【導(dǎo)讀】汽車多媒體系統(tǒng)所面臨的一個最大挑戰(zhàn)是它們必須在各種要求嚴(yán)格的環(huán)境條件下工作，這使得它們的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格，設(shè)計難度也更大。本文明導(dǎo)將為大家詳細(xì)介紹針對汽車多媒體系統(tǒng)設(shè)計的熱模擬。
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(shè)計的熱模擬》的研究報告。本報告最初發(fā)表于明導(dǎo)旗下刊物《Engineering Edge》，由大陸汽車集團(tuán)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(yīng)商大陸汽車集團(tuán)設(shè)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(wù)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(wù)。
信息娛樂與智能通訊業(yè)務(wù)單元的產(chǎn)品包括收音機、具備互聯(lián)能力的收音機和導(dǎo)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(dǎo)航和通訊。
圖1：具有音頻、導(dǎo)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 污染過的環(huán)境（ESD = 靜電放電高達(dá)+/-15kV)
●各種濕度（0%～100%）
●化學(xué)影響
具有嚴(yán)格的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：
●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(yán)重受限
●有關(guān)傷害（頭部碰撞）風(fēng)險和產(chǎn)品責(zé)任的嚴(yán)格要求
2.全文要點與大綱如下：
a.一個遠(yuǎn)不止物理原型設(shè)計的世界
設(shè)計滿足這些要求的系統(tǒng)所要做的工作比設(shè)計完成之后的物理原型設(shè)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 the Product Right the First Time )；他們的戰(zhàn)略是通過“ 依托模擬做出設(shè)計決策 ” 實現(xiàn)這一愿景。因此，模擬現(xiàn)已高度整合進(jìn)設(shè)計流程。
大陸汽車采取全方位 3D 系統(tǒng)級建模，模擬中包含所有熱相關(guān)部件以及氣流部件。幾何描述基于機械 CAD 數(shù)據(jù)，所有相關(guān)部件和模塊的輸出/輸入均來自 CAD 系統(tǒng)。然而，幾何描述可以實現(xiàn)簡化和理想化。使用的復(fù)雜性取決于模擬目標(biāo)：使用較少的細(xì)節(jié)分析各種初步概念，而成熟設(shè)計的建模則包括更多細(xì)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(fù)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 模型）建立和驗證相關(guān)的內(nèi)部專業(yè)知識。
設(shè)計過程各階段各種未知情況、建模假設(shè)和簡化導(dǎo)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。
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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(xì)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(yīng)付全面的系統(tǒng)分析。然而，有關(guān)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。
圖2：調(diào)諧器模塊的單塊（系統(tǒng)級）和詳細(xì)（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(guān)乎制造公差）。對模型假設(shè)進(jìn)行驗證是提高模型精確度的關(guān)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。
圖3：對外殼熱接觸模型假設(shè)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(gòu)建及驗證。旨在改善散熱設(shè)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(shè)計人員就此提出了一個關(guān)鍵問題：
“我們怎樣才能在保持決策自由度的同時實現(xiàn)設(shè)計的靈活性并做出更好的設(shè)計決策呢？”
要找出這個答案需要分析該產(chǎn)品在所有學(xué)科方面的表現(xiàn)并確認(rèn)獨立和耦合系統(tǒng)變量。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化 (MDO) 技術(shù)與模擬、優(yōu)化（含依賴于學(xué)科的目標(biāo)和約束條件）以及實驗設(shè)計 (DOE) 和響應(yīng)面法技術(shù)可以用來解決這個設(shè)計問題。事實上，DOE 工具為探究概念并完成強大設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。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(shè)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(shè)計驅(qū)動因素）的挑選納為 MDO 的設(shè)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(jìn)設(shè)計
為提升整體設(shè)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(jìn)。對每個學(xué)科而言，這些改進(jìn)可以看作是對基礎(chǔ)設(shè)計的完善。在進(jìn)行熱設(shè)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。
圖4：利用 MDO 技術(shù)連續(xù)改進(jìn)多媒體系統(tǒng)的概念/設(shè)計
e.業(yè)務(wù)優(yōu)勢
針對汽車應(yīng)用的現(xiàn)代化收音機和導(dǎo)航系統(tǒng)（即多媒體系統(tǒng)）極為復(fù)雜，包含大量機電零部件。這些汽車多媒體系統(tǒng)的設(shè)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(xué)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(xué)問很有必要。
圖5：設(shè)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(yīng)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(shè)計時間。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化 (MDO) 非常適合用于在多學(xué)科環(huán)境中找到更好的設(shè)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。
