在可穿戴設備、VR/AR、私有無線網絡、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)。

無線充電器正如其名：它無需使用電源線即可為兼容電子設備的電池充電。只需將設備放在充電底座上，即可進行無線充電

一、袖中乾坤之痛（Shrinking Pains）——高科技行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

高科技行業(yè)的產品開發(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重要。這比以往任何時候都更為關鍵，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實（VR）和增強現實（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據。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，在不同的關鍵性能指標（KPI）之間找到最佳權衡取舍或將是一大難題。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：“還有一項技術挑戰(zhàn)就是設計能夠處理超高速現代數據速率的組件。”

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。

二、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，而無需承擔與構建和測試物理原型相關的成本。

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：

• 結構仿真：應力、應變、變形和斷裂等結構方面。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：結構的振動行為和聲音傳播。用例示例：識別產生嗡嗡聲的組件中的諧振現象。
  

仿真電容器振動的工作流程，對多物理學科協(xié)作的需求顯而易見。

即便在專業(yè)學科之間沒有直接聯系，設計權衡取舍通常也涉及平衡多種不同類型分析的結果。David指出：“USB連接器是一個非常典型的示例，一個關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參數等。但也有插槽彈片的結構單元，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。

如果您從結構角度更改某些東西，其可能會在電磁學層面產生非常大的影響，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衡取舍。”

四、MODSIM在設計的任何階段都能獲得結果

一體化建模與仿真（MODSIM）是一個將建模和仿真結合在一個共享數據模型上的概念。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據，從而在開發(fā)的最早期階段就能對數據進行分析。

Jonathan解釋道：“MODSIM可助力您從構思和需求一直到完整的虛擬原型階段實現全流程支持。當然，它還能幫助用戶開展互聯物理場仿真，因為物理場仿真可采用同一數據集和相同的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，確保達到最佳的權衡取舍。”

SIMULIA產品可以集成到3DEXPERIENCE平臺上的MODSIM工作流程中?？蔀檎麄€團隊提供“統(tǒng)一真實數據源”。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，經常會對團隊使用的模型版本產生混淆。”將所有模型和仿真數據都保存在同一位置，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?，數字線程可提供模型文件和仿真數據之間的強大鏈接。

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?？梢韵拗茖祿脑L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據。

五、結論

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據來加速開發(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權的敏感性。模型幾何結構與仿真數據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。