德國為什么會提出工業(yè)4.0?答案是新技術使制造企業(yè)的生產形態(tài)發(fā)生重大變化。變化在于：過去的工業(yè)生產過程都是線性的，而現(xiàn)在的新型生產呈現(xiàn)出復雜的網(wǎng)絡化特征。
在全球競爭的環(huán)境下，制造企業(yè)必須要有更加靈活的制造和生產。如近期國內提出在民航研制前，有必要聽取駕駛員的意見。而在生產制造的前期，因網(wǎng)絡技術的突破也使得制造企業(yè)可以直接關注客戶需求，網(wǎng)絡平臺上客戶的創(chuàng)意正成為企業(yè)生產的重要組成部分。諸多因素決定，產品的生產前期就必須滿足客戶需求，而解決這樣的問題，借助網(wǎng)絡技術支撐的虛擬制造被推上了市場的前沿。
滿足復雜需求
西門子首席技術官魯思沃指出，今天的制造業(yè)企業(yè)只有滿足客戶更加復雜的需求，才能贏得市場。這樣的發(fā)展趨勢使得制造業(yè)面臨著前所未有的快速變化。網(wǎng)絡化生產和數(shù)字化制造正在成為決定成敗的關鍵。這也意味著信息技術和虛擬制造將越來越多地深入到制造企業(yè)當中，同時和各種各樣的其他技術實現(xiàn)集成。
以船舶制造為例。在船舶設計過程中，不僅要從大的方面著手關注船體的結構強度，而且還要滿足客戶日益嚴格的振動方面所要求的標準等。因為這些方面影響著乘客的乘坐舒適度、環(huán)境噪聲或武器和雷達平臺的穩(wěn)定性等要求。
其實，客戶的更復雜需求遠不止于此。對于虛擬制造環(huán)境下的船體模型畫出網(wǎng)格這樣的技術難題，客戶也需參與其中并驗證其虛擬技能的高低。船體模型的網(wǎng)格設計需要較高的虛擬技術。
基于虛擬環(huán)境下的船體有限元建模，采用默認的網(wǎng)格參數(shù)和理想化的模型是一個特別復雜的過程。而在這個過程中，還得滿足客戶理解設計者的真實意圖。磨合過程，可能涉及網(wǎng)格參數(shù)的調整和網(wǎng)格密度的增加。甚或，過濾船體結構上可以忽略的小孔特征及切口特征等。
涉及諸多層面
虛擬制造，既然要滿足客戶復雜的需求，那么就需解決制造領域以及領域內諸多技術層面的問題。為了便于說明問題，以企業(yè)用戶關注層面較多的復合材料為例講述虛擬制造涉及技術層面的問題，同時有望起到觸類旁通的效果。
眾所周知，復合材料在航空航天、汽車等領域具有巨大的市場空間。2014年8月，上海航天技術研究所副院長孟光指出，如果航天領域炭炭復合材料按照目前傳統(tǒng)材料均實現(xiàn)進口替代的樂觀預計，航天發(fā)動機、航天器/翼/艙體等市場價值將達到20億元。但是復合材料在制造工藝的環(huán)節(jié)，較普通產品會產生更大的影響。舉例來說，普通鋼經過鈑金、焊接，對于最后產品包括屈曲、斷裂等方面的性能影響有限。而復合產品由于它本身材料的復雜性，在制造工藝的環(huán)節(jié)所帶來的性能差異就會遠遠大于普通鋼。
可見，從產品設計的角度，復合材料會帶來諸多問題。但是面對產品要精細化的市場，不僅需要可靠性的設計，更需創(chuàng)新性的設計，這樣就對虛擬仿真提出了更多的需求和要求。只有對材料的工藝性能有更深入的了解，并通過多學科的性能仿真，以及多領域的集成優(yōu)化，方能讓產品達到綜合性能的提高。
而在對復合材料的虛擬仿真的研究過程中，因不同領域有不同的應用層面，涉及到的技術問題不盡相同。針對此類問題，ANSYS日本技術公司本部總經理王曉指出，因復合材料在制造諸多領域具有優(yōu)勢，所以復合材料的工藝仿真平臺就備受企業(yè)及其用戶推崇。
復合材料工藝平臺以復合材料設計和工藝流程為研究對象。在結構設計、鋪層設計、工藝仿真、工藝優(yōu)化等方面對復合材料工藝流程進行仿真分析。諸如其仿真分析涉及復合材料鋪層設計、壓力成型仿真分析、力學性能分析、熱壓罐工藝仿真等多方面。以熱壓罐工藝仿真平臺分析，其難點在于涉及復雜的流固耦合環(huán)境和材料固化相變過程。基于這種情況，應推出諸如企業(yè)的熱壓罐仿真算法與客戶化定制的材料數(shù)據(jù)庫和模型庫相結合的半定制專業(yè)復合材料熱壓罐仿真平臺的市場運作機制。
在具體的仿真分析過程中，某企業(yè)的案例是：基于流固耦合與流場、溫度場及樹脂固化動力學多場耦合分析，通過笛卡爾網(wǎng)格實現(xiàn)對罐內復雜結構環(huán)境的流固網(wǎng)格快速生產，用以模擬熱壓罐內的空氣流動、罐內流固區(qū)域的溫度分布及預浸料固化歷程等。并通過笛卡爾網(wǎng)格向結構化網(wǎng)格的映射，可將溫度場結果傳遞給復合材料結構分析軟件進行預浸料翹曲變形的分析。
推而廣之，虛擬制造是源于多向價值鏈的集成。它的愿景應是協(xié)同于制造企業(yè)的所有項目包括與產品開發(fā)的整個參與者的方案。其集成的多物理場(集流動、傳熱、電磁、結構、化學反應分析耦合于一身)、多向方案(碰撞安全解決方案、振動噪聲仿真方案、鈑金沖壓仿真方案、熱處理與焊接仿真方案、流體動力學仿真方案等)將是發(fā)展戰(zhàn)略。而多向研究方案還將融入用戶的最優(yōu)方法工作流。
試看今日，在虛擬制造的落地案例逐漸增多，虛擬模塊集成化程度逐漸增高、虛擬現(xiàn)實可視化設計制造決策平臺能融用戶于企業(yè)的愿景逐漸呈現(xiàn)之時，PLM因虛擬制造的助力將在產品研發(fā)前端發(fā)揮的作用越來越大，數(shù)字工廠的生產優(yōu)化、智能工廠的全局優(yōu)化都將因此受益。反過來，受此影響虛擬制造將會贏得更強勢的市場。
