明導:走向更高 針對汽車多媒體系統(tǒng)設計的熱模擬

 電子設計自動化技術的領導廠商 Mentor Graphics近日發(fā)布一份題為《走向更高!針對汽車多媒體系統(tǒng)設計的熱模擬》的研究報告。本報告最初發(fā)表于明導旗下刊物《Engineering Edge》，由大陸汽車集團的Uwe Lautenschlager 博士撰寫，中文版的報告全文可在 Mentor Graphics 的官方網(wǎng)站閱讀和下載：http://mentorg.com.cn/aboutus/view.php?id=242。

1.引言

國際汽車 OEM 廠商的系統(tǒng)供應商大陸汽車集團設有三個部門：底盤與安全系統(tǒng)部、動力總成系統(tǒng)部和車身電子系統(tǒng)部。車身電子系統(tǒng)部由四個業(yè)務單元組成：儀表與人機界面、信息娛樂與智能通訊、車身與安全和商用車與售后部件及服務。

信息娛樂與智能通訊業(yè)務單元的產(chǎn)品包括收音機、具備互聯(lián)能力的收音機和導航、多媒體系統(tǒng)、嵌入式車載智能通訊解決方案、車載無線通訊系統(tǒng)以及軟件與專用解決方案，尤其側(cè)重于娛樂、信息、導航和通訊。

具有音頻、導航、互聯(lián)網(wǎng)、電話、電視和后座娛樂功能的多媒體系統(tǒng)

汽車多媒體系統(tǒng)所面臨的一個最大挑戰(zhàn)是它們必須在各種環(huán)境條件下工作：

溫度介于-40oC～+100oC之間

范圍較廣的電源電壓(4.5～16.0伏)

疊加交流電壓

ESD%20污染過的環(huán)境(ESD%20=%20靜電放電高達+/-15kV)

各種濕度(0%～100%)

化學影響

具有嚴格的設計標準：

機械強度和穩(wěn)定性(靜態(tài)/動態(tài))：振動和機械沖擊

大小和重量嚴重受限

有關傷害(頭部碰撞)風險和產(chǎn)品責任的嚴格要求

2.全文要點與大綱如下：

a.一個遠不止物理原型設計的世界

設計滿足這些要求的系統(tǒng)所要做的工作比設計完成之后的物理原型設計多得多。事實上，大陸汽車的模擬愿景是“只需一次就打造出理想中的產(chǎn)品”(Get%20the%20%20Product%20Right%20the%20First%20Time);他們的戰(zhàn)略是通過“依托模擬做出設計決策”實現(xiàn)這一愿景。因此，模擬現(xiàn)已高度整合進設計流程。

大陸汽車采取全方位%203D%20系統(tǒng)級建模，模擬中包含所有熱相關部件以及氣流部件。幾何描述基于機械%20CAD%20數(shù)據(jù)，所有相關部件和模塊的輸出/輸入均來自%20CAD%20%20系統(tǒng)。然而，幾何描述可以實現(xiàn)簡化和理想化。使用的復雜性取決于模擬目標：使用較少的細節(jié)分析各種初步概念，而成熟設計的建模則包括更多細節(jié)。

b.“專業(yè)知識”--大陸汽車的競爭優(yōu)勢

大陸汽車已擁有大量與復雜電子系統(tǒng)和子系統(tǒng)(包括物理硬件和潛在的冷卻解決方案)熱模擬模型(FloTHERM%20模型)建立和驗證相關的內(nèi)部專業(yè)知識。

設計過程各階段各種未知情況、建模假設和簡化導致的不確定性通過驗證得以緩解，正如以下兩個案例所闡述的。

案例：調(diào)諧器模塊建模

該模塊可建模成擁有均勻功率耗散分布的單塊，或者擁有所有內(nèi)部電氣部件和屏蔽的詳細模型，或者這兩個模式之間的一種模式。在大陸汽車的經(jīng)驗中，一個簡化模塊通常足以應付全面的系統(tǒng)分析。然而，有關內(nèi)部部件溫度的結(jié)論卻要從以下描述的參考模擬中得出。

調(diào)諧器模塊的單塊(系統(tǒng)級)和詳細(參考)描述

示例：底盤型號驗證

底盤的一部分被用作汽車功放的冷卻散熱片。底盤的一個重要方面在于頂部支架和底蓋的熱接觸程度(關乎制造公差)。對模型假設進行驗證是提高模型精確度的關鍵。這樣可以測量產(chǎn)品原型并利用測量結(jié)果來比較模擬模型。方案1 (g1) 無間隙(完全熱接觸)，而方案2(g2) 則存在0.3毫米的間隙，因此蓋子之間沒有熱接觸。通過比較所測量的外殼溫度，方案2(有間隙)似乎最能代表支架的接觸程度。

對外殼熱接觸模型假設的驗證

c.超越高逼真度模擬

大陸汽車對模擬的專注不會止步于熱模型的構建及驗證。旨在改善散熱設計的決策可能會影響產(chǎn)品的機械、電氣和電磁兼容性 (EMC) 性能。大陸汽車設計人員就此提出了一個關鍵問題：

“我們怎樣才能在保持決策自由度的同時實現(xiàn)設計的靈活性并做出更好的設計決策呢?”

要找出這個答案需要分析該產(chǎn)品在所有學科方面的表現(xiàn)并確認獨立和耦合系統(tǒng)變量。多學科設計優(yōu)化 (MDO) 技術與模擬、優(yōu)化(含依賴于學科的目標和約束條件)以及實驗設計 (DOE) 和響應面法技術可以用來解決這個設計問題。事實上，DOE 工具為探究概念并完成強大設計奠定了基礎。DOE 的兩個主要方面是對數(shù)值模擬的規(guī)劃和統(tǒng)計分析。

離散和連續(xù)設計變量的數(shù)目可能非常大。篩選模擬支持將對主要因素(設計驅(qū)動因素)的挑選納為 MDO 的設計變量。即便如此，所需的計算工作量也是非常巨大的。

d.連續(xù)改進設計

為提升整體設計做出調(diào)整，如產(chǎn)品的機械、電氣和 EMC 性能間的協(xié)調(diào)以及溫度限制、可制造性或成本等其他限制條件，有利于實現(xiàn)連續(xù)改進。對每個學科而言，這些改進可以看作是對基礎設計的完善。在進行熱設計時，則可視為對監(jiān)控點溫度的調(diào)整，從而與將用作測量物理原型的傳感器的位置相匹配。

利用 MDO 技術連續(xù)改進多媒體系統(tǒng)的概念/設計

e.業(yè)務優(yōu)勢

針對汽車應用的現(xiàn)代化收音機和導航系統(tǒng)(即多媒體系統(tǒng))極為復雜，包含大量機電零部件。這些汽車多媒體系統(tǒng)的設計必須符合從機械穩(wěn)定性和熱管理到電磁兼容性和光學均勻性等要求，因而需要機械、電氣和軟件工程師相互配合。掌握多門學問很有必要。

設計自由度對累計成本和知識的影響

大陸汽車必須快速響應瞬息萬變的客戶要求。產(chǎn)品的開發(fā)必須顧及客戶信心以及質(zhì)量、成本和設計時間。多學科設計優(yōu)化 (MDO) 非常適合用于在多學科環(huán)境中找到更好的設計解決方案。模擬支持知識生成，并且有助于以更低的成本、更短的時間和更大的產(chǎn)品靈活性更深入地了解產(chǎn)品表現(xiàn)，從而提高客戶對產(chǎn)品的信心。