）上，发表了一个
有趣的故事，内容涉及他们如何使用数值模型来寻找碎屑切碎机振动斜槽故障的原因。 经过彻底创建切碎机模型的准备工作，考虑了几何形状，材料的机械特性和负载条件，工程师发现了共振振动以及破坏焊接的冲击接触的特定点。 可以用自己的双手来研究工作中的振动斜槽，这会严重危害其健康和四肢，因此无法保证此类研究的结果。 您可以准备数据进行建模，并通过问题点的本地化快速获得最准确的切碎机模型。
-设计错误。 如果物体的厚度不足以承受冲击，跌落甚至冲压，则加强结构的第一种合乎逻辑的方法是添加隐藏的加劲肋。 但是，如果不对碰撞测试进行重新建模，则无法将零件的更新版本投入生产-在很多情况下，错误的“改进”会产生完全相反的效果。 相同的加强筋不仅吸收了动能，而且还重新分配了动能。 因此，可以在零件中形成一个以前不存在的新弱点。 因此，在每次设计更改后，都必须再次模拟负载。
模拟气流通过散热器的通道-这是改善冷却和空气动力学的空间！ 资料来源：西门子软件/ YouTube
在设计阶段，设计错误并不总是很明显。 在定期使用商品一个月后，其中一些人会感觉到自己。 例如，十年前，iPhone 3G / 3GS的所有者面临着这样的事实，即智能手机的塑料外壳随着时间的流逝开始破裂，尤其是在充电连接器周围。 在iPhone 6 Plus中，在音量按钮和SIM卡托架的区域中，铝合金强度不足的情况下发现了弱点-通常，车主从裤子后袋中取出弯曲的电话。
YouTube上有很多关于弯曲甚至折断iPhone 6 Plus的容易程度的视频-即使是小孩也可以做到。 在下一代iPhone 6S中，苹果改变了合金，而没有改变智能手机的设计，从而彻底解决了问题。当然，HTC HD2智能手机的前用户会想起触摸屏电缆的极具争议性的位置，该位置恰好位于手机的电源按钮下方-由于按钮上的持续压力，电缆已损坏并且屏幕停止响应触摸。 这些问题可以通过长时间的设备操作仿真来计算-测试真实原型需要花费数月的时间，而软件一天之内就可以应对仿真问题。
当然，真正的工程师会希望用他们的经验和知识来大大补充这篇文章-我们始终乐于接受有用的意见。 我们希望这种材料能够帮助人们远离设计，揭开模拟生产过程的秘密面纱。