仿真——研發設計的工具

2020-12-03 集微網

01 引言

新型科技快速發展下的電子產品應用，對電子元器件的設計和功能要求不斷提高。企業在產品開發時面臨的一個重大挑戰就是複雜性。這種複雜性是普遍性的，包括產品結構和工作環境的複雜性。工程師需要評估不同產品設計的指標性能及其在不同環境中的行為，同時又不能大幅增加花費的時間，避免佔用日益緊張的開發日程。藉助工具進行研發設計顯得迫切而重要。

02 仿真平臺、仿真方法

順絡採取的策略是在開發早期階段，通過仿真技術來改進產品性能的評估方式，根據仿真結果提供的信息指導設計人員在開發過程中做出正確的決策。主要有電磁場分析、熱分析、力學分析三個方面。

（圖片來源於順絡內部）

基於仿真軟體，可以實現以下功能：

電磁場分析

· 磁場分布仿真

· 電性能仿真

· 電路與系統仿真

傳熱分析

· 穩態傳熱分析

——線性仿真

——非線性仿真（溫變特性）

· 瞬態傳熱分析

——隨時間變化的熱源

結構分析

· 靜力學仿真：附著力、三點彎曲

· 模態仿真：結構振動的固有頻率

· 諧響應仿真：正弦振動

· 隨機振動仿真：隨機振動

· 顯式動力學仿真：自由跌落、機械衝擊

· 疲勞仿真：應力壽命疲勞（高周疲勞）、應變壽命疲勞（低周疲勞）

基於workbench平臺，可以將電氣、磁場、傳熱、結構等多個組合起來進行耦合分析。將分析場1的計算結果作為分析場2的輸入。

（圖片來源於順絡內部）

03 仿真在研發中的應用

3.1電性能仿真

某諧振式無線充電線圈，對關鍵尺寸進行參數設計。

（圖片來源於順絡內部）

電性參數仿真

磁場分布

（圖片來源於順絡內部）

3.2熱仿真

以變壓器的損耗作為熱源，分析變壓器負載中的發熱情況。

仿真條件：初級繞組通峰值為3.4A、頻率為100kHz的的正弦電流；環境溫度為25℃。

（圖片來源於順絡內部）

最高溫度仿真與實測數據對比：

（圖片來源於順絡內部）

3.3結構力學仿真

產品的正弦振動及隨機振動。

（圖片來源於順絡內部）

由模態分析得出結構前6階固有頻率。

正弦振動分析是用於確定結構承受按正弦規律變化的荷載時的穩態響應的一種技術。分析的目的是計算出結構在幾種頻率下的響應並得到一些響應值（通常是位移）對頻率的曲線，從曲線上可以找到峰值響應。

（圖片來源於順絡內部）

隨機振動是一種只能在統計意義下描述的振動。在任何時刻，其振動的幅值都不是確切可知的，而是由其振動幅值的統計特性（如平均值、標準差、超出某一個值的概率）給定的。隨機振動通常以功率譜密度（PSD）函數的形式來描述，是基於概率統計學的譜分析技術。

上表為概率統計中正態分布下的響應值，置信概率為小於該應力值的出現概率。

04 總結

為最大限度地提高開發工作，在物理原型設計之前用仿真技術來分析產品本身性能及工作環境中的行為，提早採用仿真技術能確保一開始就確認了設計方案，從而節約時間與成本。


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