Scott Piper 通过 SIMULIA的仿真完善电磁学

SIMULIA 很高兴与工程领导者和学术界合作，因为他们利用仿真功能来帮助塑造行业的未来。今天，我们很自豪地邀请到汽车行业的电磁工程师、2023 年 SIMULIA 冠军 Scott Piper，他将介绍他如何使用仿真来应对电磁兼容性的独特挑战。

近年来，各行各业都发生了相当大的变化，但也许最根本的转变正在交通和移动出行领域发生。

“我们看到汽车行业的两场重大革命：使用不同推进系统的车辆电气化和自动驾驶的发展，自动驾驶使用传感器使汽车能够自行驾驶，”电磁工程师 Scott Piper 说。这两个领域都带来了把事情做得更好和实现以前从未做过的事情的机会。

为了将这些先进技术快速推向市场，制造商必须缩短工程开发周期。

“工程设计周期越长，我们将最新技术投入使用的机会就越少，”Piper 说。“如果我们花十年时间开发一辆汽车，那么这辆车将采用十年前的技术。同时，如果一家公司首先将特定技术推向市场，它就会为客户提供竞争对手所没有的东西。我们的目标是缩短设计周期，以便将最新技术交到人们手中。为此，我们需要找到一种方法来设计车辆并确保它们在短时间内满足所有要求。

左移工程周期

在许多情况下，一个主要障碍会阻止制造商达到他们需要的速度。

“许多汽车制造商目前的流程是制造一辆测试车，通常是手工制造，并使用不同级别的原型零件，”Piper 说。“然后他们测试这辆手工制作的车辆，以确保一切正常。如果没有，他们必须调整事情并找出问题所在。这是一个非常漫长且昂贵的过程。但是，如果工程师能够仅根据设计概念来确定好的设计还是坏的设计，而不必构建它来查看它是否有效，这将有助于更快地将产品推向市场。

统一建模和仿真 （MODSIM） 可以帮助车辆设计工程师做到这一点。通过在虚拟世界中测试、分析和修改车辆设计，他们可以在设计周期的早期发现并解决问题。这个过程被称为左移，可以大大减少获得正确设计所需的时间、成本和材料。

但对于 Piper 来说，左移不仅仅是建模和模拟车辆的可见组件。当您专注于电磁学等领域时，您正在处理看不见且通常是未知的属性。

“设计总是包括一些无意的方面——你并不真正想要的东西，但物理学说这些东西必须存在，”Piper 说。“这是我们面临的主要问题。”

一切都是天线

电磁兼容性 （EMC） 就是一个很好的例子。“如果你设计一些电气产品，它会发出一定程度的无线电波，这可能会干扰汽车内部的无线技术，”Piper 说。“EMC 着眼于这些电子元件与电磁波之间的相互作用。”

例如，必须确保制动控制或动力转向电气装置在暴露于高水平射频干扰时（例如当车辆驶过无线电台时）能够正常工作。在车辆包含的所有电线和导管中，可能的 EMC 问题很复杂，而且通常是未知的。

“仔细想想，一切都是一根天线，”派珀说。“我们可能只将汽车的一根电线称为天线，因为我们设计了它来发挥这个作用。但所有其他布线，甚至轴、冷却液管路和汽车本身，都可能是天线。我们不知道这些天线拾取了什么频段，也不知道它们是否会带来一堆噪声或向外传输。通常，我们通过物理测试来发现这一点。

过去，该测试涉及用射频干扰轰炸物理产品，以确保它们仍然正常工作。

Piper 说：“可以遵循一些设计指南来降低 EMC 问题的风险，我们会尽可能提前这样做。“但是，如果不了解情况的所有物理特性，就很难确定地做到这一点。”

模拟以消除干扰

仿真为这幅图画带来了更多的知识。它为工程师提供了宝贵的信息，以便在构建产品之前创建符合 EMC 标准的设计。

“汽车中的任何特定电线都被设计为用于特定目的，而没有考虑其电磁特性，”派珀说。“使用电磁仿真工具，您可以量化这些随机结构在车辆内的行为。你可以确切地知道它们以什么频率调谐，甚至如何调整它们，以便它们以不同的频率调谐。

Piper 使用 SIMULIA 的 CST Studio Suite 技术来捕获车辆的几何方面（所有这些隐藏的天线），并找出无意交互的电磁特性。这有助于确保车辆通过物理测试，而无需耗时且昂贵的重新设计和重建。

“我已经使用 CST 产品很长一段时间了，”Piper 说。“对于 EMC 工作来说，拥有一个能够轻松解决宽带问题的工具非常有价值。您运行一次仿真并获得完整的频谱，而使用其他方法，您可能必须单独仿真每个频率。我真的很喜欢 CST 有一个集成电路求解器的事实。在模拟导线时，导线末端的载荷会有所不同。使用集成电路求解器，您可以仿真整个机械件，然后使用后处理设计工作室更改导线末端的负载。

揭露未知

仿真使 Piper 能够尝试不同的场景，并了解有关车辆电磁特性的更多信息。但是，由于涉及如此多的未知因素，很大程度上取决于提出正确的问题。CST Studio Suite 如何帮助 Piper 破译这些未知量？

“很多人说仿真 EMC 是不可能的，因为有太多的未知因素，”Piper 说。“当你设计一个天线在特定频率下工作时，你就是在让一切都是有意为之的。使用 EMC，您可以获得所有这些您不想要的交互，并且必须弄清楚它们是否会导致问题。这是非常开放的，这是仿真程序难以做到的。

提出正确类型的问题是有帮助的，即使您不确切知道需要问的问题。

“提出可以产生具体答案的问题很重要，”Piper 说。“仿真非常擅长验证想法或找到特定问题背后的理论基础。它不太擅长回答一般性问题，例如是否存在问题。

在需要更明确的地方，在人与技术之间交流想法通常可以突出重点，并导致发现获得所需结果所需的改进。

改变开发思维方式

压缩工程周期不仅仅是在现有流程中添加仿真。

“当前的设计周期倾向于在最后对所有东西进行物理测试，因为这是最简单的，”Piper 说。“例如，从电气的角度来看，你不能让发动机控制器在没有发动机的情况下自行工作。你需要一些东西来代表发动机、火花塞和其他所有东西。

这意味着，当有人要求 Piper 进行虚拟测试时，他们通常希望他运行物理测试的模拟。但是，尽管这是完全可能的，但物理测试的优势和劣势与模拟并不相同。

Piper 说：“我们需要问问自己，仿真如何帮助我们区分好设计和坏设计，而不必担心我们一直处于物理测试中遇到的情况。“因为模拟一整辆车，同时模拟所有这些未知因素，可能还不可能。但是，如果您一次模拟一个部分并在此过程中优化它们，那是可行的。这就是我们需要成长的心态。

迈向有意识的设计周期

展望未来，Piper 认为汽车行业有很多值得兴奋的地方。仿真是一个关键的推动因素。

Piper 说：“电气化和自动驾驶汽车将推动需求，要求尽快将最新技术上路，而不是将其锁定在某个设计-建造-测试周期中数年。“此外，软件定义汽车，公司构建一个硬件平台，然后用软件对其进行调整，将推动许多必须非常迅速发生的变化。所有这些都意味着汽车制造商将有更少的时间花在车辆上以确保其按预期工作。

因此，测试将发生转变，物理测试将逐渐进入工程周期的尾声，而仿真将更早地取而代之。当这种情况发生时，将出现一个更短、更有目的性的设计周期。

“我们将能够更有意图地进行设计，并更多地了解我们正在做的事情，”Piper 说。“像 CST Studio Suite 这样的工具可以为我们提供以前没有的信息。这是未来最重要的事情 - 即使对于像 EMC 这样的棘手领域，也要有一个有意识的设计周期，因为其中许多输入和元素都是无意的。仿真将帮助我们了解我们试图设计的所有这些未知因素;设计出满足我们为其设定的所有要求的车辆。然后我们将对其进行正式测试，并确认一切都按预期发生。如果我们了解一切，我们将设计出第一次就能通过测试的车辆。