النماذج الأولية الافتراضية

يُعدّ النموذج الأولي الافتراضي أسلوبًا مُستخدمًا في عملية تطوير المنتجات . وهو يتضمن استخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) والتصميم الآلي بالحاسوب (CAutoD) والهندسة بمساعدة الحاسوب (CAE) للتحقق من صحة التصميم قبل البدء في تصنيع نموذج أولي مادي. ويتم ذلك من خلال إنشاء أشكال هندسية (أجزاء) مُولّدة حاسوبيًا (عادةً ثلاثية الأبعاد)، ثم دمجها في "مجموعة " واختبار حركاتها الميكانيكية المختلفة، ومدى ملاءمتها ووظائفها. ويمكن فتح المجموعة أو أجزائها الفردية في برامج CAE كتوائم رقمية لمحاكاة سلوك المنتج في الواقع.

كانت عملية تصميم وتطوير المنتجات تعتمد في السابق بشكل أساسي على خبرة المهندسين وحكمهم في وضع التصميم المبدئي. ثم يتم بناء نموذج أولي مادي واختباره لتقييم أدائه. وبدون أي وسيلة لتقييم الأداء مسبقًا، كان من غير المرجح أن يلبي النموذج الأولي التوقعات. وكان على المهندسين عادةً إعادة تصميم المفهوم الأولي عدة مرات لمعالجة نقاط الضعف التي تظهر في الاختبارات المادية.

يواجه المصنّعون اليوم ضغوطًا متزايدة لتقليص وقت طرح المنتجات في السوق وتحسين أدائها وموثوقيتها. ويجري تطوير عدد كبير من المنتجات على شكل نماذج أولية افتراضية، حيث تُستخدم برامج المحاكاة الهندسية للتنبؤ بالأداء قبل بناء النماذج الأولية المادية. وبذلك، يستطيع المهندسون استكشاف أداء آلاف البدائل التصميمية بسرعة دون الحاجة إلى استثمار الوقت والمال اللازمين لبناء نماذج أولية مادية. وتؤدي القدرة على استكشاف نطاق واسع من البدائل التصميمية إلى تحسينات في الأداء وجودة التصميم. ومع ذلك، عادةً ما ينخفض ​​الوقت اللازم لطرح المنتج في السوق بشكل كبير، لأن النماذج الأولية الافتراضية تُنتج أسرع بكثير من النماذج الأولية المادية. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

يُغطي تصميم النماذج الأولية الشاملة جميع مراحل تصنيع المنتج أو المكون وتجميعه، ويربط نتائج هذه العمليات بالأداء. يتيح التوفر المبكر لهذه النماذج الافتراضية الواقعية إجراء الاختبارات والتحقق من الأداء بالتزامن مع اتخاذ قرارات التصميم، مما يُسرّع عملية التصميم ويُوفر فهمًا أعمق للعلاقة بين التصنيع والأداء مقارنةً بما يُمكن تحقيقه من خلال بناء واختبار النماذج الأولية المادية. تشمل الفوائد انخفاض التكاليف في كلٍ من التصميم والتصنيع، حيث يتم تقليل أو إلغاء النماذج الأولية المادية والاختبارات بشكل كبير، مع اختيار عمليات تصنيع فعّالة ومتينة. ^{[ 5 ]}

أفادت شركة الأبحاث "أبردين جروب" بأن الشركات المصنعة الرائدة، التي تستخدم المحاكاة على نطاق واسع في المراحل المبكرة من عملية التصميم، تحقق أهدافها المتعلقة بالإيرادات والتكاليف وتاريخ الإطلاق والجودة لـ 86% أو أكثر من منتجاتها. ^{[ 6 ]} وتصل الشركات المصنعة الرائدة لأكثر المنتجات تعقيدًا إلى السوق قبل 158 يومًا بتكاليف أقل بمقدار 1.9 مليون دولار مقارنةً بجميع الشركات المصنعة الأخرى. أما الشركات المصنعة الرائدة لأبسط المنتجات، فتصل إلى السوق قبل 21 يومًا بتكاليف تطوير منتجات أقل بمقدار 21,000 دولار. ^{[ 7 ]}

استخدمت شركة فيسكر أوتوموتيف تقنية النماذج الأولية الافتراضية لتصميم الهيكل الخلفي وأجزاء أخرى من سيارتها الهجينة القابلة للشحن كارما ، وذلك لضمان سلامة خزان الوقود في حالة الاصطدام الخلفي، كما هو مطلوب للحصول على شهادة معايير السلامة الفيدرالية للمركبات الآلية (FMVSS) 301. ^{[ 8 ]} كما استخدمت شركة أجيلنت تكنولوجيز تقنية النماذج الأولية الافتراضية لتصميم أنظمة تبريد رأس المعايرة لجهاز راسم إشارة عالي السرعة جديد . ^{[ 9 ]} واستخدمت شركة ميلي تقنية النماذج الأولية الافتراضية لتحسين تطوير آلات الغسيل والتعقيم الخاصة بها من خلال محاكاة خصائصها التشغيلية في المراحل المبكرة من دورة التصميم . ^{[ 10 ]} وتوفر العديد من حلول برامج الهندسة بمساعدة الحاسوب (CAE) (مثل Working Model وSimWise) إمكانية التحقق من فوائد النماذج الأولية الافتراضية حتى للطلاب والشركات الصغيرة، وتتوفر مجموعة من دراسات الحالة منذ عام 1996. ^{[ 11 ]}

• محاكاة التصادم
• تحليل العناصر المحدودة
• محاكاة حاسوبية
• النماذج الورقية