护卫完美互联的未来

作者:Sudhir Sharma,ANSYS高科技产业市场营销总监

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。

Save PDF 订阅
Ensuring a Well-Connected Future

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ANSYS SCADE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。

3-D electromagnetic wave simulation
Graphics card vibration simulation
interaction of wearable and implantable devices
wearable and implantable device safety simulation
 

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。

综合仿真平台的重要性

ANSYS consolidated platform

ANSYS综合仿真平台可以提供联网车辆建模需要的所有功能。

 

正如物联网已经改变了我们的日常生活,智能设备也革新了基本产品研发流程。由于这些产品具有多功能性,因此其设计需要来自多个学科的工程师输入信息。由于跨学科团队组建后会打破传统工程职能之间的障碍,因此工程师现在需要能够跨多个部门和学科运行的通用工具。

ANSYS一直是提供广泛而全面的多功能工程仿真工具的先驱,这些工具能够在通用的工作环境中或仿真平台上将一系列独立的功能应用连接在一起。目前ANSYS既能提供业界领先的独立应用仿真功能,又可提供交付集成式IoT产品研发解决方案所需的综合平台。

除了促进不同学科之间的合作与协作之外,共享仿真平台还能够带来诸多显而易见的优势。研究表明,那些把仿真驱动产品研发功能整合到单个平台的产品研发团队,可以使完成新产品推出目标的概率提升33%。另外,与分散独立研发的团队相比,他们可以将产品研发时间缩短7倍,成本降低2.5倍。这些关键指标决定了在当今快速发展、疾风骤雨、竞争激烈的商业环境中的成败。

Holistic vs. siloed development

ANSYS:您值得信赖的合作伙伴

ANSYS不生产电子产品或设备,但是在今天,物联网对于我们的产品供应以及我们的客户价值主张绝对至关重要。无论您的行业或产品专注于什么,IoT都会以突出、甚至是出人意料的方式给您的业务带来影响。

ANSYS研发的功能日趋繁多,其中包括电子与嵌入式软件建模等,有助于您运用创造性新产品和智能功能预测并应对这种影响,让贵公司在IoT时代蓬勃发展。事实上全球领先企业已经在采用ANSYS解决方案实现最具创新性的智能产品——从智能手机、航天器、无人驾驶汽车、无人机、机器人到风机,无所不包。

随着IoT不断发展演进,ANSYS将一直是您值得信赖的合作伙伴,为您提供可依赖的经过验证的仿真功能以及能够促进您在转型环境保持持续产品研发成功的新功能。我们能帮助您设计和测试满足物联网要求的最佳产品。

我们希望您在本期《ANSYS Advantage》中能够了解到ANSYS仿真技术为何不但适用于面向智能产品和速度更快的网络设备的IoT技术研发,而且适用于需要ANSYS仿真技术实现高级能量与热量管理解决方案的量子计算数据中心。

“仿真软件是创造竞争优势的重要战略性工具。”

例证:高级驾驶员辅助系统

Automotive electronics

对于联网汽车这样的应用,综合仿真平台绝对必不可少。高级驾驶员辅助系统(ADAS)是大型复杂系统的经典例子,其包含整个车辆,并集成了众多产品功能。从巡航定速和自动安全气囊等传统功能到泊车辅助和车道偏离告警系统等最新功能,配备ADAS的现代化汽车是多学科领域的工程奇迹。为了实际验证ADAS设计,所有其他主要车辆系统(包括控制系统和人机组件(诸如刹车和车辆动力系统等))都需要在综合系统级仿真中进行建模。 接下来必须在不同驾驶状况的道路、建筑和行人仿真模型中测试综合车辆与ADAS模型的性能。ANSYS综合仿真平台可以提供上述性能指标建模所需的全部功能,从而为汽车产品研发团队提供一站式资源。ANSYS平台也是一种开放性协作平台,身处当今快速发展、竞争激烈的商务环境中的供应商可以积极参与和互动。

智能产品需要协同设计

Simulation vs. no simulation

独立研究表明,智能产品设计需要加强功能工程团队之间的交流与协作。缺乏协作而设计出的产品会导致集成问题,尤其是在构建和过度设计子系统时,这种情况会更加严重,因为每个团队都会增加其自己的安全裕量。其它风险包括发布延迟、可靠性问题和成本超标也会随之而来。

工程仿真是促进协作的重要手段。目前一流企业在构建物理原型之前会采用综合仿真平台分析组件级和系统级行为以及子系统相互作用。这些企业的设计人员能够快速研究并分析出众多设计备选方案的性能,进而对设计进行成本、质量和/或性能优化。上图展示了在支持跨功能工程协作的综合平台上执行基于仿真的设计方法所带来的部分优势。

与 ANSYS 取得联系

联系我们
联系我们