制造业的数字化正在飞速发展。例如，虚拟原型 (VP) 不断减少（或者在某些情况下甚至消除）对物理原型的需求。VP 依靠强大的软件对组件、产品或系统进行极其详细的建模，然后通过调整反映真实操作条件的各种变量（例如运动学、动力学和控制）来进行测试。然后使用快速迭代过程将设计完善到近乎完美的状态，然后只需要一个或几个实体原型即可批准生产。

除了高质量和高性能之外，许多制造商的首要目标是缩短上市时间 (TTM)。VP 被用于越来越多的产品设计，以在构建物理原型之前预测性能并加快生产速度。工程师可以快速探索数千种设计选项来评估性能，然后再投入构建物理原型所需的时间和资金。系统性能可以通过几乎无限的方式进行测试和完善，直到创建出最佳模型，这大大减少了新产品开发的时间并加快了TTM。

 副总裁的优势

一旦设计出虚拟产品模型，就可以通过各种方式对其进行测试以优化性能，而无需先构建物理模型。这使得设计人员和工程师能够测量通常很难用仪器测量的微小元件的响应。

与标准原型设计相比，VP 的优点是：

在构建实际系统之前测试所有机械系统

测试时间更少

快速探索多种设计选项

优化产品质量、性能和寿命

降低运营成本

改善所有利益相关者之间的沟通和决策

加快 TTM

工程师的主要 VP 工具包括：

计算机辅助工程(CAE)模拟和优化产品设计和制造过程，并评估强度、温度、压力、耐腐蚀性和灵活性等关键变量。

有限元分析 (FEA)依靠强大的软件在原型制作开始之前评估设计的结构细节。它非常适合识别设计中可能导致失败或性能不佳的弱点。FEA 包括线性和非线性测试。

计算流体动力学(CFD)通过改变反映真实操作条件的变量来分析潜在的流体流动动力学。CFD 模拟热流体响应被测试产品或系统内变量变化的行为，尤其是虚拟实验和原型设计。

计算机辅助加工(CAM)允许设计工程师创建反映不同加工方法、工作流程、质量分析和测试设置的模拟。它可以在 VP 环境中使用物联网 (IoT) 技术和人工智能来确定特定产品的最佳加工工艺。

硬件在环 (HIL)测试在汽车行业尤其流行，其中来自控制器的真实信号连接到模拟驾驶条件的测试系统。快速测试和设计迭代可以评估数千种可能的场景，从而充分测试控制器，而无需进行实际的物理测试。

数字孪生是现实世界设备或系统的精确（或非常接近）数字复制品。数字孪生仅存在于虚拟域中，并通过虚拟操作来测试数千个“假设”场景，最终在进行任何昂贵的制造投资之前为特定应用定义最佳设计。在不久的将来，数字孪生可能很快就会成为 HIL 的可行替代方案。

副总裁的未来

零件、组件和成品不断变得更小、更复杂。制造商希望利用工业 4.0 技术，特别是高性能计算、物联网、人工智能 (AI) 和机器学习来测试和验证设计，从而大大加快产品上市速度。VP 有可能最终消除实际的原型设计。事实上，德国模拟和驾驶模拟器公司VI-Grade热衷于向零原型迈进，甚至举办了一年一度的零原型峰会。

虚拟原型已经创建得足够精确，可以投入生产，而无需物理原型供工程师持有、检查、测试和修改。当然，这取决于产品的复杂程度。

位于阿拉巴马州伯明翰的 Jackson Hedden Inc. 总裁 Jackson Hedden 表示：“一般来说，产品设计越简单，组件数量越少，就越容易通过虚拟原型进行生产。”工业设计公司。“相比之下，如果不先制作物理原型，那么生产具有多个组件（数十个或数百个）的产品将面临极大的风险。”

VP 的下一个进步很可能是人工智能驱动的，旨在提高在虚拟空间中完美定义对象或产品的能力，从而大大减少将其投入生产所需的原型数量。“一些公司在将产品变成现实之前创建了数百个原型，”赫登说。“我们发现虚拟原型设计可以将大量原型减少到平均一到三个原型。VP 允许设计师即时进行更改，并真正将项目整体可视化，以便几乎立即注意到任何缺陷。”

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