Creo 7.0 创成式设计和仿真新功能

文|PTC

对于制造业企业而言，如何既快又好地完成产品研制是企业发展的目标，也是其面临的主要挑战，其中的难点在于好的设计需要大量设计方案的迭代，每个设计方案都不是一蹴而就的，需要设计团队投入足够的时间，其中包含设计、仿真和实物样机试验等工作。企业通过研发团队的人海战术及改造研发工具来提升效率。而传统研发工具对于效率的提升已经到了“天花板”。图1 所示发动机活塞设计，左图是传统设计方案，重量大而散热面积小；右图是优化后的设计方案，可节省材料、提升散热效果，从而提高动力，但其结构设计复杂，非一般设计工具和“人海战术”所能企及。

上文谈到的只是一个初步设计结果，该结果还需要专门的仿真人员进行校验，通过后可以算是一个合格的方案，如果有问题，这个设计和校验的工作还需要重做，术语称为迭代。复杂产品的迭代多达数十次，迭代周期从数月到数年不等。因此，企业只能在产品成本、上市周期和品质间进行折衷和取舍。

近年来，随着人工智能、并行计算、云计算和3D 打印等技术的崛起，传统的数字化研制手段也迎来了新生，PTC 公司推出的Creo 7.0 软件一站式解决方案（图2），帮助零经验设计人员极速完成设计和仿真，并直连3D 打印机完成制造。该方案由三个部分组成，一是融入人工智能技术和并行计算技术的创成式设计，二是整合ANSYS 实时仿真引擎的Creo Simulation Live （CSL）实现边设计边仿真，三是与业界顶级打印机厂商直连的3D 打印技术，使得设计方案秒传3D 打印机，快速完成制造，无需额外成本。

图1 发动机活塞设计

图2 Creo 7.0 软件一站式解决方案

一、创成式设计

用户只要在Creo 中输入产品设计要求，软件即可自动生成一个或多个设计方案，软件可代替设计师自主完成设计。如图3 所示，需要在左图灰色透明区域中避开红区设计一个零件，在跑道内壁固定的情况下，能承重350 公斤并且该零件重量不超过0.2公斤，同时要求能够通过数控机床加工或模具加工或3D 打印制造出来，右图是Creo 7.0 创成式设计自生成的可3D 打印的合金材料零件结果。

Creo 7.0 使用多核CPU 或显示卡GPU 并行计算和云计算的技术，使得创成式设计的计算速度有了颠覆性的提升。Creo 7.0 创成式设计的高阶能力是生成一批方案，图4 所示是自动生成的雪地摩托车前悬架的三种设计方案。

1、Creo 创成式拓扑优化（GTO）

Creo GTO 根据用户的约束和要求（包括材料和制造流程）创建经过优化的产品设计。完全在Creo 设计环境中快速探索创新的设计选项，减少开发时间和开支。AI 驱动的 GTO 帮助用户提供更高质量、更低成本且可适用于制造的设计。其具体功能包括：

图3 创成式设计合金材料零件

图4 Creo 7.0 自动生成雪地摩托车前悬架的三种设计方案

图5 Creo 创成式拓扑优化操作流程

◎易于使用，并完全集成到Creo Parametric 熟悉的设计环境，熟悉的UI 功能区和上下文相关菜单和简化的工作流程。

◎无缝设置。 只需选择设计空间，添加载荷和约束，定义目标，材料，和制造过程。

◎使用强大的AI 驱动的优化引擎快速生成设计。

◎支持从传统制造到增材制造的常见制造要求。

◎能够预览和询问优化设计以及仿真结果。

◎交互过程结果通过对几何图形和设置的编辑而动态更新。

◎自动将优化结果重建为丰富的B-REP表示几何或细分模型。

图5 为软件操作流程：

第一步：通过定义设计空间、物理性能、负载和约束、设计目标、制造工艺和材料，轻松设置优化项。

第二步：利用分型线约束方案来支持铸件制造工艺的快速预览。

第三步：生成可制造结果，摩托车整体装配的最后一个关键部件。

2、Creo 创成式设计扩展（GDX）

利用云计算和并行计算多项优化研究，一次生成大量的设计结果，显著提高生产力。用户可以快速评估和比较更多的设计方案，提升用户对最终选定设计的信心，然后再将它引入Creo，供下游使用。Creo GDX 支持热/模态，可以利用云中的高性能计算能力生成多种设计解决方案，优化目标和获得更好的仿真结果。Creo 创成式设计扩展功能包括：

◎SaaS 产品，云托管。

◎在Web 页面中过滤，评估和比较解决方案。

◎将选定的解决方案下载到Creo 进行重建。

Creo 创成式设计扩展的操作流程如图6 所示：

第一步：上传设计空间、物理性能、负载和约束、设计目标、制造工艺和材料等条件。

第二步：在Web 页面中过滤，评估和比较解决方案。

第三部：将符合目标的解决方案下载到Creo 进行重建。

二、仿真驱动设计

设计和仿真的迭代受制于仿真专业的高技术门槛和传统工具计算时间长等问题，在Creo 7.0 中得到了有效解决，Creo 7.0 内嵌的ANSYS 实时仿真引擎，能让无仿真专业背景的普通设计师在工作中边设计边仿真，无需跨部门迭代，Creo 7.0 将集成新版ANSYS 仿真引擎进一步提升计算速度，并加入流体仿真、非线性和多物理场等高级分析功能，使得电脑里的三维仿真模型更加逼近实际产品，结果更精确。图7 是Creo 7.0 新增的实时流体仿真功能计算出的鼓风机内流速和气压结果，流体仿真的计算时间从小时级缩短至分钟甚至秒级。

图7 Creo 7.实时流体仿真功能

1、Creo Simulation Live 实时仿真增强

Creo Simulation Live 提供了实时、瞬时流体流动仿真功能，以及参数研究、图例/制图、瞬态热研究及隔离组件。该程序在后台运行，在Creo 建模环境中为用户提供瞬时的动态反馈。所带来的不仅是便利和快速，还能作为设计指导而成为正常工作流程的一部分。该功能有如下特点：

◎实时：直接在建模环境中对零件和装配结果进行瞬时模拟。

◎交互：用户编辑或创建模型时，分析会动态更新。

◎可靠：ANSYS 技术提供算法支持。

◎易用：在几分钟内运行第一次模拟。无需简化几何体、划分网格及运算等待。

◎在设计过程中更早发现问题，因为此时解决问题的难度和成本都更低。生产出能够更快地满足性能要求的产品，并更快地探索更多其他设计方案。减少与传统仿真工具相关的等待时间。节省分析师在消除各种技术瓶颈时进行高端分析的时间和成本。

（1）外流分析

图8 风洞环境仿真

图9 内流分析

图8所示Creo Simulation Live针对几何的风洞环境仿真，通过带有或不带时间限制的瞬态仿真，可得到温度条件，瞬间得到速度和压力结果，边界条件能够交互修改，可以创建探针来获得详细数值。

（2）内流分析（图9）

Creo Simulation Live内流分析通过流速、内部压力或质量流输入，对漩涡进口、旋转壁和重力输入的附加的边界条件，可得到温度条件，边界条件可以交互修改，可以创建探针来获得详细数值。

（3）瞬态热研究（图10）

图10 瞬态热研究

针对时间相关的热模拟，可持续更新结果，可以用探针查看结果的图表，瞬态温度图可以导出为文本，可以在稳态和瞬态之间切换。

（4）支持多实体

Creo Simulation Live支持结构，热，模态和CFD 研究，材料可以分配给每个实体，如图11 所示。

图11 Creo Simulation Live 支持多实体

（5）探针值的行为建模研究

如图12 所示在Simulation Live树中，探针可以另存为参数，用于敏感性研究和优化/可行性研究。

图12 支持探针值的行为建模研究

2、Creo ANSYS Simulation扩展

从获得方向性指导转变为获取更丰富的功能，从而对用户的设计进行高保真验证。借助Creo ANSYS Simulation扩展，用户现在可以直接在Creo 内使用成熟的ANSYS 求解器，轻松执行结构、模态和热分析，如图13 所示。其优势和功能包括：

图13 Creo7.0 支持ANSYS Simulation 扩展

◎自动网格和接触，带有更详细定义的选项。

◎支持实验设计。

◎与Creo Simulate 进行交换分析。

◎支持所有的结构力/约束和热改正。

◎支持理想化（质量、弹簧、壳体和梁）。

◎支持计算和快速结果。

三、多实体设计

多实体设计允许用户自由高效地处理单一零件中接触或重叠的几何结构，从而显著提高用户在构建复杂几何结构时的设计效率。除了显著提高整体设计效率，它在创成式设计、增材制造和为注塑件进行多材料二次成型设计方面也至关重要。具体功能包括：

◎在实体作为设计工具的情况下使用布尔运算和分割功能。

◎几何多实体上的柔性建模功能。

◎支持创成设计、增材制造、仿真高级设计场景。

◎注塑成型与多材料零件。

◎具有多实体概念的主模型方法。

◎钣金中的上下文设计。

◎数据交换工作流支持。

通过多实体设计，用户可以优化更高效、更灵活的零件设计工作流，以提高生产率；同时，减少了切换到基于曲面/面组的工作流和装配的需求；简化的工作流程，可在设计零件的“上下文”中定义求差/型腔几何；在“主模型”的上下文中进行设计，从而可以轻松地可视化和细化派生几何；单体和多体零件的快速后期设计更改，轻松编辑包含或由导入数据定义的实体。

四、增材制造/CAM

当今的3D 打印技术与20年前不可同日而语，能胜任大批量制造，几乎可与数控机床比肩，Creo7.0 软件提供了一站式的3D 打印设计方案，克服了从零件三维设计、轻量化、性能仿真和打印准备的各种技术障碍，一个软件解决了以往四个软件才能解决的问题，如图14 所示

图14 Creo7.0 软件提供了一站式的3D 打印设计方案解决四大技术障碍

Creo7.0 软件能够自动判断产品是否可打印，建议支撑形状最少化的零件摆放姿态，自动设计免支撑结构形状，这样最少化或避免后期手工打磨工作量，Creo7.0 新增一种随形晶格算法，特别适合吸声、减震零件场景和人体骨骼在其内生长的医用零件制造场景，如图15 所示医用假体零件。

图15 医用假体零件

在经济全球化，充分竞争的当今市场，加快产品上市并提供差异化的创新品质是制造业的重中之重，融合A I 人工智能、并行计算和3D 打印等前沿技术的Creo 7.0 能让零经验工程师也快速的做出好设计，为企业降低研制成本，抢占市场先机助一臂之力。

Creo 提供了全面的增材制造功能集。Creo 7.0 增强对随机晶格的支持功能，能够识别和跟踪棱柱形状的边缘。从传统加工角度，实现了对瑞士型车削机器的支持，所以用户可以在铣削/车削工作中心选择瑞士型车削，而无需手动添加自定义命令。具体新增功能包括：角剖分算法。

◎引入了随机网格的德劳内三

◎使用B-REP 和非B-REP 几何的自定义晶格类型。

◎定义引用多实体对象的晶格结构。

◎支持瑞士型车削机器。

◎其优势包括增强医疗植入物、化学工艺、过滤、吸声和减震等，可快速生成自定义晶格以及能够为各个实体分配不同的打印构建处理器。

五、生产力功能增强

Creo 7.0 与之前每个版本一样，增强了重要的核心生产力，帮助用户更快地设计更好的产品。新的功能包括增强的草图工具、对2D 镜像的改进以及对草图工具的多个UI 改进。这些功能使Creo 更直观、更易于使用，让每个用户的工作效率更高。