預測工程分析 (PEA) 是制造業的一種開發方法，有助于設計復雜的產品（例如，包含智能系統的產品）。它涉及新軟件工具的引入、它們之間的集成以及模擬和測試過程的改進，以改善處理不同應用程序的分析團隊之間的協作。這與智能報告和數據分析相結合。目標是讓仿真驅動設計，預測產品行為而不是對可能出現的問題做出反應，并安裝一個流程，讓設計在產品交付后繼續進行。

在經典的開發方法中，制造商提供離散的產品代。在將這些產品推向市場之前，他們使用了廣泛的驗證和驗證流程，通常是通過結合多種模擬和測試技術。但是，在查看產品如何發展時，這種方法有幾個缺點。汽車工業、航空航天工業、海洋工業或任何其他機械工業的制造商都面臨著類似的挑戰：他們必須重新設計他們的設計方式，才能交付客戶今天想要和購買的東西。

產品除了機械之外，還包括更多的電子、軟件和控制系統。這些有助于提高多項特性的性能，例如安全性、舒適性、燃油經濟性等等。使用經典方法設計此類產品通常是無效的。現xxx發過程應該能夠從設計周期的一開始就針對所有功能要求（包括物理方面）預測整個系統的行為。

為了降低成本或節省燃油，制造商需要不斷考慮采用新材料和相應的制造方法。這使得產品開發更加復雜，因為工程師不能再依賴他們數十年的經驗，就像他們在使用傳統材料（如鋼和鋁）和傳統制造方法（如鑄造）時所做的那樣。復合材料等新材料在結構行為、熱行為、疲勞行為或隔音等方面表現不同，需要專門的建模。

最重要的是，由于設計工程師并不總是了解使用這些新材料所帶來的所有制造復雜性，因此制造的產品可能與設計的產品不同。當然，所有更改都需要跟蹤，甚至可能在制造后需要進行額外的驗證迭代。

今天的產品包括許多傳感器，這些傳感器允許它們相互通信，并向制造商發送反饋。基于此信息，制造商可以發送軟件更新以繼續優化行為，或適應不斷變化的操作環境。產品將創造物聯網，制造商應該參與其中。設計的產品永遠不會完成，因此在使用產品時應該繼續開發。這種演變也被稱為工業 4.0，或第四次工業xxx。它對設計團隊提出了挑戰，因為他們需要快速做出反應并根據大量數據做出行為預測。

產品可以擁有的終極智能是它記住操作員的個人行為，并將其考慮在內。通過這種方式，它可以例如預測某些動作、預測故障或維護，或者以自我調節的方式優化能源消耗。這需要產品本身內部的預測模型，或通過云訪問。這個應該運行得非常快，并且應該與實際產品完全相同。它需要創建一個數字雙胞胎：產品的復制品，在其整個產品生命周期內保持同步。

今天的消費者可以輕松獲得在世界任何地方設計的產品。這給上市時間、成本和產品質量帶來了巨大壓力。這是一個已經持續了幾十年的趨勢。但隨著人們在網上做出越來越多的購買決定，它變得比以往任何時候都更加重要。可以在全球范圍內輕松比較產品的價格和功能。當產品質量不是最佳時，論壇和社交媒體上的反應可能非常嚴峻。這是因為在世界不同地區，消費者有不同的偏好，甚至適用不同的標準和法規。
因此，現xxx發流程應該能夠將非常本地化的需求轉換為全球產品定義，然后應該再次在本地推出，可能由當地分支機構的工程師完成部分工作。這需要一個從需求定義開始的全球運營產品生命周期管理系統。并且設計過程應該具有有效預測產品行為和質量以滿足各種市場需求的靈活性。

應對這些挑戰正是產品開發預測工程分析方法的目標。它指的是工具部署和流程良好對齊的組合。制造商逐漸部署以下方法和技術，直到他們的組織允許并且他們的產品需要它：

在這種基于多學科仿真的方法中，全局設計從一開始就被視為相互交互的子系統的集合。從很早的階段開始，所選擇的架構就同時針對所有關鍵功能性能方面進行了虛擬測試。這些模擬使用可擴展的建模技術，因此可以在數據可用時對組件進行細化。關閉循環發生在 2 個級別：

• 與控制系統同時開發機械部件
• 包含在用產品的數據（在繼續開發實際產品的情況下）

閉環系統驅動的產品開發旨在減少測試和維修。制造商實施這種方法是為了在xxx時間實現他們的設計夢想。

一維系統仿真，也稱為一維 CAE 或機電一體化系統仿真，允許對多域系統進行可擴展建模。通過連接經過驗證的電氣、液壓、氣動和機械子系統（包括控制系統）的分析建模模塊，整個系統以示意圖的方式呈現。它可以幫助工程師預測復雜機電一體化概念設計的行為，無論是瞬態還是穩態。
制造商通常提供經過驗證的庫，其中包含針對不同物理域的預定義組件。或者，如果沒有，專業的軟件供應商可以提供它們。使用這些，工程師可以很早地進行概念預測，甚至在任何計算機輔助設計 (CAD) 幾何可用之前。在后期階段，可以調整參數。
一維系統模擬計算非常有效。組件是分析定義的，并具有輸入和輸出端口。因果關系是通過將一個組件的輸入連接到另一個組件的輸出來創建的（反之亦然）。模型可以具有不同程度的復雜性，并且隨著它們的發展可以達到非常高的準確性。某些模型版本可能允許實時仿真，這在控制系統開發期間或作為內置預測功能的一部分特別有用。<

3D 仿真或 3D CAE 通常應用于比 1D 系統仿真更高級的產品開發階段，并且可以解釋 1D 模型中無法捕獲的現象。這些模型可以演變成非常詳細的表示，這些表示非常特定于應用程序并且計算量非常大。

3D 模擬或 3D CAE 技術在驗證和確認的經典開發過程中已經必不可少，通常通過加快開發速度和避免后期更改來證明其價值。3D 模擬或 3D CAE 在預測工程分析的背景下仍然不可或缺，成為產品開發的驅動力。軟件供應商通過在建模、流程和求解器方面添加新功能和提高性能，在增強方面付出了巨大的努力。雖然此類工具通常基于單個通用平臺，但通常會提供解決方案包以滿足某些功能或性能方面的需求，同時向應用程序垂直領域的用戶提供行業知識和最佳實踐。

由于閉環系統驅動的產品開發方法需要同時開發機械系統和控制，因此 1D 仿真、3D 仿真和控制算法開發之間必須存在緊密的聯系。軟件供應商通過為 de:Model 在環 (MiL)、軟件在環 (SiL) 和硬件在環 (HiL) 流程提供協同仿真功能來實現這一目標。

在評估潛在架構時，一維仿真應該與控制軟件模型相結合，因為電子控制單元 (ECU) 將在產品運行時實現和保持功能性能方面之間的適當平衡方面發揮關鍵作用。在此階段，工程師將設計目標逐級降低為子系統和組件的精確目標。他們使用多域優化和設計權衡技術。控制需要包含在此過程中。通過將它們與 MiL 仿真中的系統模型相結合，可以驗證和選擇潛在的算法。
在實踐中，MiL 涉及來自專用控制器建模軟件的虛擬控制與多物理系統的可擴展一維模型之間的協同仿真。這為概念和策略的調查以及可控性評估提供了準確性和計算速度的正確組合。

確定概念控制策略后，進一步開發控制軟件，同時不斷考慮整體全局系統功能。控制器建模軟件可以生成新的嵌入式 C 代碼并將其集成到可能的舊 C 代碼中，以便進一步測試和改進。

在全局、全系統多域模型上使用 SiL 驗證有助于預測代碼集成到硬件后從浮點到定點的轉換，并在代碼動作需要調整到操作條件時優化增益調度。

SiL 是一個閉環仿真過程，用于在其操作環境中虛擬驗證、改進和驗證控制器，并包括詳細的 1D 和/或 3D 仿真模型。

在控制開發的最后階段，當生產代碼集成到 ECU 硬件中時，工程師會使用廣泛的自動化 HiL 仿真進一步驗證和驗證。真正的 ECU 硬件與縮小版的多域全局系統模型相結合，實時運行。這種 HiL 方法允許工程師完成前期系統和軟件故障排除，以限制實際產品原型的總測試和校準時間和成本。

在 HiL 仿真期間，工程師驗證最終產品的監管、安全和故障測試是否可以毫無風險地進行。如果需要，他們會調查多個 ECU 之間的交互。他們確保軟件功能強大，并在任何情況下都提供高質量的功能。當用更詳細的版本替換實時運行的全局系統模型時，工程師還可以在過程中包括預校準。無論如何，這些詳細的模型通常都是可用的，因為控制開發與全局系統開發并行進行。

從驗證和確認發展到預測性工程分析意味著設計過程必須變得更加仿真驅動。物理測試仍然是該過程的關鍵部分，用于驗證模擬結果以及測試最終原型，這在產品驗收之前總是需要的。這項任務的規模將變得比以前更大，因為需要在一個可以結合多個物理方面以及控制系統的更加集成和復雜的測量系統中測試更多的條件和參數組合。

此外，同樣在其他開發階段，將測試和仿真結合在一個良好一致的過程中對于成功的預測工程分析至關重要。

模態測試或實驗模態分析 (EMA) 在純機械系統的驗證和驗證中已經必不可少。它是一項成熟的技術，已用于許多應用，例如結構動力學、振動聲學、振動疲勞分析等，通常通過相關性分析和模型更新來改進有限元模型。然而，上下文經常是故障排除。
作為預測工程分析的一部分，模態測試必須不斷發展，提供可提高仿真真實性并處理現代復雜產品的多物理性質的結果。測試必須有助于定義真實的模型參數、邊界條件和載荷。除了機械參數外，還需要測量不同的量。并且測試還需要能夠驗證多體模型和一維多物理仿真模型。一般而言，支持模擬的全新測試能力范圍（一些基于模態，一些不基于模態）變得很重要，并且在開發周期中比以前更早。

隨著復雜產品中參數的數量及其相互作用呈爆炸式增長，測試效率至關重要，無論是在儀器方面還是在關鍵測試用例的定義方面。測試和模擬之間的良好一致性可以xxx減少總測試工作量并提高生產力。

模擬可以幫助預先分析哪些位置和參數可以更有效地測量某個目標。它還允許研究某些參數之間的耦合，從而可以xxx限度地減少傳感器的數量和測試條件。

最重要的是，模擬可用于導出某些無法直接測量的參數。再次，模擬和測試活動之間的緊密結合是必須的。尤其是一維仿真模型可以為大量無法直接通過傳感器訪問的新參數打開大門。

由于復雜的產品實際上是不一定同時開發的子系統的組合，因此系統和子系統的開發需要更多的設置，包括部分硬件、部分仿真模型和部分測量輸入。這些混合建模技術將允許在開發周期的早期對系統行為進行真實的實時評估。顯然，這需要專門的技術作為模擬（1D 和 3D）和物理測試之間的良好一致性。

明天的產品將在交付后過上生活。它們將包括基于系統模型的預測功能、適應環境、將信息反饋給設計等等。從這個角度來看，設計和工程不僅僅是將想法轉化為產品。它們是貫穿整個產品價值鏈的數字線程的重要組成部分，從需求定義到使用的產品。

一方面關閉設計和工程之間的循環，另一方面關閉產品使用中的循環，要求所有步驟都緊密集成在產品生命周期管理軟件環境中。只有這樣才能實現需求、功能分析和性能驗證之間的可追溯性，以及支持設計的使用數據分析。它將允許模型成為實際產品的數字雙胞胎。它們保持同步，經歷相同的參數變化并適應真實的操作環境。