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运用仿真技术护卫完美互联的未来

2017/3/13    来源:互联网    作者:Sudhir Sharma      
关键字:仿真  智能设计  
我们周围的电子设备层出不穷,而过去那些我们所熟悉的产品也已经具备更新奇、更智能的功能。随着物联网日益扩展,ANSYS提供的全面仿真功能有助于在众多方面实现产品性能的最优化。

    商业媒体有关全球物联网(IoT)将持续呈现爆炸式增长的报道铺天盖地,而且有大量证据证明相关预测。我们身边的手机、平板电脑及其它设备让我们保持全天候联网。智能功能让汽车、无人机、医疗设备和工业设备互联互通。不过,IoT远远不是指设备的智能功能。在更高速的网络以及日新月异的计算与数据中心技术的推动下,数据分析技术将助力实现IoT的全部价值。

    对中小型企业而言,IoT显然是一个令人振奋的商机。然而,IoT经济的成功取决于企业持续创新产品的能力。为了在创新方面脱颖而出,产品研发与工程团队日益需要解决与通信系统设计、传感器设计和产品可靠性相关的关键挑战。

    在这种飞速发展的环境中,仿真软件有助于尽快把最新产品模型或新一代功能带给客户,因而成为了企业获得宝贵竞争优势的重要战略工具。产品设计人员借助工程仿真技术能够在设计周期尽早、尽快找出并经济高效地解决一切功能缺陷,如:不实际的功耗需求或错误的天线设计。

    为了有助于推动IoT的指数级增长,ANSYS现已研发出业界最综合全面的仿真解决方案,能够提高电子设备以及目前具备智能功能的传统产品的性能及可靠性。从利用ANSYS Mechanical确认产品的结构完整性到利用ANSYSSCADE验证嵌入式软件的性能,产品研发人员可利用ANSYS仿真软件的强大功能解决IoT相关的各种设计问题。

    基于仿真的智能设计

    ANSYS仿真软件产品的多物理场、多域功能对设计当今的智能互联产品尤为重要。由于这些产品功能复杂,智能产品研发团队需要极高的可靠性、准确性、鲁棒性和创新性。同时,这些团队还面临着保持低成本和加快产品发布的巨大压力。为了实现上述目标,企业既不能在设计上各自为政,也不能依赖传统的构建-测试方法。

    目前仿真不但是竞争所需,而且也显著提高了竞争的公平性,从而使小企业有机会与地位稳固的市场领导者展开竞争。利用仿真技术,只需少数几名工程师就能够快速、低成本实现众多产品理念的虚拟原型设计和改进。他们跨越传统工程学科边界、转而利用多域和多物理场分析的能力,与企业的创新精神完美契合。

    IOT工程:五大关键挑战

    虽然每款智能产品都有自身的设计挑战,但物联网呈指数级增长,这意味着正在出现一些共同的设计要求。例如,新一代智能产品通常必须比前一代产品尺寸更小、重量更轻而且更节能。

    IoT的兴起带来五大工程挑战。IoT的巨大商机正在为众多现有市场巨头引来新的竞争对手。Aberdeen Group的资料表明,IoT经济中的赢家和输家取决于其成功解决这五大设计挑战的能力。

    尺寸、重量、功耗以及冷却(SWAP-C)

    无论是设计飞机、汽车还是智能手机,工程师一般都需要对IoT产品进行尺寸、重量、功率和冷却优化——这一系列要求通常称为“SWAP-C”。由于消费者需要更强大的功能(包括无处不在的连接性、感应等),工程师不得不增加更多的电子组件。高密度电子产品在尺寸、重量、能耗和热积聚等方面为产品研发带来了新的挑战。传统产品往往每隔一段时期都必须进行全面的重新构思和重新设计。例如,随着现代助听器转变为具有更强大功能、可以通过智能手机联网的设备之后,其设计内容扩展到包含柔性印刷电路板(PCB)、电池、接收器与天线,而且很多时候还包含拾音线圈。其中柔性PCB又包括60多个不同的组件和集成电路。工程师必须在优化性能的同时在有限空间内集成所有这些组件。这就要求依靠仿真技术快速、低成本做出设计权衡。

    感应与连接性

    当今的产品之所以称之为“智能”是因为它们能够感应所处环境、能够与其他电子产品通信,能够实现更快速、更明智的决策与成果。例如,现代汽车配备众多感应和通信技术,以提高驾驶员的安全性、联网能力和决策明智性。这是一个庞大而又不断增长的市场;事实上,到2020年,市场收入有望从目前的84亿美元增长到300亿美元。当今汽车中智能功能多到让人瞠目结舌。例如,自适应巡航定速技术结合保险杠中嵌入的雷达传感器使车辆能够相互保持安全距离。盲点监视器和车道偏离告警系统可以帮助驾驶员防止碰撞。现代车辆甚至能够监控并报告交通状况,利用全球定位系统(GPS)功能通知其他驾驶员并建议选择其它路线。与前几代汽车设计工程师不同,当今的汽车设计工程师需要考虑电磁干扰、信号完整性、不间断连接性以及可能影响电子产品性能的其他复杂问题。仿真技术允许从产品研发最早阶段最大化可靠性并确保鲁棒性设计。

    可靠性与安全性

    随着智能产品激增以及我们日益依赖它们进行关键决策,安全性和可靠性成为更加重要的产品设计考虑因素。虽然IoT在催生庞大收入,但是这些收入还不足以覆盖维护、维修、保修费用或市场增长不足产生的成本。另外,汽车、航空航天和医疗等行业的众多产品是在安全攸关的环境中运行。由于事关生死,这些产品必须达到最高的可靠性与安全性标准。IoT中一个经常被忽视、但非常关键的方面是嵌入式控制与显示软件,其对于集成型机电系统(负责引导联网车辆和飞机)的运行必不可少。工程师需要对支持这些系统的数千万行安全关键型软件代码进行验证,这一点非常重要。仿真和建模功能可以快速、自动生成涉及人类安全时所需要的完美代码。

    集成

    随着智能联网产品的复杂性与日俱增,工程师已将设计过程划分为更小的阶段,使其更便于控制。虽然组件级自下而上的设计方法可以非常全面地验证零部件,但是实际将组件组装成系统时会出现严重的后期设计问题。当设计师仓促赶在产品发布期限内完成设计,研发后期才发现系统级缺陷,这会导致过度设计、成本超支和设计权衡失当。例如,为无线运动手环设计的天线在作为单独组件进行分析时可能运行良好。但是,一旦安装到实际手环上,当受到手环弯曲、存在生物传感器天线或者固定手环用的金属扣等实际因素的不利影响,天线就可能无法像预期的那样运行。仿真能够在无风险的低成本虚拟环境中帮助预测系统级性能问题。

    耐用性

    虽然微小到经常无法看见,但是无数传感器和微处理器构成了IoT的骨干。这些不辞辛苦的电子元器件负责全天候收集和共享有用信息。它们不仅需要在最佳条件下可靠运行,而且还必须能够经受变幻莫测的恶劣环境。例如石油天然气产业钻头末端、喷气发动机高温区域或者受到敌对电磁环境干扰的军用无人车辆中的传感系统。一个典型的例子是,Facebook “Aquila” 项目研发的最新太阳能无人机将利用激光为发展中地区的偏远区域提供互联网接入——其一次飞行长达三个月。采用物理测试实际上不可能研究此类极端运行情况,因此仿真技术对于推出可靠型创新产品至关重要。虽然并非所有产品都需要忍受极端条件,但是每个产品都必须接受耐用性验证。摔过智能手机的人都理解日常使用的严格要求。

责任编辑:张纯子
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