内容摘要：福特汽车公司的动力总成小组力图通过加强工程师、设计师和分析师之间的协同加快产品开发速度。
“对于福特公司管理团队来说，与众不同的一点就是CATIA解决方案能够集成各种计算机辅助工程（CAE）工具。同时他们认识到，它带来的效率的提高是相当显著的。”
——Jeffrey Bautz福特汽车公司动力总成分析设计和六西格玛(ADSS)经理
挑战
福特汽车公司的动力总成小组力图通过加强工程师、设计师和分析师之间的协同加快产品开发速度。
解决方案
福特汽车公司在使用CATIA的同时又引入SIMULIA的Abaqus，以提高计算机辅助设计(CAD)几何和计算机辅助工程(CAE)分析模型的集成度，开发CAD和CAE模板，使流程实现标准化，以提高产品开发速度。
效益
福特汽车公司正在全球范围内应用这个解决方案，节约大量时间，更好地平衡分析师和设计师的工作量，提高设计验证效率。
福特汽车公司的北美发动机工程组织拥有100多名CAD设计师和CAE分析师在动力总成分析设计和六西格玛部工作。该小组负责设计所有动力总成部件(包括气缸体和气缸盖、连杆、机轴、活塞、涡轮增压器和汽门机构)。
在最短时间内按六西格玛的质量水平开发最稳健的设计是一项挑战，其需要精准的部门间和部门内部的协作、强有力的工程工具和调整得当的流程。因此，福特汽车公司制定了一项全球性产品生命周期管理(PLM)计划，以提高产品开发效率和生产能力以及实现100%的几何兼容性。作为该项工作的一部分，福特汽车公司采取了一系列数字创新举措，其中一项就是数字汽车工程(DVE)，包括开发多个智能CAD模板和紧密集成CAE和优化模块。目标就是促进工程师、设计师和分析师在虚拟产品设计和验证环境下通力合作。
CAD和CAE集成
大约五年前，福特汽车公司决定在所有CAD建模工作中采用达索系统虚拟设计和产品创新品牌–CATIA解决方案。“对于管理团队来说，与众不同的一点就是CATIA解决方案能够集成各种CAE工具。”福特汽车公司动力总成分析设计和六西格玛(ADSS)经理Jeffrey Bautz说，“他们认识到，这两者的集成对效率提高是相当显著的。”
动力总成分析设计和六西格玛小组看到了潜在的价值，它是福特汽车公司内最先使用CAD/CAE综合解决方案进行生产的小组之一。该团队选择引入达索系统SIMULIA解决方案中的Abaqus软件，通过两个CATIA工作台(非线性结构分析工作台和热分析工作台)将Abaqus软件的有限元分析置于CATIA环境之中。
动力总成分析设计和六西格玛小组采用Abaqus软件将CAD和CAE集成到CATIA解决方案之中，大大加快了分析过程。CAE模型和CAD几何可容易地在一个界面内加以使用，无需进行数据转换，工作台可快速地实现多次交互。采用综合平台可以在几何和分析模型之间实现结合，消除各个步骤之间的延迟现象并简化工作流程。
模板开发
动力总成分析设计和六西格玛小组随后专注于开发可促成过程自动化的软件模板，使CAD和CAE流程实现自动化。
“以CAD/CAE综合模板作为我们数字汽车工程战略的一部分，我们能够加快初始几何和分析生成过程，这使CAE推动前期设计工作的开展，而不是在设计过程后期才进行验证。”
——Sassan Khoubyari福特汽车公司产品生命周期管理战略和实施经理
基于分析师的假设，小组成员要花费大量时间通过在物理测试数据和模型之间多次交互，才能实现开发和验证其方法。一旦假设得到验证，它的重用性可以确保一致且无需针对每个新模型重新创建。各个模板提供捕捉机制，使模型或模拟的条件和变量实现标准化。
一旦开发出用于构建复杂模型的方法，分析师仍须利用多个边界条件、接触单元和负载。单个模型存在250-300个不同的边界条件。在没有这些模板之前，大多数工作通过手工完成。动力总成中存在数以百计的部件和要对多次交互进行多项分析，需要花大量时间反复核对各个设计。通过这些模板，节省了时间并最大程度地减少人为因素导致的错误。
动力总成分析设计和六西格玛小组采用六西格玛方法为所有主要发动机部件开发价值流图。通过这些图，设定部件模板开发的优先级，最先考虑能够最显著地改进产品开发周期的模板。
由于油过滤器适配器的分析相对简单，能够快速完成并可充当模板试验场，该小组首先进行该项分析。他们亦选择一个更为复杂的项目–汽缸盖提升上部刚性分析，以检验CATIA解决方案处理复杂CAE模板的能力。这个分析模板包括：自动设置51个接触对和71个约束条件，创造参数化部件，缸盖螺栓的弹塑材料特性，对燃烧室表面进行几何分区和分组，以确定每个汽缸压力的网格边界。五个分析步骤：包括阀座的压配合，通过钢板用插销固定汽缸盖，在每个汽缸盖中施加最高燃烧压力。由于这两个分析模板是目前的生产程序且处于早期开发阶段(普遍存在多次交互)，他们是具有吸引力的候选模板。
通过CAD模板确定几何结构，CAE模板涵盖模拟的基本信息(包括网格、负荷和边界条件要求)。由于各个模板是相互连接的，CAE分析师能够轻而易举地更改主要参数，几何结构以及分析模型中的网格也会自动更新。
标杆效率和节约
通过两年的CAD/CAE集成，动力总成分析设计和六西格玛小组已经对所有主要部件创建了CAD模板并开始实现投资回报，预计将带来巨大的长期性影响。例如：
●根据CAD模板开发经理John Norcut的说法，油过滤器适配器的分析已经获得大幅提升。“通过消除CAD-至-CAE-至-CAD这个传送过程，我们在产品开发周期上总共节省三至四个星期。”Norcut说。
●负责CAE模板开发工作的CAE技术员Alex Tang说：“对于汽缸盖上部提升分析，以前，一名分析师要用一至两天时间设置这个模型；但自采用该模板和CAE模型之后，设置时间降至不到30分钟。”
●其它部件同样取得显著改进。以前，为了对啮合连杆进行动态分析，一名经验丰富的分析师要花去四至八小时。采用模板之后，假如CAD模板没有任何数据，只需10分钟即可完成。对于进气歧管破裂分析，网格生成时间由三个星期减少至大约两小时。对于连杆耐久性分析，网格生成时间由一周多缩短到仅仅几分钟。
未来
模板举措所实现的成果契合了福特汽车公司总裁和首席执行官Alan Mulally提出的旨在加快开发客户所需和看重新产品的“一个福特”计划。因此，目前福特汽车公司在全球范围内采用各项进步成果开展运营。
由于取得了这些成果，动力总成分析设计和六西格玛小组正在通过各种方式将更多分析工具集成到CATIA解决方案之中，包括SIMULIA的Isight优化软件。该工具提供灵活的可视化流程，使设计实现自动化以及确保最佳性能参数。
质量在转变中
CAE集成和模板将产生各种长期性影响，包括简化工作流程。CAD设计师和研发工程师(而非分析师)将能进行很多简单的分析。因而，分析师可以将更多的时间用在解决更难的问题(包括更高端的分析和新方法的开发，其需要经过高级培训和具备高级专长)。工作量的平衡进一步提高设计验证效率。在每种新方法中，该小组将无需进行硬件测试，从而节约大量时间。
如今，福特汽车公司的设计改进成果已经明显呈现，消费者成了最终的受益者。统计资料证明，在过去的三年当中，福特汽车至少在质量上与其主要竞争对手旗鼓相当。