在可穿戴設備、VR/AR、私有無線網(wǎng)絡、5G乃至即將到來的6G等趨勢的推動下，高科技行業(yè)正在迅猛發(fā)展并不斷自我革新。制造商如果想要在這些趨勢中保持領先地位與競爭力，就會面臨巨大的挑戰(zhàn)。我們對幾位SIMULIA高科技行業(yè)專家進行了采訪，與他們共同探討了現(xiàn)代電子設計的挑戰(zhàn)，以及采用一體化建模與仿真（MODSIM）的多物理場方法如何幫助行業(yè)領先的制造商應對這些挑戰(zhàn)。

袖中乾坤的仿真難點——高科技行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

高科技行業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)具有與生俱來的復雜性。小巧輕便的設備中需要實現(xiàn)日益多樣化的功能與更強的性能。SIMULIA高科技行業(yè)流程總監(jiān)Jonathan Oakley表示：“由于復雜性的增加，失敗的風險也就更高。能夠一次性地讓首個原型成功工作變得至關(guān)重要。這比以往任何時候都更為關(guān)鍵，因為很多時候可能很難找出問題的根源所在，甚至難以解決問題?！?/span>

SIMULIA全球高科技行業(yè)流程專家Bryan Hurlbut指出：“從智能手表到虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）頭顯等可穿戴設備，正在給制造商帶來特別大的壓力，迫使他們尋找創(chuàng)新性的解決方案來最大限度地縮小尺寸和減輕重量。他以滑雪用智能手表為例指出，這款設備知道我在山上，它能分析出我的運動強度，并與每個纜車通信，告知我乘坐了多少次纜車，以及當天的垂直滑雪距離是多少。該款設備包含各類不同的天線：5G、藍牙、GPS，它們與周遭環(huán)境交互為您提供所需的數(shù)據(jù)。將如此眾多功能匯聚于一塊手表上，還要確保它能夠可靠地運行，這就是諸多挑戰(zhàn)的根源所在?！?/span>

Bryan特別指出：“電池可能是設備中占用空間最大的單一組件，因此從物理尺寸和性能角度進行優(yōu)化就極為必要?！?/span>

由于單個設備中包含非常多的組件，在不同的關(guān)鍵性能指標（KPI）之間找到最佳權(quán)衡取舍或?qū)⑹且淮箅y題。如果改善其中的一個子系統(tǒng)性能，這一變化很容易對另一個子系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響，不同組件和子系統(tǒng)之間的相互作用也可能很難進行量化。而且，為了保持競爭力并加快產(chǎn)品的上市進程，迅速打造理想設計的壓力便更加難以應對。

全球高科技行業(yè)流程專家David Johns補充道：“還有一項技術(shù)挑戰(zhàn)就是設計能夠處理超高速現(xiàn)代數(shù)據(jù)速率的組件。”

此外，復雜的設備需要復雜的全球供應鏈。地緣政治緊張局勢和其它意外事件正在推高能源、運輸和材料成本，這意味著制造商必須盡可能地降低成本。

什么是多物理場仿真？

仿真作為一種指導設計、優(yōu)化性能、識別和解決問題的有效方法，在業(yè)界已經(jīng)得到了廣泛采用。通過仿真設備的虛擬孿生，工程師可以分析設計的性能，而無需承擔與構(gòu)建和測試物理原型相關(guān)的成本。

有許多不同類型的仿真涵蓋了物理場的不同方面。其中包括：

結(jié)構(gòu)仿真：應力、應變、變形和斷裂等結(jié)構(gòu)方面。用例示例：確保設備能夠承受跌落和沖擊。

電磁仿真：設備內(nèi)部和周圍的場和電流。用例示例：優(yōu)化天線布局并減少干擾。

流體仿真：空氣或水等流體的行為，包括傳熱。用例示例：設計空氣冷卻系統(tǒng)。

振動聲學仿真：結(jié)構(gòu)的振動行為和聲音傳播。用例示例：識別產(chǎn)生嗡嗡聲的組件中的諧振現(xiàn)象。

許多場景都涉及到將不同的物理場領域耦合在一起：SIMULIA全球高科技行業(yè)高級專家Jingsong Wang舉了另一個振動電容器的例子：“電容器以PCB的諧振頻率振動，盡管它很安靜，但您仍可以聽到它的嗡嗡聲。如果我們將諧振移動幾赫茲，噪聲就會停止。所以諧振頻率對于消除噪聲極為關(guān)鍵。要對此進行建模，我們必須仿真電容器的電磁和壓電行為、PCB的諧振模式以及所輻射的聲音?！?/span>

即便在專業(yè)學科之間沒有直接聯(lián)系，設計權(quán)衡取舍通常也涉及平衡多種不同類型分析的結(jié)果。David指出：“USB連接器是一個非常典型的示例，一個關(guān)鍵方面在于將連接器零部件插入時相互接觸的引腳與簧片。它們涉及電磁設計方面的諸多考量，才能確保信號完整性，涵蓋TDR、阻抗、S參數(shù)等。但也有插槽彈片的結(jié)構(gòu)單元，這個力需要恰到好處，既能讓簧片插入引腳，又能提供足夠的夾持力。

如果您從結(jié)構(gòu)角度更改某些東西，其可能會在電磁學層面產(chǎn)生非常大的影響，反之亦然。因此，在這種情況下，物理場不會進行耦合，但它們會獨立地影響設計，并且也涉及到一些權(quán)衡取舍?！?/span>

通過虛擬認證加速監(jiān)管審批

Jonathan解釋道：“任何輻射設備都必須符合全球多個地區(qū)的法規(guī)要求，這一合規(guī)性必須在產(chǎn)品銷售前通過認證來證明。”獲得認證的傳統(tǒng)方式涉及向監(jiān)管機構(gòu)提供來自原型的測量數(shù)據(jù)。然而，對于復雜的設備而言，測試方案可能既耗時又成本高昂，5G手機中常見的波束成形系統(tǒng)可能需要在數(shù)百或數(shù)千種不同的場景中進行測試，以確保在任何情況下都不會超過干擾和比吸收率（SAR）的限制。

Jonathan補充道：“監(jiān)管機構(gòu)現(xiàn)如今對仿真結(jié)果進行虛擬認證的接受度日益提升，這一方法有望取代實體測試的測量結(jié)果。為了獲得受認證的真實結(jié)果，用戶需要使用所有天線來仿真整個設備?！?/span>

MODSIM，在設計的任何階段都能獲得結(jié)果

一體化建模與仿真（MODSIM）是一個將建模和仿真結(jié)合在一個共享數(shù)據(jù)模型上的概念。借助MODSIM方法，設計人員甚至在設計概念階段就能獲得仿真數(shù)據(jù)，從而在開發(fā)的最早期階段就能對數(shù)據(jù)進行分析。

Jonathan解釋道：“MODSIM可助力您從構(gòu)思和需求一直到完整的虛擬原型階段實現(xiàn)全流程支持。當然，它還能幫助用戶開展互聯(lián)物理場仿真，因為物理場仿真可采用同一數(shù)據(jù)集和相同的CAD幾何圖形開展工作。用戶可以同時處理所有的物理場問題，確保達到最佳的權(quán)衡取舍。”

SIMULIA產(chǎn)品可以集成到3DEXPERIENCE平臺上的MODSIM工作流程中。可為整個團隊提供“統(tǒng)一真實數(shù)據(jù)源”。David闡述道：“這方面的一大挑戰(zhàn)在于開發(fā)流程本身的低效率。如果企業(yè)在傳統(tǒng)上使用非常手動化的流程，經(jīng)常通過電子郵件傳送文件，每位分析師可能會針對自己的用途開發(fā)不同的分析版本。這很快就會失控，尤其是在多次設計迭代的情況下，經(jīng)常會對團隊使用的模型版本產(chǎn)生混淆?！睂⑺心Ｐ秃头抡鏀?shù)據(jù)都保存在同一位置，便可以確保所有人都使用相同的文件進行工作，并且模型的更新也可以自動傳播到所有團隊。此外，還可確?？勺匪菪?，數(shù)字線程可提供模型文件和仿真數(shù)據(jù)之間的強大鏈接。

當前的一些全球化開發(fā)團隊涉及到復雜的供應鏈，涵蓋多家上下游企業(yè)，這樣的團隊也可以通過MODSIM無縫開展協(xié)作。可以限制對數(shù)據(jù)的訪問以保護機密性和商業(yè)秘密，加密模型可在不泄露敏感幾何圖形信息的情況下用于共享集成分析的數(shù)據(jù)。

結(jié)語

要在快速發(fā)展的高科技行業(yè)中保持競爭力，制造商需要在降低開發(fā)成本和風險的同時更快地將創(chuàng)新性的產(chǎn)品推向市場。一體化的建模與仿真（MODSIM）通過在設計的最早期階段為設計人員和工程師提供所需的數(shù)據(jù)來加速開發(fā)，幫助他們做出明智的決策。多物理場仿真可用于對涵蓋多個物理學科的復雜系統(tǒng)行為進行建模，幫助工程師在相互沖突的設計需求之間找到最佳的權(quán)衡取舍。

通過在設計流程中實施MODSIM，制造商還可以優(yōu)化設計流程，確保整個團隊使用最新的文件開展工作，并自動傳播對設計做出的任何更改。相關(guān)文件可以與合作伙伴進行共享，同時保持機密性并保護知識產(chǎn)權(quán)的敏感性。模型幾何結(jié)構(gòu)與仿真數(shù)據(jù)之間的可追溯性能夠支持虛擬認證，可減少對物理測試的需求，提供更快、更低成本的監(jiān)管合規(guī)路線。

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