从虚拟空间到外域空间

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访客:26741  发表于:2015-07-13 08:59:38

【导读】从太空车到美洲杯帆船,产品设计复杂程度所要应对的挑战日益加大。

从虚拟空间到外域空间

全球最快的太空飞船将必须经受住重重考验。当太空飞船“追梦者号”在与距离地球250英里、绕地球环行的国际空间站(ISS)之间的标准航线航行、往返运送人员和物品时,它面临的不仅仅只是超过17, 000英里(25马赫)时速的挑战,还必须能够承受3000华氏度 (1649摄氏度) 以上的高温。当太空飞船返回大气层时,空气摩擦所产生的热量足以将许多材料熔为灰烬,这使得该过程成为一次非常特殊的材料压力测试。
为确保“追梦者号”能够应对上述种种挑战,无论是制造材料,还是结构工程计算,都必须准确无误,达到繁杂的要求,并且能够协同运作。飞船船体必须采用完美的外形设计,在实际制造和首次飞行之前,必须对飞船的发射、飞行和着陆进行数千次的模拟。太空环境极端复杂严苛,容不得半点差池。“追梦者号”的开发和模拟过程有着勃勃雄心,却也是费时费力的。

至关重要的软件

内华达山脉公司(SNC)的航天系统部,是这艘可重复利用的航天飞船的研发建造方,其在航天领域拥有超过25年的经验,为420余次航天任务提供支持,交付了4000件产品,从未有过失误。其中有70多次任务是受美国国家航空航天局(NASA)之托。换句话说,SNC是失重的太空领域的重量级选手。事无巨细,一律遵循严格标准,这是SNC航天系统部对其合作伙伴的要求。针对“追梦者号”任务,SNC专门召集了一支由航天、软件、材料和科研等领域世界一流公司组成的“梦之队”,其中就包括了西门子PLM(product lifecycle management) 。
利用Teamcenter协作平台和数据骨干网络,西门子PLM软件带来了一个创新系统,通过该系统,制造商可以快速整合来自复杂产品的海量数据,并对数据进行分析,随后提供给所有参与者。产品研发团队在多重计算机辅助设计(multi-CAD)环境下开展工作,需要协调不同的方案。尽管听上去很简单,但实际上这种环境发挥着至关重要的作用:如果工程师能将所有数据整合到一个系统中,那么就无需花时间不断地上传、下载、剪切、插入和发送数据了。对于“追梦者号”和联合发射联盟的“宇宙神-5”(Atlas V)这样的航天任务,要确保成功完成任务,拥有统一可靠的数据来源至关重要。SNC航天系统部从西门子PLM产品系列中选择了集成式产品设计、研发和制造软件系统,即NX TM平台,该平台已极大地推动了“追梦者”号的研发进程。
“对创新内容带来变革的力量,也会促使创新方式发生变革。高级机器人、3D打印、知识自动化,这些都是聪明地运用创新的方向。它们的共同点是都由数字化所驱动。制造商们利用数字化技术进行创新的程度,将决定数字化为他们带来的全新业务机遇有多大。” 西门子PLM软件首席执行官兼总裁Chuck Grindstaff指出。
PLM的核心是在产品开发过程中,利用数字模型(digital twin),来部分实现产品——就是在最终产品的虚拟版本中,将不同组件插入到不同配置中,并进行全面测试。火星探测车“好奇号”就是这样一个例子。自2012年开始,这艘探测车就一直在火星上服役,但是在这一切发生之前,它经过了数千次的模拟测试。American Axle是另外一个例子。这家美国汽车零部件供应商通过数字化双胞胎,成功降低了汽车行驶的噪音和震动,并将每年的保修成本降低20%~30%。玛莎拉蒂的新产品Ghibli也是一个例子。
而对于“追梦者号”,NX软件解决方案的优势之一体现在它能够以较低的成本对众多设计进行模拟。因此,这款软件可以在构建原型机之前,就确定对于这个宇宙飞船而言,采用哪种外形和材料组合最为合适。比如,用瓷片来保护飞船,以应对飞船在返回大气层时遇到的高压和高温。以往的宇宙飞船上使用的很多保护瓷片都是大小不一的,所以替换成本很高,而“追梦者号”有一半以上的瓷片都是同样大小,这极大地降低了制造成本。
这样的应用也出现在帆船比赛领域,Ben Ainslie Racing (BAR) 船队致力于开发一条完美的帆船,旨在将美洲杯帆船赛奖杯自1851年之后首次带回英国。Ben Ainslie爵士是第34届美洲杯帆船赛的冠军得主,他带领BAR团队采用PLM解决方案开发帆船,他们模拟一系列几何方案,并进行分析和测试,然后找到速度与稳定性间的完美平衡。“有了NX以后,我们只需要按一下按钮,就可以对上百个几何体进行测试。”BAR船队技术总监Andy Claughton指出。对于帆船比赛职业选手而言,还有一个益处,就是可以节省大量花在准备程式化的书面文件的时间。美洲杯比赛组委会的规定要求参赛队伍记录帆船上每个组件的历史信息,包括其构成材料、产地和制造商。现在,Teamcenter可以轻而易举地生成这些曾经让人头疼的文件。最后,利用这个软件,甚至在最后时刻仍可对帆船加以改进:在激烈比赛的过程中,仍可以检查某些特定部件是否需要更换,从而去掉最后一丝多余的重量,而这恰恰可能就是决胜的关键因素。


虚拟技术决胜一级方程式赛

Grindstaff指出:“这种数字化规划代表的正是未来创新。如果你只是有了创新的点子,这还不够,你还需要知道如何实现这个想法。对于所有用户而言,要实现自己的创新想法,你必须能在正确的时间、正确的背景下,掌握正确的信息,从而才能快速地做出准确的决定。”Grindstaff认为这些信息是初步勾勒智能模型所需的根本要素,而智能模型会持续地自我优化。“模型需要知道它们必须满足什么样的要求,以及如何满足这些要求。它们需要知道自己是一个复杂系统中的组成部分,在这个系统中与其他组件彼此相连。” 他解释道。在一级方程式赛车领域,从来就没有成品车之说。一部赛车就是一个不断改进的原型,每周都要经历多达1,000处的设计改动,所以,提高工程设计效率,可以在赛道上创造真正的优势。
与F1车手在赛车中承受的巨大作用力相比,乘坐“追梦者号”的航行体验无疑会更惬意。研发人员在虚拟空间中研发出特殊的结构,可以将乘客及搭载物品在飞船返回地球大气层时受到的加速力限制在1.5G。在当今世界最快的航天飞船中,乘客感受到的作用力还不到乘坐过山车时的1/3 ——当您想到这场太空之旅,肇始于地面上的一家数字化企业时,该是多么令人惊讶!

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本文系IT经理世界/经理+原创,作者:Sandra Zistl,转载请注明出处和作者名

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