为什么高科技行业需要多物理场仿真？

面对可穿戴设备、VR/AR、专用无线网络和 5G 以及即将到来的 6G 等趋势，高科技行业发展迅速，并不断重塑自我。如果制造商想要在这些趋势中保持领先地位并保持竞争力，他们将面临相当大的挑战。我们与几位 SIMULIA High-Tech 行业专家讨论了现代电子设计的挑战，以及采用多物理场方法的建模和仿真 （MODSIM） 如何使领先的制造商能够应对这些挑战。

无线充电器完全符合它的承诺：它可以在不使用电源线的情况下为兼容电子设备的电池充电。只需将听筒带到底座上并留在那里即可。

收缩的痛苦 – 高科技行业面临的挑战

高科技行业建立在复杂性之上。越来越多的性能和功能被打包到小巧轻便的设备中。“由于复杂性，失败的风险更高，”SIMULIA 高科技行业流程总监 Jonathan Oakley 说。“能够首先让原型第一次投入使用非常重要。它比以往任何时候都更加重要，因为可能很难确定问题的原因，甚至很难解决问题。

SIMULIA 全球高科技行业流程专家 Bryan Hurlbut 指出，从智能手表到虚拟现实 （VR） 和增强现实 （AR） 头戴式设备，可穿戴设备都给制造商带来了特别的压力，他们需要寻找创新解决方案来最大限度地减小尺寸和重量。他以滑雪智能手表为例说：“该设备知道我在山上，它会告诉我我的运动速度是多少，它与每部电梯通信，告诉我我乘坐了多少次电梯以及当天的垂直滑雪情况。所有不同的天线（5G、蓝牙、GPS）都与你所处的环境交互，为你提供数据，把所有这些东西都打包进去，让它们都能可靠地通信，这就是驱动许多这些挑战的原因。

Bryan 特别指出，“电池可能是太空中最大的单一消耗者之一，因此从物理尺寸和性能角度进行优化是必要的。（有关更多信息，请参阅“为电子设备创新更好的电池”)

由于单个设备中有如此多的组件，因此在不同 KPI 之间找到最佳权衡可能是一项挑战。提高一个子系统性能的更改很容易对另一个子系统产生负面影响，但不同组件和子系统之间的交互可能难以量化。尽管如此，快速推出最佳设计以保持竞争力并更快地将产品推向市场的压力很大。

全球高科技行业流程专家 David Johns 补充道：“设计能够处理现代数据速率的超高速组件也存在技术挑战。

此外，复杂的设备需要复杂的全球供应链。地缘政治紧张局势和其他意外事件正在推高能源、运输和材料成本，这意味着制造商必须将成本保持在尽可能低的水平。

什么是多物理场仿真？

仿真在行业中已经很成熟，可以作为一种为设计提供信息、优化性能以及识别和解决问题的方法。通过仿真设备的虚拟孪生，工程师可以分析设计的性能，而无需支付与构建和测试物理原型相关的成本。

有许多不同类型的模拟，涵盖物理学的不同方面。其中一些包括：

结构模拟：结构方面，如应力、应变、变形和断裂。示例用例：确保设备能够承受跌落和冲击。

电磁仿真：设备内部和周围的场和电流。示例用例：优化天线放置并减少干扰。

流体模拟：流体（如空气或水）的行为，包括传热。示例用例：设计空气冷却系统。

振动声学模拟：结构的振动行为和声音的传播。示例用例：识别产生嗡嗡声的元件中的谐振。

许多场景将物理学的不同领域结合在一起：SIMULIA 全球高科技行业高级专家 Jingsong Wang 给出了另一个振动电容器的例子：“电容器以 PCB 的谐振频率振动 - 它很安静，但你可以听到它嗡嗡作响。如果我们将共振移动几赫兹，声音就会停止。因此，谐振频率对于阻止噪声至关重要。为了对此进行建模，我们必须模拟电容器的电磁和压电行为、PCB 的谐振模式以及辐射的声音。

模拟振动电容器的工作流程，显示了对多个物理学科的需求

即使学科之间没有直接联系，权衡取舍通常也涉及平衡几种不同类型分析的结果。David 以 USB 连接器为例：“一个关键方面是当您将连接器部件推到一起时，引脚和弹簧会相遇。它们具有重要的电磁设计信号完整性 – TDR、阻抗、S 参数等。但还有保持弹簧的结构元件，该力需要恰到好处，以减轻在销上滑动的弹簧，但提供足够的保持力。

“如果你从结构的角度改变一些东西，它可能会对电磁学产生太大的影响，反之亦然。所以在这种情况下，物理场不会耦合，但它们会独立影响设计，并且会有一些权衡。有关连接器设计的 SIMULIA 解决方案的更多信息，请参阅“使用建模和仿真进行高速连接器设计”.

通过虚拟认证更快地获得监管批准

模拟 5G 手机上的多个天线，用于 FCC 的虚拟 SAR 认证。

“任何辐射设备都必须符合每个地理区域的法规，这必须通过认证来证明，然后才能出售，”Jonathan 解释说。获得认证的传统方式包括向监管机构提供原型的测量数据。然而，复杂设备的测试机制可能既耗时又昂贵——典型 5G 手机中使用的波束成形系统可能会导致成百上千种不同的场景需要测试，以确保在任何情况下都不会超过干扰和比吸收率 （SAR） 限制。

“监管机构现在越来越多地接受仿真结果进行虚拟认证，取代了测试中的测量结果，”Jonathan 补充道。“为了获得真实的认证结果，用户需要模拟带有所有天线的整个设备。”要查看用于支持虚拟认证的模拟的真实示例，请参阅“5G 智能手机 FCC 认证模拟”.

使用 MODSIM 在设计的任何阶段获得结果

统一建模和仿真 （MODSIM）是建模和仿真组合在一个通用数据模型上的概念。借助 MODSIM，设计人员甚至可以在设计的概念阶段访问仿真数据，从而可以从开发的最早阶段对其进行分析。

“MODSIM 允许您从构思和需求一直到完整的虚拟原型，”Jonathan 解释说。“当然，它还允许你进行互联物理场，因为物理场仿真是在相同的数据集和相同的 CAD 几何体上进行的。您可以同时处理所有物理场，并确保实现最佳权衡。

SIMULIA 产品可以集成到 3DEXPERIENCE 平台上的 MODSIM 工作流程中。这是整个团队的“单一事实来源”。David 解释说：“主要挑战之一是开发过程本身的低效率。公司传统上使用非常手动的流程，通常会通过电子邮件发送文件，并且每个分析师可能会开发不同的版本供自己使用。它很快就失控了，而且经常会混淆你正在处理的模型版本，尤其是在多次设计迭代的情况下。将所有模型和仿真数据保存在同一个位置，可以确保每个人都使用相同的文件，并且模型的更新可以自动传播到所有团队。它还确保了可追溯性，数字线程在模型文件和仿真数据之间提供了强大的链接。

3DEXPERIENCE 平台上的 USB-C 连接器模型，允许协同设计和 MODSIM

即使是跨多家公司拥有复杂供应链的全球团队也可以与 MODSIM 无缝协作。可以限制对数据的访问以保护机密性和商业机密，并且可以使用加密模型来共享数据以进行集成分析，而不会泄露敏感的几何结构。

结论

为了在快速发展的高科技行业中保持竞争力，制造商需要以更低的开发成本和风险更快地将创新的新产品推向市场。统一建模和仿真 （MODSIM） 通过为设计师和工程师提供在设计的最早阶段做出明智决策所需的数据来加速开发。多物理场仿真可用于对涵盖许多物理学科的复杂系统的行为进行建模，并帮助工程师在相互竞争的设计要求之间找到最佳权衡。

通过在设计流程中实施 MODSIM，制造商还可以简化设计流程，以确保整个团队都使用最新文件，并且对设计的任何更改都会自动传播。可以与合作伙伴共享文件，同时保持机密性并保护敏感的知识产权。模型几何体和仿真数据之间的可追溯性允许进行虚拟认证，从而减少对物理测试的需求，并更快、更便宜地实现合规性。