isicad: Классы программных средств MCAE: понимание рынка

Доклад Cyon Research, 9 июля 2008
Cyon Research Corporation 8220 Stone Trail Drive Bethesda, MD 20817-4556 USA
301-365-9085 fax: 301-365-4586 cyonresearch.com

Основные положения

Каким образом MCAE (механические средства автоматизированного проектирования) могут способствовать принятию своевременных решений? Ответ на этот вопрос должны найти и вендоры, и их клиенты.

По мере того, как заказчики осознают важность MCAE для проектирования, их применение способствует росту прибыли как крупных, так и малых компаний. MCAE позволяет перейти от некоторых, наиболее затратных и длительных процессов проектирования, связанных с созданием физических прототипов, к ускоренному, низкозатратному и надежному моделированию электронных цифровых прототипов. Компании всех уровней начинают понимать, какие возможности для извлечения значительной прибыли открываются перед ними при сокращении периода от начала разработки изделия до его выхода на рынок благодаря использованию надежных и эффективных, как никогда ранее, методов проектирования.

В результате рынок MCAE (объем порядка 2 млрд. долларов в год) достиг поворотной точки роста и существующая сегментация рынка уже не отражает реальность. Меняются подходы вендоров к своим целевым рынкам, модифицируется продукция и разрабатываются новые изделия.

Подобный динамизм и изменяющиеся модели использования MCAE затрудняют понимание ситуации на рынке. Нами были выявлены существенные различия в видении рынка вендорами, экспертами и заказчиками.

Надеемся, что разработанный подход к анализу рынка будет полезен для понимания происходящих на нем процессов. В докладе предлагается классификация типов проблем, с которыми сталкиваются заказчики, и процессов, связанных с созданием и эксплуатацией программного обеспечения.

Тип проблем варьируется от «простых» до «особо сложных»; кроме того, некоторые проблемы являются «крупными»; а некоторые требуют итерирования вручную или в полуавтоматическом режиме. Другими словами, проблемы, разрешаемые с помощью MCAE, различаются по масштабу, сложности и технологическим процессам, в которые нужно включить данные решения.

Более того, по мере усложнения проблем и процессов их отслеживание становится все труднее и труднее. Разработано несколько программных систем MCAE для управления данными и процессами, которые мы назвали MCAE категории PSM (управление цифровым моделированием изделий).

Другой «кусочек пирога» (на рисунке не изображен) рынка программного обеспечения, частично дублирующий MCAE, это PIDO — программные средства для интеграции процессов и оптимального проектирования. «Интеграция процессов» включает сбор информации и автоматизацию процессов с помощью графических обозначений, содействующих объединению разрозненных средств в единый технологический процесс. Таким образом, все элементы, от спецификации изделия до производства и доставки изделий, оказываются связанными с друг другом и любые изменения процессов отражаются во всех прочих аспектах технологического процесса.

Подобная классификация естественным образом сформировалась в ходе опросов поставщиков решений MCAE и их клиентов. На этой основе была выстроена «карта рынка» программных средств MCAE. Данная карта обсуждалась с клиентами, вендорами и экспертами; мы также разработали рекомендации для инженерно-технического персонала потенциальных заказчиков, рассматривающих возможность приобретения MCAE.

Рис.1. «Карта рынка» MCAE

В данном документе нами охарактеризованы различные группы заказчиков MCAE и выделены группы программных продуктов. Подробно обсуждается «карта рынка», с описанием классов проблем. Также предлагаются выводы и соответствующие рекомендации для инженерно-технического персонала и менеджеров, рассматривающих возможность приобретения MCAE.

Примечание: Подробный глоссарий MCAE и историю развития отрасли можно найти на: http://cyonresearch.com/mcaeglossary or http://cyonresearch.com/mcaehistory

Введение

Изначально приложения MCAE (механические средства автоматизированного проектирования) начали создаваться в качестве инструментальных средств для инженеров авиакосмической промышленности. С течением времени сфера MCAE расширилась и стала включать средства управления данными и процессами.

И поставщики, и заказчики признают важность комплексного моделирования: идея в том, что кульминационным моментом всех видов анализа станет цифровой вариант проектирования и проведения испытаний, осуществление которых с помощью физического прототипа является затратным и длительным. Несмотря на то, что имеющееся средства ПО моделирования далеки от совершенства, их значение велико уже даже в рамках частичной реализации такой мечты.

Уровень MCAE постоянно повышается. Новые алгоритмы для передовых методов механического моделирования используют преимущества все более мощных компьютерных платформ. Совершенствуются автоматизированное формирование расчетной сетки; упрощенный пользовательский интерфейс; адаптация различных типов нелинейности; абстрактное моделирование; и многие другие характеристики.

Сегодня на рынке представлены сотни изделий MCAE ¹, предназначенных для решения широкого круга проблем; однако у клиентов нет четкого понимания сегментации данного рынка. Есть некое сегментирование на основе ценового фактора, однако не выявляется какое-либо очевидное соотношение цена — функциональные возможности. Также отсутствует явная корреляция цены и удобства использования — во всяком случае, в ходе исследования выяснилось, что дорогие программы нередко сложнее в использовании, чем более дешевые.

В результате изучения рынка MCAD (механические САПР) удалось разработать исследовательскую методологию, позволяющую определить характерные особенности данного рынка. Представляется уместным использовать предлагаемую методологию в сфере MCAE (концентрируясь на геометрических MCAE) и проанализировать, есть ли основания для подобного определения категорий продукции.

В результате такого рода оценки MCAD выявлены два четко выраженных сегмента рынка, определяемых ценой, моделью дистрибуции и ключевой деятельностью вендоров. Мы назвали эти рынки «доминирующий»(ранее именовавшийся как «продукция средней стоимости») и «специализированный» (ранее именовавшийся как «элитный»).

Первичный анализ рынка MCAE показал, что программные продукты делятся на две категории, которые можно обозначить, так же как и для рынка MCAD, «доминирующие» и «специализированные», причем «доминирующие» относится к недорогим средствам, предназначенным для проектировщиков, а характеристика «специализированный» указывает на комплексные дорогие средства, предназначенные для специалистов.

¹ Ведущие компании по уровню дохода (в алфавитном порядке) Altair, ANSYS, Dassault Systemes, MSC Software и Siemens. Охватывают приблизительно две трети доходов на глобальном рынке MCAE.

Уровень сложности MCAE

Механический анализ — сфера чрезвычайно сложная. Столетия ушли на то, чтобы разработать математические модели, отражающие характеристики и поведение физических объектов с полезной степенью точности. Современные изделия — микроэлектроника, самолеты, автомобили, товары широкого потребления — продолжают бросать вызов нашим возможностям в поиске способов понимания поведения таких объектов.

Вот лишь некоторые аспекты такого рода вызова:

Природа проблемы
Природа задачи
Уровень неопределенности
Желаемая степень точности
Природа материалов
Зависимость от расчетной сетки
Геометрия
Топология
Соединения и сборка
Режимs нагружения
Физические процессы
Динамические процессы и движение
Баллистика и другие области физики

Программные средства и рынки MCAE хорошо отражают эту комплексность.

Увы, разграничение рынка MCAE оказалось на столь простым. Обнаружилось, что заказчики не распределяются четко на «специализированных» и «доминирующих», поскольку компании, покупающие «специализированные» системы, также приобретают и «доминирующие». Кроме того, различие между классами продуктов касается скорее интерфейса пользователя, чем системных возможностей: «доминирующие» системы могут справляться с проблемами такого же масштаба, что и «специализированные» системы.

Действительно, существует различный уровень решений MCAE, и программные средства разных ценовых категорий продаются по-разному. Однако сами по себе данные различия не достаточны для того, чтобы вендоры или клиенты могли лучше ориентироваться на рынке.

Каковы же группы продуктов MCAE? Что необходимо знать потенциальным клиентам, чтобы выбрать нужные им системы? Что следует знать вендорам о данном рынке, чтобы привлечь больше клиентов?

Цель этого доклада — дать ответы на эти вопросы и предложить выводы и рекомендации для клиентов.

Рынок MCAE

По мере того, как заказчики осознают важность MCAE для проектирования, их применение способствует росту прибыли как крупных, так и малых компаний. MCAE позволяет перейти от некоторых, наиболее затратных и длительных процессов проектирования, связанных с созданием физических прототипов, к ускоренному, низкозатратному и надежному моделированию электронных/ цифровых прототипов. Компании всех уровней начинают понимать, какие возможности для извлечения значительной прибыли открываются перед ними при сокращении периода от начала разработки изделия до его выхода на рынок благодаря использованию надежных и эффективных, как никогда ранее, методов проектирования.

В результате рынок MCAE (механические средства автоматизированного проектирования) — объем порядка 2 млрд. долларов в год ² — достиг высшей точки роста ³, и существующая сегментация рынка уже не отражает реальность. Меняются подходы вендоров к своим целевым рынкам и, соответственно, модифицируется продукция и разрабатываются новые изделия.

² Доход компаний-лидеров на рынке MCAE в 2007 г.:

ANSYS — $390 млн.
DS — примерно $250 млн. за счет разработанных DS средств анализа, включая COSMOS, Abaqus и CATIA Analysis
MSC — $247 млн.
ALTAIR — $140 млн. (частный бизнес)
Siemens — $120-150 млн.
CD-Adapco — примерно $60 м
Moldflow — примерно $58 млн.
LMS — $30 млн. (только ПО и сопутствующие услуги — не направление тестирования)

В целом — приблизительно $1,3 млрд. Имеется также несколько сотен небольших компаний, разрабатывающих продукты на основе инструментальных средств, например, Simmetrix (информация получена в ходе личного общения). Большинство таких компаний очень невелики (1-2 человека); они предлагают высокоспециализированные продукты, в основном на рынке MCAE. По нашей оценке, общий годовой доход таких фирм составляет $700 млн.; таким образом, общий объем рынка MCAE достигает примерно $2 млрд.

³ Такая точка зрения Сyon Research основана на быстром увеличении процента продаж «доминирующих» MCAD, в пакет которых входят MCAE. Такие продукты включают Solid Works Office Premium, Solid Edge с Femap Express и Autodesk Inventor Professional (и Inventor Simulation Suite). В совокупности, объем продаж данных продуктов за последние пять лет вырос с 5% от соответствующего набора «доминирующих» MCAD до свыше 20%.

Типы заказчиков

С самого начала стала очевидной такая важная характеристика рынка MCAE как наличие двух групп пользователей:

Специалисты. Их основная деятельность — анализ. Проектировщики или инженеры проекта ставят перед ними проблемы, и специалисты, благодаря своей компетенции, предлагают конкретные и точные результаты анализа.
Такого рода эксперты как правило используют широкий спектр средств MCAE, хотя каждый из них в совершенстве владеет в лучшем случае лишь несколькими средствами. Специалисты могут получать модели в форме данных MCAD и затем осуществляют необходимые шаги для подготовки моделей, пригодных для анализа. Они также могут создавать для анализа собственные модели до осуществления детального проектирования. Результаты выдаются заказчикам в форме графического представления, видеоклипов, диаграмм и таблиц.
Обычной практикой является то, что до трети рабочего времени специалиста уходит на решение проблем «по ходу», ответ на которые инженеры ожидают незамедлительно. Такие вопросы не относятся к какому-то определенному классу и могут охватывать все сферы.

Универсалы — как правило, это инженеры-проектировщики, использующие программные средства MCAE для поддержки своей деятельности, обычно для подтверждения возникших интуитивно предположений. В основном им требуется понимание сути вопроса: определение направления проектирования, принятие решения по принципу «годен — не годен» или выявление потенциальных проблем, связанных с проектированием изделия.

Более того, организации заказчиков тоже подразделяются на два больших класса:

Организации, имеющие специальных сотрудников, занимающихся анализом. Эта группа включает крупные предприятия; PLM-ориентированные организации; большие рабочие группы, имеющие потребность в коллективных разработках; организации, занимающиеся решением проблем, для которых требуется вспомогательный код в дополнение к пакету MCAE; организации, которым нужна цифровая верификация, а не просто улучшенное проектирование, например, экспресс-анализ и обоснование альтернативных вариантов проектирования (RAVDA ⁴). Обеспечивая возможность быстрого рассмотрения и оценки альтернативных вариантов проектирования с помощью оперативной информации, RAVDA позволяет проектировщикам и инженерам работать с проектом в стадии развития вместо того, чтобы анализировать и оценивать нововведения по сравнению с состоянием проекта, зафиксированном на некоторой предшествующей стадии.

Организации, в которых проектировщики также используют средства MCAE. Этот класс включает не только небольшие фирмы, но и конструкторско-технологические отделы крупных компаний, в которых проектировщик занимается анализом и всем остальным. По словам интервьюированных нами вендоров, они скорее заинтересованы в понимании тенденций, чем в супер точности. Организациям данной группы требуются такие продукты MCAE, которые хорошо интегрируются с их программными средствами MCAD и поддерживают относительно невысокий уровень анализа с использованием автоматической генерации сетки, простого пользовательского интерфейса, четкого графического представления результатов и проверки «непротиворечивости».

С момента появления MCAD вендоры обещали разработать программные средства MCAE до такой степени интегрированные с САПР, так хорошо обеспечивающие автоматическая генерация сетки и столь полезные для инженеров-конструкторов в плане должного описания пограничных условий, что потребность в обращении к специалистам заметно снизится. Однако несмотря на постоянное совершенствование таких параметров, как удобство использования, перенос модели, автоматическое формирование расчетной сетки и прочих функциональных возможностей, ей, до сих пор не наблюдается интенсивного использования MCAE инженерами-конструкторами.

Мы считаем, что ситуация должна измениться. Представляется, что доступность недорогих функциональных возможностей MCAE в программном обеспечении «доминирующих» MCAD способствовала достижению поворотной точки роста в использовании MCAE инженерами-конструкторами, которые оперируют с таким классом MCAD ⁵.

Многие приравнивают широкий доступ к средствам моделирования к требованию «упростить до абсурда»функциональности данных средств. Помимо этого, некоторые до сих пор считают, что моделирование — это прерогатива высококвалифицированных аналитиков — и сегодня, и в будущем. Такого рода мышление строится на весьма странном подходе, когда игнорируется совершенство современной методологии программного обеспечения или мощность ПК..
Реальность такова, что благодаря новым технологиям решающих устройств, современным методам проектирования программных средств, интеллектуальным системам и вычислительной мощности ПК моделирование неизменно предлагает надежные решения для широкого класса проблем, без необходимости применения усложненных моделей или специальных знаний. Это ведет к революции в использовании моделирования для проектирования изделий. Как вендоры программных средств, мы просто обязаны реализовать эту революцию ради наших заказчиков.

- Эндрю Анагност, Вице-президент по производству CAD/CAE продуктов, Autodesk

Одна из существенных проблем использования данных продуктов универсалами заключается в их склонности к интерпретации весьма прецизионных результатов как базовых, тогда как на самом деле данные результаты верны настолько, насколько верны предположения, лежащие в основе анализа. Иными словами, такой подход несет в себе риск «дать правильный ответ на неправильный вопрос».

С одной стороны, проектировщики, не имеющие значительного опыта в работе с MCAE, теперь могут воспользоваться ими благодаря улучшенной разработке нового программного обеспечения. С другой стороны, сейчас, как никогда просто получить неверные или, что еще хуже, вводящие в заблуждение результаты, которые, тем не менее, будут реализованы в процессе инженерно-технических работ и производства в силу того, что имеют «вес», входя в пакет MCAE.

Важно понимать, что такая ситуация возникает не из-за недостатков программных средств MCAE. Если заказчик не ставит должных вопросов, результат проблематичен. Вендоры, разрабатывающие средства, предназначенные для использования универсалами, фокусируются на проблеме «постановки правильных вопросов» в своих исследованиях, надеясь, что в будущем смогут предлагать программное обеспечение, помогающие подсказать заказчику «правильные вопросы.»

Тем не менее, некоторые эксперты предупреждают, что наличие простых в использовании программных средств MCAE, стимулирующих проектировщиков осуществлять анализ, не всегда имея должное понимание основополагающих физических процессов, может оказаться пагубным. Другие инженерно-технические специалисты придерживаются точки зрения, что для предотвращения фатальных ошибок при работе со средствами MCAE проектировщику достаточно иметь относительно простые рекомендации, при этом можно добиться существенного сокращения временных затрат при разработке изделия. Результаты проведенного нами исследования заставляют нас поддерживать позицию второй группы: потенциальные преимущества являются огромными, а понимание рисков достаточно полное, чтобы избежать неблагоприятного исхода.

Более того, руководство компании должно обеспечить непрерывное обучение инженеров-механиков без отрыва от производства и возможность их коммуникации с высококвалифицированными консультантами, а также практиковать неустанный контроль. В таких условиях, и с появлением более отказобезопасных и простых в использовании средств, разрабатываемых вендорами программного обеспечения MCAE, успешное использование современных интегрированных средств MCAE инженерами-проектировщиками может стать обычным делом.

Несколько десятилетий назад любые виды MCAE могли использовать только эксперты; а средства MCAE были легко различимы по цене. Сегодня наиболее важное отличие заключается между пакетами, предназначенными для экспертов, и для использования универсалами. Менее крупные вендоры MCAE либо должны повышать инновационность, либо искать свою особую нишу — так, например, создан пакет программ по вычислительной гидродинамике, применяемых при анализе кровообращения.

В то же время, специалисты больше сосредотачиваются на методологии, чем на осуществлении анализа как такового. Заказчики ждут от вендоров MCAE ответа на такой важный вопрос: каким образом MCAE могут быть использованы для своевременного принятия решений в области проектирования? Средства MCAE становятся необходимыми, в той же мере, что и САПР. Их потенциал говорит о том, что в будущем с их помощью можно добиться стратегического бизнес-преимущества.

Фактически, рынок раздваивается на группу специалистов, которые все больше и больше занимаются разработкой методов и шаблонов, не занимаясь конкретными технологиями; и ориентирующихся на приложения инженеров и проектировщиков — универсалов — которые работают с шаблонами, созданными экспертами, или сами приобретают достаточные знания для того, чтобы использовать MCAE в процессе инженерно-технологических работ.

⁴ В нашем докладе за 2005 г. «Анализ стандартов воспроизводимой цифровой валидации UGS» введен термин RAVDA (экспресс-анализ и обоснование альтернативных вариантов проектирования) и обсуждаются возможные импликации. Документ можно загрузить с http://cyonresearch.com/whitepapers.

⁵ Такая точка зрения Сyon Research основана на быстром увеличении процента продаж «доминирующих» MCAD, в пакет которых входят MCAE. Такие продукты включают Solid Works Office Premium, Solid Edge с Femap Express и Autodesk Inventor Professional (и Inventor Simulation Suite). В совокупности, объем продаж данных продуктов за последние пять лет вырос с менее чем 2% от соответствующего набора «доминирующих» MCAD до свыше 15%.

Типы проблем

Одной из задач данного исследования, результатом которого явился Авторитетный доклад, было выяснить, насколько полезна для вендоров и заказчиков классификация продукции по категориям.

По нашим наблюдениям, инструментальные средства «группируются» согласно возможностям использования для решения определенного типа проблем. Такую классификацию мы называем «естественной», поскольку она не навязывается искусственно, а вытекает из данных исследования. Таким образом, предлагаемая сегментация продуктов MCAE строится на основе типов проблем, для решений которых они предназначены:

От Простого к Сложному и к «Особо сложному» — Характер выдвинутого вопроса задает основу для постановки проблемы. В зависимости от вопроса (вопросов) будут задействованы различные решатели и стратегии. Вопросы могут варьироваться от простых до «особо сложных»; решающий фактор — насколько быстро можно разобраться в существе проблемы и предложить решение.

На «простом» уровне проблемы рассматриваются по отдельности, для одного типа физических процессов, нередко проектировщиками в процессе проектирования. Если необходимо работать с несколькими типами физических процессов, это осуществляется скорее последовательно, а не одновременно. На «простом» уровне в процессе проектирования также могут использоваться шаблоны моделирования, созданные специалистами.

«Особо сложные» проблемы могут быть переходными; динамическими; «мультифизическими»; нелинейными; зависимыми от параметров, определяющих плотность сетки, и т.д. (См. вставку «Уровень сложности MCAE»). Другим аспектом является их относительная масштабируемость, от отдельных компонентов до под-узлов, и до системы в целом. «Особо сложные» проблемы включают в себя полное моделирование систем; например, полное моделирование комфорта во время движения транспортного средства.

Типичные «простые» проблемы:

Простые информационные потребности, для которых требуется быстрое понимание сущности и проверка исходных предположений, или изучение возможных вариантов проектирования; рассматриваются по отдельности, нередко проектировщиками в процессе проектирования; также последовательное (в отличие от параллельного) моделирование и выполнение аналитических отчетов по шаблонам, созданным специалистами
Ключевые характеристики: важное значение имеет «двусторонняя» интеграция с MCAD
Примеры программных средств, используемых для решения такого рода проблем: SolidWorks Office Premium; Inventor Professional; Algor
Преимущества: несложное урегулирование проблемы; удобный пользовательский интерфейс; быстрая реакция
Ограничения: Объем и уровень сложности проблемы; способность работать со всем комплексом вводимых данных

Типичные «особо сложные» проблемы:

Проектирование поведения поверхности качения резиновых шин при разных дорожных условиях, режимах нагружения, составе резины, температурах; тестирование автомобиля на шум и вибрации при езде, силу сцепления шин, изнашиваемость шин
Ключевые характеристики: требуется усовершенствованные программные средства, способные охватить одновременно нелинейные материалы, вычислительную гидродинамику, тепловые процессы, динамические процессы и пр.
Примеры программных средств, используемых для решения такого рода проблем: ANSYS CFX, Abaqus, NX CAE
Преимущества: в качестве примера можно привести уменьшение необходимости использовать дорогое лабораторное оборудование для тестирования шин и возможность избежать расширенных дорожных испытаний
Ограничения: объем и уровень сложности проблемы, способность работать с комплексными мультифизическими эффектами; необходимы опытные специалисты по моделированию

Большие — очень большие аналитические модели с многочисленными степенями свободы (более 10)

Типичные проблемы: расчет на флаттер крыла Боинга; капельный анализ мелкоячеистости сотового телефона.
Ключевые характеристики: мелко-масштабное разрешение и способность строить модели с большим количеством компонентов и свойств
Примеры программных средств, используемых для решения такого рода проблем: Abaqus, Fluent, NXCAE
Преимущества: разрешение проблем с миллионами степеней свободы
Ограничения: только для использования специалистами; необходимы специальные знания

Автоматизируемые — проблемы, решение которых требует многих видов анализа, неоднократное использование решающих устройств и автоматическую передачу данных от одной программы к другой; часто необходимо создание шаблонов с тем, чтобы «универсалы» могли проводить анализ с воcпроизводимой надежностью и регулярно проверять результаты анализа. Система предназначена для обработки «простых», «больших» и «сложных» проблем; может также предлагать «автоматизируемые» функциональности. Такая система разработана для решения «больших» проблем, обладает воспроизводимой структурой, может быть адаптирована для потребностей автомобилестроения.

Типичные проблемы: итерационно оценить под-узлы в контексте всего комплекта деталей, осуществляя множественный параллельный анализ в режиме реального времени — например, для системы впрыскивания топлива в новой модели автомобиля. Также создание шаблонов — стандартных аналитических моделей для применения и повторного использования «универсалами».
Ключевые характеристики: средства для создания шаблонов с целью их использования «универсалами; средства для моделирования процессов и для воспроизводимых проверок; средства для создания геометрически-независимых моделей для абстрактного анализа; средства для улучшения геометрических параметров на основе результатов проведенного анализа.
Примеры программных средств, используемых для решения такого рода проблем: RDV (Siemens), MSC Sim Enterprise, SIMULIA SLM, Altair PBS, MSC Sim Manager
Преимущества: значительная экономия времени благодаря отсутствию необходимости повторного набора заданных значений и параллельному использованию решающих устройств; способность реагирования в режиме, приближенном к реальному времени; воспроизводимость тестирования.
Ограничения: изначально необходимость в задействовании существенных ресурсов и значительном повышении квалификации персонала; важность специальных знаний и компетенций.

Решающим является то, что можно решить практически любую проблему в любом сегменте. Иными словами, выбор средств определяется не столько тем, что требуется заказчику, сколько тем, как он к этому подходит.

В качестве примера возьмем сотовый телефон.

«Простой» подход к корпусу телефонного аппарата может заключаться в том, чтобы изменить характеристики модели, «убрав» отверстия, в которые помещена панель клавиатуры. При этом напрашивается вопрос: «Если кто-то наступит на телефон,приведет ли полученный прогиб корпуса к повреждению печатной платы?»

Более сложный вопрос: «Если убрать корпус, отломится ли закрывающая пластина?»

«Сложный» вопрос: «Что произойдет, если уронить телефон?» Он также включает в себя вопросы типа: «Прервется ли телефонный разговор?», что влечет за собой согласование анализа механики и электроники..

«Большой» вопрос для столь небольшого по размеру изделия как сотовый телефон касается телефона, смоделированного без какого-либо изменения характеристик. Все отверстия, желобки и пр. осуществляются в рамках модели с очень высоким разрешением; затем задается вопрос: «Если уронить телефон определенным образом, сломается ли крышка?»

Вопрос из категории «автоматизируемого»: «Если уронить, сломается?» В этом случае возможно потребуются многочисленные повторы одной аналитической модели, каждый раз с незначительным различием в условиях испытания, например, высота падения; тип поверхности, на которую падает телефон; вращение телефона при падении; участок телефона при соприкосновении с поверхностью; и пр.

Легко заметить, что данные группы не имеют четких границ; скорее, охватывается спектр проблем от «простых» до «особо сложных»; любая проблема может также быть «большой» или «автоматизируемой.» В диапазоне от «простого» к «сложному» и к «особо сложному» большинство инвестиций на рынке вкладывается в решение проблем, относящихся к центру данного спектра.

Такая классификация не является жесткой — взаимоисключающие классы продукции отсутствуют, поскольку многие продукты предназначены для решения более чем одного типа проблем. Это может быть проявлением «случайного» развития рынка или отражением определенных технологических подходов. Такая классификация не является жесткой — взаимоисключающие классы продукции отсутствуют, поскольку многие продукты предназначены для решения более чем одного типа проблем. Это может быть проявлением «случайного» развития рынка или отражением определенных технологических подходов.

Прочие сложные моменты

Препроцессоры, постпроцессоры и решатели

Типичный процесс MCAE включает «предварительную обработку» моделей MCAD, подготовку для анализа с помощью определенной решающей программы; анализ с помощью решающей программы; и, наконец, «последующая обработка» полученных результатов в желаемом формате. Некоторые продукты имеют собственные пре- и постпроцессоры; существуют также универсальные пре- и постпроцессоры, допускающие работу с различными решателями.

Для того, чтобы найти решение, проблема должна быть представлена в рабочем формате решающей программы. Для этого существуют препроцессоры. В них поступают данные в различном формате, препроцессоры обеспечивают размещение загрузки и соединений, и выдают данные в форматах, приемлемых для конкретных решателей. Некоторые препроцессоры тесно интегрированы с системой САПР и импортируют модель непосредственно из данной системы. При работе с другими пользователь должен воссоздать геометрию с нуля с помощью препроцессора. Препроцессоры также позволяют пользователю создать и определить размещение загрузки и условия совмещения на модели.

Решатели — это программы, применяющие математические средства анализа к конкретной модели в рамках той отрасли знаний, для которой они разработаны. Например, NASTRAN, созданный для проекта НАСА решатель, использующий метод анализа конечных элементов, принимает модели и загрузку и выдает напряжения, отклонения и прочие расчетные значения в численных данных.

Постпроцессоры получают данные от решателя и представляют результаты визуально, в различных форматах. Графическая природа пре- и постпроцессоров открывает возможности использования сложного программного обеспечения для аналитических исследований неспециалистами.

Управление моделированием изделий

Естественно, данные, результаты, методы и процессы MCAE необходимо хранить и ими нужно уметь управлять. Именно для этого предназначено программное обеспечение для управления моделированием изделий (PSM). Существуют другие похожие термины: управление моделированием жизненного цикла (SLM — предпочитаемый Dassault Systemes), управление процессами моделирования (SPM — используется Siemens PLM) и управление моделированием на предприятии (ESM — используется MSC.Software).

Процессы анализа и моделирования нередко плохо скоординированы и генерируют большой объем некоррелированных данных. Предназначение программных средств PSM — управление моделированием и анализом, на вводе, в процессе обработке и на выводе; такие системы обеспечивают совмещение различных типов аналитических программ от разных вендоров. В частности, связывание воедино данных физических испытаний и анализа может оказаться непростой задачей; PSM-системы осуществляют поддержку данного процесса.

Возьмем любую компанию, сталкивающуюся с «автоматизируемыми» проблемами, по типу описанного выше примера с сотовым телефоном. Их исследование может привести к генерированию значительного объема данных. Также в процессе проектирования возможны многочисленные итерации, каждый раз требующие очередной серии испытаний. Кроме того, у компании может быть несколько линеек продукции (сотовых телефонов), каждая из которых требует одной и той же серии испытаний, допустим, с целью проверки «высокой прочности» до запуска в производство. В лучшем случае работа с таким объемом данных без использования PSM окажется очень сложной. Комбинируя PSM с инструментальными средствами для создания «блока испытаний» (как описано при определении «автоматизируемой»«категории), такого рода проверки становятся достаточно «простыми».

Типичная область: MCAE и управление моделированием данных и процессов
Ключевые характеристики: средства управления данными моделирования, ограничителями, условиями загрузки, результатами анализа и сопутствующими процессами.
Примеры программных средств данного класса: SimManager, Teamcenter [Analysis], Ansys Workbench, SIMULIA SLM
Преимущества: данные и процессы, связанные с MCAE и моделированием, являются многочисленными и сложными. PSM продукты облегчает управление данными и автоматизацию процессов, экономя время и улучшая показатели воспроизводимости.
Ограничения: поддержание эффективной и функциональной системы PSM требует определенных накладных расходов

Как указывалось ранее, использование MCAE универсалами достигло поворотной точки роста. По нашему мнению, это главная причина, по которой сегмент рынка универсалов будет расти быстрее, чем сегмент специалистов. В то же время, специалисты побуждают вендоров разрабатывать инструментальные средства для анализа технологических процессов — программного обеспечения, позволяющего применять комплексный анализ в более автоматическом режиме и с большей степенью воспроизводимости, чем возможно на настоящий момент. Появление таких продуктов приведет к тому, что специалисты станут больше пользоваться инструментальными средствами; и поэтому мы прогнозируем существенный рост в данном секторе, хотя и не столь значительный как для рынка универсалов.

Другой «кусок пирога» на рынке программного обеспечения для решения технических задач, частично совпадающий с MCAE — это PIDO, программное обеспечение для интеграции процессов и оптимального проектирования. «Интеграция процессов» включает сбор информации и автоматизацию процессов с помощью графических обозначений, содействующих объединению разрозненных средств в единый технологический процесс. «Оптимальное проектирование» — всеобъемлющая формула, целиком охватывающая расширяющееся разнообразие инструментальных средств, разработанных с данной целью.

Применяемое прежде всего в аэрокосмической промышленности и автомобилестроении, PIDO постепенно начинает активно использоваться и в других областях.

Карта рынка

Карты рынка помогают визуально представить взаимосвязи на рынке. Карта рынка не является средством, позволяющим точно определить, является ли тот или иной продукт лучше других. Скорее, это некий эскиз, благодаря которому читатель сможет лучше понять сложную систему взаимосвязей на данном рынке.

Наша «карта»(Рис.1) пространства MCAE строится на упомянутых выше классах продукции (и более подробно определяемых ниже). Хотя возможно размещение продукции в пространстве MCAE со (значительным) накладыванием на группы проблем, как показано, с нашей точки зрения, полезнее выйти на более высокий уровень абстракции. (Обращаем ваше внимание, что данные «пузырьки» классов проблем расположены сверху области программного обеспечения PSM).

На Рис. 2, ось x отражает природу поставленного вопроса, а ось y — масштаб проблемы в степенях свободы. На карте выделено три области: «простые», «сложные» и «особо сложные» проблемы. «Простые» проблемы наилучшим образом решаются в рамках непрерывного технологического процесса с помощью MCAE продуктов, интегрированных в систему MCAD. «Особо сложные» проблемы являются комплексными и «большими», и часто требуют «мультифизических» решений.

Рис. 2. Степень сложности. Соотношение природы вопроса/ проблемы и нашей классификации от «простых» до «особо сложных».

На Рис. 3 выделена область проявления «автоматизируемых» процессов. (заштриховано). Это, что называется, «как раз то, что нужно»: поставленные проблемы не являются ни слишком «большими» или «сложными» для автоматизации, ни настолько несложными, что не представляют из себя особой значимости.

Рис. 3. Область автоматизации

Рис. 4. Степень автоматизации
Примечание: Расположение продукта на Схеме согласно основному использованию, а не возможностям

На Рис. 4 показаны продукты, обслуживающие «автоматизируемый» сектор. Ось у — сектор — имеет три уровня, отражающие возрастающее усовершенствование автоматизации. По оси х — три области, отмеченные на первой карте.

Рис. 5. Информационный поток и сложность анализа методом конечных элементов
Примечание: Расположение продукта на Схеме согласно основному использованию, а не возможностям. Также, продукты, расположенные в одной ячейке, не обязательно являются эквивалентными и могут иметь различный уровень функциональности.
* Включая SolidWorks, SolidWorks Office Professional и SolidWorks Office Premium

Схемы 5 и 6 схожи, однако интеграция информационного потока сопоставляется с набором проблем. Существует некая дихотомия между высоким уровнем интеграции информационного потока и способностью разрешить «особо сложные» проблемы. На схеме показан выбор оптимального соотношения. Можно либо оптимизировать информационный поток, либо функциональности, но не то и другое одновременно — верхняя правая часть схемы в течение какого-то периода времени останется пустой.

На рынке действуют сотни вендоров программного обеспечения CAE, специализирующиеся в различных областях. Представленные на Схеме продукты используют метод анализа конечных элементов, однако данная выборка не является исчерпывающей.

Рис. 6. Информационный поток и сложность вычислительной гидродинамики
Примечание: Расположение продукта на Схеме согласно основному использованию, а не возможностям. Также, продукты, расположенные в одной ячейке, не обязательно являются эквивалентыми и могут иметь различный уровень функциональности.

В рамках данного исследования мы провели интервью с руководителями всех ведущих компаний MCAE и с многими заказчиками, представляющими широкий круг организаций разного размера и уровня управления. Их комментарии и наблюдения (выделено нами) помогли нам лучше понять рынок MCAE, что нашло свое отражение в докладе.

Некоторые интервьюируемые высказали назидательные советы; большинство сосредоточились на потребности заказчиков понимать суть анализа. Ряд специалистов озабочены тем, что «универсалы» могут неправильно интерпретировать результаты собственного анализа:

Д-р Билл Холл (Bill Hall), аналитик НАСА в отставке, который немало способствовал укоренению CAE в космическом агентстве США:

«Всего лишь способность работать с программой, использующей метод анализа конечных элементов (FEA), не достаточна для того, чтобы проектировщики могли получить значимые результаты анализа. Учитывая сегодняшние возможности формировать модели FEA c автоматическим формированием расчетной сетки, выполнить FEA может практически любой. Необходимо также знать механику конструкций. Нужно уметь подтвердить, путем расчетов вручную, или другими способами, что результаты FEA имеют смысл.»

Вильям Морган (William Morgan), из английской фирмы Morgan Design Analysis Ltd., специализирующейся на проектировании и анализе поршней:

«Анализ должны проводить специалисты. Очень немногие способны справиться с CAD и FEA. Это можно считать недостатком или нет, но не стоит рассматривать вариант упрощения анализа до абсурда».

Марк Халперн (Marc Halpern), руководитель научно-технических работ, Подразделение проектирования и производства исследовательской и консалтинговой фирмы Gartner (США):

«Если речь идет о стандартной методологии проектирования, некоторые инженеры-разработчики могут с ними справиться. Следовательно, если в фирме существует постоянная потребность работы с MCAE, эксперты должны передавать рутинные операции таким проектировщикам. Однако эксперты должны обеспечить соответствие работы проектировщиков передовой практике. Если же потребность в использовании MCAE возникает в компании лишь периодически и опыт сотрудников в этой сфере незначителен, разумнее привлекать консультантов, чем содержать сотрудников, специализирующихся на MCAE».

В заслугу вендорам нужно поставить то, что по крайней мере некоторые пакеты, предназначенные для «универсалов», особенно в составе MCAD-систем, фокусируются на решении специфических типов проблем. Характеристики некоторых из таких продуктов стимулируют заказчиков обращать внимание на обоснованность задаваемых вопросов.

Обсуждая ситуацию на рынке, были сделаны следующие заявления:

Д-р Гэррет Вандерплаац (Garret Vanderplaats), руководитель Vanderplaats Research & Development, Inc. — компании, занимающейся оптимизацией программного обеспечения CAE:

«Задача инжнерного обеспечения — проектирование и оптимизация. Нами созданы средства оптимизации высокого технического уровня. Слабым звеном является удобство в использовании, и, соответственно, это — важная область усовершенствования».

Джо Волш (Joe Walsh), Вице-президент по бизнес-развитию, Simmetrix, Inc.:

«Когда-то только эксперты использовали CAE; категории продукции различались только по цене. Сейчас рынок определяется тем, кто может использовать продукт — эксперты или инженеры , не имеющие специальной подготовки».

Наконец, что касается области интересов, проявляются две устойчивые тенденции. Во-первых, расширение полномочий проектировщиков; и, во-вторых, усиление использования шаблонов для автоматизации процесса анализа и валидации.

Ричард Буш, Директор по маркетингу, Digital Lifecycle Simulation, Siemens PLM:

«Видение и стратегия Siemens PLM заключаются в том, чтобы моделирование стало реальностью на протяжении всего жизненного цикла изделия. Как только имеются [передовые функциональности MCAE в среде разработки], я могу назвать много разумных причин, по которым заказчики хотят использовать их в проектировании.
Иногда загвоздка в другом — проектировщики нередко задают несложные вопросы, но после того, как их направили группе аналитиков, может пройти две недели, пока не будет предложен ответ, и дело тут не просто в отставании в выполнении работ. Если проектировщики будут иметь специальные программные средства, позволяющие им, в свою очередь, разрабатывать программные средства (или эксперт-программы) для собственных проектных групп, они смогут выполнять анализ в течение часов или минут.

[Одна] немецкая компания предоставляет средства анализа своим проектировщикам в целях совершенствования проектного решения до стадии проверки. Ценным дополнительным эффектом такого подхода является то, что обе группы стали лучше понимать сложные проблемы, с которыми сталкивается другая группа«.

Джейсон Ферклос (Jason Faircloth), Marin Bikes:

«Я менеджер по продукту и разработчик продукта; наша компания небольшая. До получения [»доминирующих«MCAD с пакетом MCAE] у меня обычно уходило полтора года для вывода новой разработки на рынок. Программные средства, использующие методы анализа конечных элементов и анализа элементов движения позволяют практически исключить физические прототипы. С помощью таких программных средств срок вывода на рынок уже сократился до 9 месяцев, и это не предел. Здесь наше будущее».

Будущее MCAE

Рынок MCAE меняется. «Центр притяжения» смещается от технически сложных средств, которые были прерогативой только высококвалифицированных специалистов, к мощным, более доступным продуктам, пользоваться которыми могут инженеры-«универсалы», имеющие относительно ограниченные знания физики. Даже небольшие компании ⁶ сообщают о сокращении — и даже прекращении — использования физических прототипов благодаря применению соответствующих средств моделирования и имитации (см., например, комментарий представителя компании Marin Bikes). По мере растущей интеграции функциональных возможностей MCAE с «доминирующими» MCAD тенденция к внедрению таких средств будет усиливаться.

Новые и усовершенствованные программные средства, такие как преобразователи, предвестниками которых являются предпроцессоры абстрактного моделирования (например, продукция Comet, Simmetrix), должны радикально изменить область MCAE. Среди прочих, они обеспечивают преимущество использования всеми инженерами-проектировщиками глубокого знания анализа специалистами, далеко превосходя возможности шаблонов.

Неотвратимый рост производительности компьютеров позволяет создавать как никогда мощные средства, доступные всем — например, совершенствовать анализ и оптимизацию путем использования статистических переменных, а не постоянных величин.

Другая важная область роста заключатся в интеграции и моделировании на системном уровне. По мере развития средств интеграции и моделирования на системном уровне, будет возрастать значимость PIDO.

По нашему мнению, устойчивый рост рынка MCAE будет продолжаться, и ведущие позиции на рынке будет занимать категория «простых» продуктов ⁷. Данная тенденция будет подпитываться основными экономическими процессами на глобальных производственных рынках: конкуренция остра как никогда; период от начала разработки изделия до его выхода на рынок имеет все более важное значение в плане рыночного успеха изделия; заказчики гораздо менее, чем когда-либо, терпимы к низкому качеству продукции и задержкам поставок. MCAE предлагает апробированные решения для такой среды ⁸.

Эти тенденции стали возможными благодаря совершенствованию информационных технологий. В настоящее время персональные компьютеры обладают достаточной мощностью для решения больших и комплексных проблем. Параллельные компьютеры огромной мощности упали в цене. Интерфейсы пользователя становятся более высококачественными и удобными в работе. Интернет обеспечивает немыслимый ранее уровень коллективных разработок, как в плане пропускной способности, так и скорости.

Вероятно, наиболее решающий фактор заключается в том, что выросло поколение инженеров, свободно владеющих компьютерами и многого от них ожидающих. Инженеры нередко изучают MCAE еще в стенах университетов. Это говорит о полной трансформации социологии проектирования изделий, когда существовавшие ранее организационные барьеры демократизации анализа исчезают на глазах.

В течение значительного периода времени MCAE играли важную роль в процессе инженерно-технических разработок, осуществляемых крупными компаниями; как правило, их применяли специалисты в области анализа. Теперь эта роль должна расшириться благодаря использованию инженерами-проектировщиками. А в небольших фирмах программные средства MCAE быстро преодолевают стадию «неплохо бы иметь» и становятся важным элементом конкурентного преимущества.

⁶ Продвинутый анализ не ограничен крупными компаниями. Многие небольшие фирмы осуществляют наиболее «продвинутое» моделирование, возможное на сегодняшний день.

⁷ См. примечание ⁵.

⁸ В моделировании реального мира еще много простора для изобретений. Рынок новых, передовых инструментальных средств моделирования также будет продолжать расти, хотя, по нашим прогнозам, не столь быстро, как категория «простых» продуктов.

Классы программных средств MCAE: понимание рынка