赋能汽车制造商信心满满地设计和制造多材料组件

汽车公司致力于开发具有爆炸性影响和可持续的汽车产品。他们的碳减排目标大多转化为减重目标─ 这自然地符合增加EV范围的要求。引入新材料和新工艺在可行性和最终产品性能方面都是非常棘手的，没有人愿意触碰。更不用说成本了——涉及新材料和新工艺的产品开发不可避免地会有风险，而且充满惊喜。继续阅读，了解可行性评估、装配工艺预测、性能验证——所有这些都是虚拟的、具有性价比的和”一次成功”。 

从单点数值模拟到端到端虚拟样机 

在过去几十年中，数值模拟在帮助OEM厂商评估制造可行性以及评估和验证设计性能方面发挥了重要作用。然而，车身制造决策相对较晚，在设计冻结之后，汽车制造商仍然严重依赖物理测试。通常，工程师在过程中检测车身装配变形的时间太晚（图1）。 

提前完成制造决策的雄心是一贯存在的。但设计成本要求带来了额外的压力。事实上，解决办法就是尽早找到最佳设计，并在工程设计阶段进行验证，并以高度预测性的方式进行验证，以避免在小试期间昂贵的原型和后期设计变更。 

通过纯数字方法实现这种优化设计并不简单。需要考虑两个主要方面，以确保连续生产之前一切顺利（图2）。 

单部件制造：多年来，该行业已建立了单部件制造的详细模拟系统。然而，由于工程师需要首先定义各种工具环境，因此模拟往往会在之后的工作流中使用。随着高级混合材料的兴起，汽车制造商需要及早自信地做出正确的决定，确定哪种材料在哪种地方更有效。因此，当第一个CAD数据和物料清单（BOM）生成时，能够从一开始就估计制造可行性就非常重要。虚拟样机技术允许工程师在早期开发阶段考虑所有这些信息，从而提高功能和性能验证以及装配过程模拟的可预测性——甚至在工艺工具和模具定义之前。 

连接过程：连接多材料组件的可能性有很多。为了找到正确的匹配，准确建模和模拟连接过程至关重要，以便将连接强度有利于对碰撞和耐久性的优化。此外，工程师需要考虑连接过程对零件几何形状的影响，以便预测装配质量。最终目标始终是尽可能早地以最小的计算时间获得最佳的可预测性。 

在生产前验证阶段的后期，第一批物理零件通常会从不同的供应商和地点发送到OEM装配厂，以检查最终装配公差和质量。为了克服这些成本高昂的物流问题，虚拟原型技术允许工程师使用单个零件的3D扫描以及连接过程的影响作为其装配模拟的输入。因此，可以预期零件和组件公差偏差，从而避免昂贵的试错阶段。 

此外，3D扫描现在甚至可以被制造过程（如冲压）的数字结果所取代。因此，车身和底盘的变形和公差以及a级面板组件的感知质量可以在早期开发阶段进行分析和预测，确保最终产品可以在规定公差范围内以更高质量标准生产和组装。 

简而言之：虚拟样机技术代表了一种端到端的方法，用于材料和设计选择、制造和装配工艺策略的早期验证，在整个车身开发周期中具有显著的优势。它使汽车制造商能够有效验证车辆结构安全关键部件的所有领先轻质候选材料，并将最佳连接工艺关联起来，以实现更高性能/成本/质量比的装配。 

这一坚实的基础使人们在开始实物阶段之前就信心满满，明确了正确的生产策略，最终在生产之前通过与功能和性能验证的持续关联进行虚拟验证。这为数字车身工厂铺平了道路。在该工厂中，汽车制造商可以实现零物理原型，最终缩短整个产品开发周期，并将其成本和投产时间（SOP）降的更低。 

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客户成功案例：日产将新型轻质材料的工程研发周期缩短了50% 

为了实现日产绿色计划的减重目标，日本OEM企业一直在研究混合材料的使用（铝、钢和复合材料组件）。日产工程师使用ESI复合材料制造模拟解决方案开发了注塑和压缩成型的新工艺方法，为生产线带来了显著的效率提升。通过利用数值模拟开发一种新的制造工艺，日产的工程师在确保设计要求和生产目标的同时，利用通常漫长而昂贵的试错周期，成功地对轻质材料类型做出了早期决策。据他们估计，他们成功地将工程研发周期缩短了50%。 

在制造成果方面：就在2020年11月ESI首次召开ESI LIVE会议之前，日产公开宣布了其在碳纤维部件生产方面的突破。他们把原本需要两小时生产的碳纤维增强零件，缩短到2分钟，单次成型的生产时间减少了80%。这种技术灵活性还使日产能够生产复杂的零件形状，使每辆车的平均重量减少80公斤。 

这一成就之所以成为可能，至少要归功于自信的决策和早期优化能力，以及在成形、热处理、连接和装配过程中设计和制造工艺的同步协作。 

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