在可穿戴設(shè)備、VR/AR、私有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、5G乃至即將到來(lái)的6G等趨勢(shì)的推動(dòng)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(shì)中保持領(lǐng)先地位與競(jìng)爭(zhēng)力，就會(huì)面臨巨大的挑戰(zhàn)。我們對(duì)幾位SIMULIA高科技行業(yè)專家進(jìn)行了采訪，與他們共同探討了現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，以及采用一體化建模與仿真（MODSIM）的多物理場(chǎng)方法如何幫助行業(yè)領(lǐng)先的制造商應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

袖中乾坤的仿真難點(diǎn)——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(lái)的復(fù)雜性。小巧輕便的設(shè)備中需要實(shí)現(xiàn)日益多樣化的功能與更強(qiáng)的性能。SIMULIA高科技行業(yè)流程總監(jiān)Jonathan Oakley表示：“由于復(fù)雜性的增加，失敗的風(fēng)險(xiǎn)也就更高。能夠一次性地讓首個(gè)原型成功工作變得至關(guān)重要。這比以往任何時(shí)候都更為關(guān)鍵，因?yàn)楹芏鄷r(shí)候可能很難找出問(wèn)題的根源所在，甚至難以解決問(wèn)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(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）頭顯等可穿戴設(shè)備，正在給制造商帶來(lái)特別大的壓力，迫使他們尋找創(chuàng)新性的解決方案來(lái)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(shè)備知道我在山上，它能分析出我的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，并與每個(gè)纜車通信，告知我乘坐了多少次纜車，以及當(dāng)天的垂直滑雪距離是多少。該款設(shè)備包含各類不同的天線：5G、藍(lán)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(yùn)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(shè)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(jìn)行優(yōu)化就極為必要。”

由于單個(gè)設(shè)備中包含非常多的組件，在不同的關(guān)鍵性能指標(biāo)（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(gè)子系統(tǒng)性能，這一變化很容易對(duì)另一個(gè)子系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)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(jìn)行量化。而且，為了保持競(jìng)爭(zhēng)力并加快產(chǎn)品的上市進(jìn)程，迅速打造理想設(shè)計(jì)的壓力便更加難以應(yīng)對(duì)。

全球高科技行業(yè)流程專家David Johns補(bǔ)充道：“還有一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)就是設(shè)計(jì)能夠處理超高速現(xiàn)代數(shù)據(jù)速率的組件?！?/span>

此外，復(fù)雜的設(shè)備需要復(fù)雜的全球供應(yīng)鏈。地緣政治緊張局勢(shì)和其它意外事件正在推高能源、運(yùn)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(chǎng)仿真？

仿真作為一種指導(dǎo)設(shè)計(jì)、優(yōu)化性能、識(shí)別和解決問(wèn)題的有效方法，在業(yè)界已經(jīng)得到了廣泛采用。通過(guò)仿真設(shè)備的虛擬孿生，工程師可以分析設(shè)計(jì)的性能，而無(wú)需承擔(dān)與構(gòu)建和測(cè)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(chǎng)的不同方面。其中包括：

結(jié)構(gòu)仿真：應(yīng)力、應(yīng)變、變形和斷裂等結(jié)構(gòu)方面。用例示例：確保設(shè)備能夠承受跌落和沖擊。

電磁仿真：設(shè)備內(nèi)部和周圍的場(chǎng)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(shè)計(jì)空氣冷卻系統(tǒng)。

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

許多場(chǎng)景都涉及到將不同的物理場(chǎng)領(lǐng)域耦合在一起：SIMULIA全球高科技行業(yè)高級(jí)專家Jingsong Wang舉了另一個(gè)振動(dòng)電容器的例子：“電容器以PCB的諧振頻率振動(dòng)，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(dòng)幾赫茲，噪聲就會(huì)停止。所以諧振頻率對(duì)于消除噪聲極為關(guān)鍵。要對(duì)此進(jìn)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。”

即便在專業(yè)學(xué)科之間沒(méi)有直接聯(lián)系，設(shè)計(jì)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(gè)非常典型的示例，一個(gè)關(guān)鍵方面在于將連接器零部件插入時(shí)相互接觸的引腳與簧片。它們涉及電磁設(shè)計(jì)方面的諸多考量，才能確保信號(hào)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(gè)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(huì)在電磁學(xué)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(chǎng)不會(huì)進(jìn)行耦合，但它們會(huì)獨(dú)立地影響設(shè)計(jì)，并且也涉及到一些權(quán)衡取舍?！?/span>

通過(guò)虛擬認(rèn)證加速監(jiān)管審批

Jonathan解釋道：“任何輻射設(shè)備都必須符合全球多個(gè)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(guò)認(rèn)證來(lái)證明?！鲍@得認(rèn)證的傳統(tǒng)方式涉及向監(jiān)管機(jī)構(gòu)提供來(lái)自原型的測(cè)量數(shù)據(jù)。然而，對(duì)于復(fù)雜的設(shè)備而言，測(cè)試方案可能既耗時(shí)又成本高昂，5G手機(jī)中常見(jiàn)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(chǎng)景中進(jìn)行測(cè)試，以確保在任何情況下都不會(huì)超過(guò)干擾和比吸收率（SAR）的限制。

Jonathan補(bǔ)充道：“監(jiān)管機(jī)構(gòu)現(xiàn)如今對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行虛擬認(rèn)證的接受度日益提升，這一方法有望取代實(shí)體測(cè)試的測(cè)量結(jié)果。為了獲得受認(rèn)證的真實(shí)結(jié)果，用戶需要使用所有天線來(lái)仿真整個(gè)設(shè)備?！?/span>

MODSIM，在設(shè)計(jì)的任何階段都能獲得結(jié)果

一體化建模與仿真（MODSIM）是一個(gè)將建模和仿真結(jié)合在一個(gè)共享數(shù)據(jù)模型上的概念。借助MODSIM方法，設(shè)計(jì)人員甚至在設(shè)計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)全流程支持。當(dāng)然，它還能幫助用戶開展互聯(lián)物理場(chǎng)仿真，因?yàn)槲锢韴?chǎng)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(shí)處理所有的物理場(chǎng)問(wèn)題，確保達(dá)到最佳的權(quán)衡取舍。”

SIMULIA產(chǎn)品可以集成到3DEXPERIENCE平臺(tái)上的MODSIM工作流程中?？蔀檎麄€(gè)團(tuán)隊(duì)提供“統(tǒng)一真實(shí)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(dòng)化的流程，經(jīng)常通過(guò)電子郵件傳送文件，每位分析師可能會(huì)針對(duì)自己的用途開發(fā)不同的分析版本。這很快就會(huì)失控，尤其是在多次設(shè)計(jì)迭代的情況下，經(jīng)常會(huì)對(duì)團(tuán)隊(duì)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(jìn)行工作，并且模型的更新也可以自動(dòng)傳播到所有團(tuán)隊(duì)。此外，還可確保可追溯性，數(shù)字線程可提供模型文件和仿真數(shù)據(jù)之間的強(qiáng)大鏈接。

當(dāng)前的一些全球化開發(fā)團(tuán)隊(duì)涉及到復(fù)雜的供應(yīng)鏈，涵蓋多家上下游企業(yè)，這樣的團(tuán)隊(duì)也可以通過(guò)MODSIM無(wú)縫開展協(xié)作?？梢韵拗茖?duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)以保護(hù)機(jī)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(yǔ)

要在快速發(fā)展的高科技行業(yè)中保持競(jìng)爭(zhēng)力，制造商需要在降低開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)更快地將創(chuàng)新性的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。一體化的建模與仿真（MODSIM）通過(guò)在設(shè)計(jì)的最早期階段為設(shè)計(jì)人員和工程師提供所需的數(shù)據(jù)來(lái)加速開發(fā)，幫助他們做出明智的決策。多物理場(chǎng)仿真可用于對(duì)涵蓋多個(gè)物理學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)行為進(jìn)行建模，幫助工程師在相互沖突的設(shè)計(jì)需求之間找到最佳的權(quán)衡取舍。

通過(guò)在設(shè)計(jì)流程中實(shí)施MODSIM，制造商還可以優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，確保整個(gè)團(tuán)隊(duì)使用最新的文件開展工作，并自動(dòng)傳播對(duì)設(shè)計(jì)做出的任何更改。相關(guān)文件可以與合作伙伴進(jìn)行共享，同時(shí)保持機(jī)密性并保護(hù)知識(shí)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(rèn)證，可減少對(duì)物理測(cè)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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