用數字化定義一個時代，西門子工業軟件迎接各種挑戰！

當數字化變革的潮流席卷全球之時，汽車行業的數字化創新顯得最為迫切，因為汽車產品在電氣化、智能化、輕量化等多種技術變革的顛覆之中亟待浴火重生。2019年3月22日，汽車測試網參加了2019 Simcenter測試技術周，同時在北京理工大學振動與噪聲控制實驗室，采訪了西門子工業軟件仿真與測試解決方案大中華區技術總監石銀明博士。

石銀明博士曾參與眾多工程項目，如ARJ21的起落架擺振，C919艙內噪聲的目標分解，J6解放汽車的虛擬臺架項目，東風日產啟辰T70項目等。此外，石銀明博士還是中國振動工程學會模態分會理事，中國汽車工程學會會員。曾是國外著名刊物 Journal of Sound and Vibration, Experimental Mechanics特約審稿人。


西門子工業軟件仿真與測試解決方案大中華區技術總監 石銀明博士

以下內容整理自媒體群訪內容：

西門子緊跟國家噪聲標準，提升噪聲舒適性

隨著經濟的發展，人們對于車輛的要求越來越高，大家也越來越關注車輛的安全性、噪聲舒適性等，一般對于車外的噪聲-通過噪聲，國家有非常嚴格的標準，中國、美國和歐盟的噪聲標準要求也都在不斷提高，西門子也一直緊跟這個標準。對于車內噪聲，雖然國家現在沒有標準，但大家對噪聲舒適性有更高的要求，同時有市場競爭，所以標準一直在提高。

另外，以前我們只關心噪聲的舒適性，現在人的要求更高了，要求噪聲帶有品牌效應，例如某些摩托車的聲音，即使在很遠的地方，聲音傳來就知道是什么品牌。所以現在對噪聲的要求越來越高，從噪聲的舒適性，到噪聲變成一個品牌，這需要仿真與測試去設計噪聲，聲音是可以設計出來的。特別是純電動汽車，去掉了發動機，就等于去掉了最大的聲源，整個汽車很安靜，這對行人來說很危險。所以，還要制造出來一些噪聲來，既能提示行人注意安全，又要滿足國家標準。噪聲是無處不在的，或者說聲學是無處不在的，可以利用聲學做很多事情。

數字化雙胞胎虛實結合，動態發展

數字化雙胞胎的概念目前也比較火熱，在20年前，我們叫計算，后來叫仿真，再后來叫虛擬樣機，現在叫數字化雙胞胎。從歷史演變過程中，可以看到計算的內涵是最小的，仿真的內涵要高一些，但是內涵不夠寬。虛擬樣機這個概念提出來后，“仿真”的概念進一步擴大。但是虛擬樣機這個概念有兩個問題，一個是虛擬樣機太強調“虛”，“實”沒有體現出來。第二個缺陷，虛擬樣機是一個靜態的概念。實際上數字化雙胞胎這個概念剛好彌補了前面的缺陷，數字化雙胞胎至少包含三層含義，所謂的數字化雙胞胎一定要有一虛一實，要虛實結合。

數字化雙胞胎這個概念包含了一層含義：所有產品的設計一定是三個維度的。
第一個維度是產品本身，例如整車、動力總成、變速箱或某些齒輪。
第二個維度是產品屬性，例如振動噪聲的屬性、燃油經濟性屬性、疲勞耐久的屬性及安全性的屬性。
第三個維度是時間軸，是產品研發階段的維度，從需求模型開始，到概念模型，到設計，到虛擬試驗，到實物試驗，在不同的研發階段目的不一樣，輸入不一樣，輸出也不一樣，模型的顆粒度、精細程度也不一樣。

所以數字化雙胞胎有一系列不同的產品對象，例如是整車還是子系統，或是零部件；有不同的屬性，例如是振動噪聲的屬性、疲勞耐久的屬性；有不同研發階段，例如是在概念設計，還是后面的詳細設計，或是批產之后。整個不同的對象、不同的屬性，在不同的研發階段一系列的模型組成數字化雙胞胎，一定是一系列的。一系列的虛擬樣機組合在一起，我們叫數字化雙胞胎。數字化雙胞胎不是一成不變的，一定是動態的，這是虛擬樣機概念包含不了的。

第三個概念是，由于數字化雙胞胎里面有一系列在虛實之間不斷交換的虛擬樣機，所以這些不同階段、不同顆粒度的模型之間一定是關聯的。早期的技術狀態變更會影響到后面的模型性能，所以就要求數字化雙胞胎是能被管理起來的，這是很重要的。以前在虛擬化樣機里面往往體現不了這一點，這是數字化雙胞胎的三層含義。

當然數字化雙胞胎在將來的用途非常大，我在幾周之前聽到一位國內非常有名的做工程機械的高層談到：“我們將來給別人交付產品，除了交付一個實物以外，還要交付虛擬的一個數字化雙胞胎。”這樣做的一個好處是可以體現研發能力，把競爭對手排在外面。另一個好處是，例如我們交付的產品是汽車，在使用過程中，如果客戶還有一個數字化雙胞胎，就可以基于虛擬的數字化雙胞胎去進行基于模型的維護、故障評估以及故障監控，這些都是數字化雙胞胎將來的作用。

主動聲控制和智能化NVH成為行業發展趨勢

一般要解決振動的問題，很多人會被動的改結構的剛度、重量，上面鋪阻力材料增加一些隔聲，去減振降噪，這是被動的減振噪聲辦法。

汽車將逐漸成為一個移動智能終端，為什么？因為車里面有很多的傳感器，有很多的電控單元。我們在5年、10年之前，車里面可能也有幾十個電控單元，那個時候是圍繞機電產品，里面放一些嵌入式的硬件、軟件。“嵌入”這個詞說明它是附屬的，主要的還是機電產品。如今，在設計汽車的時候，更少關注結構，重點會集中在軟件、信息處理、傳感和環境感知。所以汽車從機電產品變成一個移動智能終端，這個趨勢是非常明顯的。我們以前為什么被動的做振動降噪？第一，是因為當時的環境感知，就是傳感器這部分比較弱。第二，實時的處理能力比較弱，比如說我敲一下桌子，大家聽到噪聲，我要很快把聲音消下去，意味著傳感器或者是麥克風聽到這個聲音以后，馬上把信號給處理器，處理器很快給出控制指令，在這個結構上加一個反向載荷，相位相反的抵消，實際上是主動消聲、主動減振的效果。以前要求一定要做到實時概念，信號輸入馬上有輸出，不要有延遲。以前的處理能力很差，如果我們要算一個一秒鐘的事件，仿真的時候可能需要一個小時。那個時候沒有辦法進行實時控制。現在我們有很強大的中央處理器單元，它可以把環境感知、信息融合技術很快地生成控制指令，得到非常合適的控制策略，傳給作動器進行消聲。當然作動器有很多種，其中一種是壓電陶瓷，給它一個電信號，會引起它的結構變化，會產生一個力，這個力可以跟外部的力進行相位相反抵消，達到減振降噪的目的，這個需要非常強的中央處理器單元。

還有一些主動消聲的方式，比如說我在這里說話，整個室內有聲場，如果此時有很好的傳感器可以檢測到聲場，它會生成一些高級控制算法，給另外一些揚聲器發出指令，讓揚聲器發出來的聲音和我說話的聲音相位相反，互相抵消，實現主動消聲。很多人都在朝這個方向努力，但是真正用起來也就是最近十年左右。這是未來發展非常大的趨勢，目前來說一個是環境感知的能力，一個是芯片計算能力，可以實時去做控制策略的優化。

飛機起降的時候噪聲是特別大的，讓耳膜很難受。有一款耳機戴上去之后就能生成相位相反的聲音，讓人很舒服，這就是主動消聲商品化了。但是因為耳機只是一個點，很容易生成相位相反；如果是一個場，比如說在車里面，要考慮的就不僅僅是國家標準，還要考慮一些主觀指標，例如語音清晰度、聲音陡峭度、聲音響度，跟心理聲學相關，要讓它主動去消聲，因為它是一個場，難度大一些，但是很多地方都在朝這個方向努力。

另外，我們現在在汽車里面，直流電通過逆變器變成交流電，交流電給很多的電機供電，這些都是非常大的噪聲源。如果要被動地改這些噪聲源的結構，例如之前有一款車，我們被動地改車的結構，效果很差，后來改的是逆變器的控制策略。因為逆變器的控制策略算法不完美，導致逆變器的三相交流電相位在抖動，會引起電機工作不穩定，產生噪聲。所以最后，我們調整了逆變器的算法。這是非常典型的一個案例，很多結構在開模之后，到了后期沒有辦法修改，或者修改的成本非常高的時候，可以考慮修改控制策略、控制參數，考慮主動降聲的辦法，會得到很好的效果，這絕對是一個大趨勢。

同時5G技術會解決兩個瓶頸問題，大家在實驗室看到的采集過程是有傳感器的技術在內的，把一些有物理意義的噪聲振動信號變成電信號，或者是變成數字信號。通過ADDA的轉換，變成數字信號，這個技術發展也很快。5G出來之后會解決傳輸的問題，將來主動減振降噪、數據傳輸的速度越高，后面的技術會越好，發展前景也會更好。

中國的振動噪聲正在努力與國際接軌

回到2004年、2005年的時候，國內的振動噪聲是相當落后的。無論是從設備、軟件，還是人的經驗，或是做事的流程，都是嚴重缺乏。我一直跟大家講做振動噪聲的研發或者是廣義的研發，一定要有“PPT”。第一個P是要有優秀的人，人很重要。第二個P就是流程，把這個事有邏輯清晰的推下去，這個流程很重要。第三個T是工具，軟件、硬件、實驗室、臺架，都是廣義的工具。在15年之前，這真的是巨大的差距。但是經過這么多年的發展之后，國內的進步非常快，像很多的大的汽車廠都有了上千通道的測試系統。所以說工具這部分，國內進步是非常大的。

這么多年，西門子做了很多工程咨詢。我們跟客戶合作的模式可以有兩種，一是流程轉讓，幫客戶把問題解決了，然后把相關員工手把手帶出來，叫流程轉讓。二是可以為客戶進行流程審查，最后幫客戶繼續優化流程。通過這些服務就解決了第二個P（流程）的問題。

而針對第一個P（人才），跟國外比有兩個差距，一個是振動噪聲的從業人數還是不夠，這是巨大的差距。在以前，企業內負責振動噪聲部分的也就只有幾個人。現在振動噪聲細化到輪胎的噪聲有一個團隊，懸架的噪聲有一個團隊，底盤的噪聲有一個團隊，變速箱的噪聲有一個團隊，把整車零部件細化到每一個部件都有對應的團隊解決噪聲問題，做的非常細，意味著需要更多的人。國家的法規越嚴格，意味著振動噪聲研究越細，每一個零部件都是振動噪聲考慮的范圍，都需要一個團隊要把它做的非常極致，人這一塊的缺乏還是很明顯的。

另外，我深切的體會到國內做振動噪聲還缺少機制，這是我個人的想法。現在在OEM里面做振動噪聲的人，整個是圍繞工程、車型，實際上很多新技術、新方向、新手段和新工具往往不直接產生經濟效應。例如新能源汽車，涉及很多新的東西，需要有一個專門做研發的團隊，這個團隊并不一定馬上對車型有幫助，但是長期來講對企業發展非常重要，這一塊國內相對薄弱。很多基礎研究或是新技術、新方向的研究，都依賴于工程師的業余時間，或寄托于高校的教授。這一塊跟國外比還是有很大差距的。

我個人認為一個機構里面至少要有一個做新技術、新方向研究的團隊。一方面仰望星空，一方面腳踏實地。

目前互聯網公司造車非常熱，互聯網汽車這個方向本身非常好，但是振動噪聲可能是互聯網公司解決不了的。互聯網領域有一個很重要的特色是講究輕資產，把很多東西外包給專業的工程咨詢公司。國內的互聯網企業要追求輕資產，也會用到工程咨詢團隊、公司去做，這個方向是對的。要把一個團隊建立起來，流程和工具達到非常高的效率，不是一朝一夕能解決的，所以外包的形式是一個好的方向，但是也不能完全過分依賴于外包。作為OEM至少要知道怎樣給外包公司定指標，至少要知道怎樣去考核交付的結果是對還是錯。V字形的兩端定指標，開發可以外包出去，驗收部分自己把握，要把住V字形的兩端。當然要把握好這兩端也沒有那么容易，也需要時間。

西門子行業資源整合之路

西門子從2007年一路走來，收購了很多仿真跟測試產品。這些收購不是簡單的收購，其中很重要的目的是要進行整合。我們希望把CAD設計和CAE仿真這堵墻打掉，這是一類整合。這類整合體現于西門子工業軟件，大家知道UGS本身有CAD的基因，NX CAD里面有非常強的同步建模技術，包括非常好的CAD引擎。

第二類整合，怎樣把CAE和CAT整合。CAE仿真和試驗的整合體現在兩個層面，第一個層面是怎么樣把試驗的結果間接地用到仿真的環境里面去，去校準三維仿真模型，一維仿真模型，校準CFD的模型，讓我們的模型更準確。利用校準以后的模型去做大量的虛擬工況、危險工況、極端工況、重復工況以及非常昂貴的工況，這是間接地利用測試信息。

第二類是直接利用測試信息。舉個例子，做發動機的人在做發動機實驗的時候，只有發動機，變速箱、離合器、車身系統用模型，可以做虛實結合的試驗，可以在發動機上布置很多傳感器做試驗。類似這種在一個虛擬整車環境里面做的發動機的實物試驗，比孤零零的做一個發動機的試驗更準確、更有意義。沒有的那部分，用模型、仿真，這是仿真和虛擬直接相結合的。

還有一個層面——仿真也可以指導測試。Simcenter里面專門有一個軟件叫PreTest，在真正做實物測試之前，可以在模型里面去優化傳感器的布置方案，確保用最少的傳感器個數，測出盡可能多的模態。傳感器合理布置以后，感興趣的頻帶范圍里模態一個不漏的都測出來。很多年之前這些都是靠工程師的經驗，現在完全可以通過仿真去指導、優化。優化以后生成一個文件格式，這個文件直接可以導到Simcenter Testlab測試系統里面去，之后那些傳感器、激振器的布置方案就進去了，而且傳感器和激振器的座標位置XYZ，也不需要手動輸入，自動到測試系統里面去，這是CAE到CAT的整合。

再回到CAE仿真這部分，我們也做了很多整合，其中一個整合是多學科的耦合。回憶很多年之前，做強度的單獨做強度，做噪聲的單獨做噪聲，做燃油經濟性的單獨做燃油經濟性，隨著發展以后，整個系統之間都是交聯在一起的。我經常跟大家講如果是一個機械系統或者是一個機電產品，可以大致認為是線性系統，這個線性系統可以拆開各做各的，沒有問題。現在我們把車定義為移動智能終端，已經是緊緊耦合在一起的非線性系統，拆不開的。這意味著我們做仿真的時候，要考慮到機電的耦合、流固的耦合、熱疲勞的耦合、聲疲勞的耦合、聲固的耦合，包括控制和作動、被控對象這些耦合。我剛才講到駕駛模擬器，這個里面實際包含控制的部分。作動后給到被控對象，被控對象有虛擬傳感器回到策略控制器里面，它們之間的聯合要求越來越高，仿真這部分也進行了整合。

我舉一個具體例子——轉向系統。過去需要使很大勁才能轉動，現在方向盤輕輕動一下，車就轉方向了。轉向柱給轉角一個指令，電機帶動液壓系統，再帶動齒輪齒條，再帶動懸架輪胎的變化，這里面有作動有控制，還有被控對象。像這些耦合，是西門子工業軟件在Simcenter里面體現很多的。Simcenter 1D里面我們講機電、液、熱、控是一個多學科的系統集仿真平臺。Simcenter 3D是一個多物理場的仿真平臺，涵蓋強度、剛度、振動、噪聲、熱、流、疲勞耐久、復合材料等三維多領域、多學科的。我們的Simcenter Testlab也是類似的，里面有振動測試、噪聲測試、疲勞測試、環境測試、振動環境測試、噪聲環境測試、熱環境測試等等，整個Simcenter品牌，Simcenter 1D、Simcenter 3D、Simcenter Testlab都是在做多學科、多領域的耦合。以前車很慢，在車速80公里以下的時候，不太關注流體的噪聲，現在高速公路跑的時候，開個窗縫，聲音就很吵。這是非常典型的，由于流體的壓力脈動，引起車內很大的噪聲。傳統汽車的輪胎和電動汽車的輪胎寬度是不一樣的，會引起胎噪的噪聲水平差別很大。因為傳統汽車里面胎噪的噪聲，一方面被發動機掩蓋，另一方面傳統汽車的胎噪帶寬也有助于噪聲減弱。現在純電動汽車沒有發動機的掩蓋，輪胎寬度變化非常明顯，所以胎噪在輪胎里面也是很重要的。很多事情都需要我們從更深層次，通過耦合的方案解決。

用數字化定義一個時代，用軟件定義汽車的未來

隨著汽車的智能化發展，車企的研發正在由關注車本身向環境感知方向發展，如現在的“無人駕駛汽車”，要考慮到車和車以及車和周邊環境的感知，所以就需要有非常好的感知軟件來提供支持。西門子在這方面可以提供強大的仿真與實驗解決方案。

西門子創新中心有非常好的駕駛模擬器，可以將控制、模型、實物和環境結合在一起，是非常典型的虛實結合、人機互聯和數據驅動，例如車的發動機、變速箱、ABS、ESP、EPS，以上這些都是用一維的建模，而輪胎、懸架、底盤是用三維。PreScan作為視景，人、油門、方向盤、踏板是實物。我們將一個指令給到模型，模型可以算出車的運動姿態，運動姿態可以通過動畫的形式在視景里面顯示。同時，車的轉向、制動等姿態可以通過臺架實現。

最后，我想說的是西門子國內有非常強大的技術團隊，團隊內所有的工程師都來自于取得“985”、“211”大學的碩士以上學位的人才，還有很多海歸，大概有20幾位博士。相信西門子的產品、團隊以及專業的服務可以更好地提升國內汽車行業的發展。


Simcenter汽車測試技術周專題研討會


北京理工大學振動與噪聲控制實驗室

Siemens PLM Software
Siemens PLM Software是全球領先的產品生命周期管理（PLM）和制造運營管理（MOM）軟件、系統與服務提供商，擁有超過1,500萬套已發售軟件，全球客戶數量達140,000多家。公司總部位于美國德克薩斯州普萊諾市。Siemens PLM Software與企業客戶充分合作，為其提供領先的行業軟件解決方案，幫助其通過革命性創新獲得可持續性競爭優勢。

北京理工大學振動與噪聲控制實驗室
北京理工大學振動與噪聲控制實驗室始建于1985年，2010年更名為振動與噪聲控制研究所，現有專職工作人員8人，包括：教授1人，副教授6人。振動與噪聲控制研究所現有面積551平方米，包括萬元以上設備20臺。研究所于50年代開始在車輛行走機構和機械設備設計及車輛減振降噪方面進行研究。經過數十年的發展，已經擴展到特種車輛設計，履帶式車輛行動部分設計，輪式車輛懸掛系統設計，機械設備減振降噪等領域，涉及機械設備的振動和噪聲控制，人機與環境工程，動力吸振和隔振理論與應用，振動、沖擊、噪聲的測試技術，振動、噪聲的信號處理，結構振動和系統動力學分析，減振降噪材料及裝置，機械動態測試，機械設備故障診斷，航天運載工具動態分析等各個方面，在運載工具尤其是在裝甲車輛和航天飛船運載車等特種車輛的設計、強度分析、有限元計算、振動、噪聲實驗與動態分析研究方面做了大量的工作。