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走向更高! 针对汽车多媒体系统设计的热模拟

Uwe Lautenschlager 博士
大陆汽车

引言

国际汽车 OEM 厂商的系统供应商大陆汽车集团设有三个部门:底盘与安全系统部、动力总成系统部和车身电子系统部。车身电子系统部由四个业务单元组成:仪表与人机界面、信息娱乐与智能通讯、车身与安全和商用车与售后部件及服务。

信息娱乐与智能通讯业务单元的产品包括收音机、具备互联能力的收音机和导航、多媒体系统、嵌入式车载智能通讯解决方案、车载无线通讯系统以及软件与专用解决方案,尤其侧重于娱乐、信息、导航和通讯。

具有音频、导航、互联网、电话、电视和后座娱乐功能的多媒体系统

汽车多媒体系统所面临的一个最大挑战是它们必须在各种环境条件下工作:

  • 温度介于-40oC~+100oC之间
  • 范围较广的电源电压(4.5~16.0伏)
  • 叠加交流电压
  • ESD 污染过的环境(ESD = 静电放电高达+/-15kV)
  • 各种湿度(0%~100%)
  • 化学影响

具有严格的设计标准:

  • 机械强度和稳定性(静态/动态):振动和机械冲击
  • 大小和重量严重受限
  • 有关伤害(头部碰撞)风险和产品责任的严格要求

一个远不止物理原型设计的世界

设计满足这些要求的系统所要做的工作比设计完成之后的物理原型设计多得多。事实上,大陆汽车的模拟愿景是“只需一次就打造出理想中的产品”(Get the Product Right the First Time);他们的战略是通过依托模拟做出设计决策实现这一愿景。因此,模拟现已高度整合进设计流程。

大陆汽车采取全方位 3D 系统级建模,模拟中包含所有热相关部件以及气流部件。几何描述基于机械 CAD 数据,所有相关部件和模块的输出/输入均来自 CAD 系统。然而,几何描述可以实现简化和理想化。使用的复杂性取决于模拟目标:使用较少的细节分析各种初步概念,而成熟设计的建模则包括更多细节。

“专业知识”——大陆汽车的竞争优势

大陆汽车已拥有大量与复杂电子系统和子系统(包括物理硬件和潜在的冷却解决方案)热模拟模型(FloTHERM 模型)建立和验证相关的内部专业知识。

 

与硬件相关的

与冷却解决方案相关的

机架:1-DIN、2-DIN、客户定制、
CD、HDD 和 DVD 驱动器(只读存储器、视频)、转换器
屏蔽框
前显示器(LED 背光)
连接器和电缆
部件:主 CPU、处理器、存储器、
印刷电路板 (PCB)
模块:电源、驱动器、GPS
电话、功放、调谐器、显示器等

风扇(类型、特性曲线、方向)
接触电阻(导热膏等)
通风孔、过滤器(开孔率、压力损失)
吸热器、热导管、散热器
IC 封装(类型、大小、热模型类型)
导热填充垫等
环境条件、使用案例
功率耗散:最小值、一般值、最大值、使用案例
度量传感器位置

设计过程各阶段各种未知情况、建模假设和简化导致的不确定性通过验证得以缓解,正如以下两个案例所阐述的。

案例:调谐器模块建模

该模块可建模成拥有均匀功率耗散分布的单块,或者拥有所有内部电气部件和屏蔽的详细模型,或者这两个模式之间的一种模式。在大陆汽车的经验中,一个简化模块通常足以应付全面的系统分析。然而,有关内部部件温度的结论却要从以下描述的参考模拟中得出。

调谐器模块的单块(系统级)和详细(参考)描述

示例:底盘型号验证

底盘的一部分被用作汽车功放的冷却散热片。底盘的一个重要方面在于顶部支架和底盖的热接触程度(关乎制造公差)。对模型假设进行验证是提高模型精确度的关键。这样可以测量产品原型并利用测量结果来比较模拟模型。方案1 (g1) 无间隙(完全热接触),而方案2(g2) 则存在0.3毫米的间隙,因此盖子之间没有热接触。通过比较所测量的外壳温度,方案2(​​有间隙)似乎最能代表支架的接触程度。

对外壳热接触模型假设的验证

超越高逼真度模拟

大陆汽车对模拟的专注不会止步于热模型的构建及验证。旨在改善散热设计的决策可能会影响产品的机械、电气和电磁兼容性 (EMC) 性能。大陆汽车设计人员就此提出了一个关键问题:

“我们怎样才能在保持决策自由度的同时实现设计的灵活性并做出更好的设计决策呢?”

要找出这个答案需要分析该产品在所有学科方面的表现并确认独立和耦合系统变量。多学科设计优化 (MDO) 技术与模拟、优化(含依赖于学科的目标和约束条件)以及实验设计 (DOE) 和响应面法技术可以用来解决这个设计问题。事实上,DOE 工具为探究概念并完成强大设计奠定了基础。DOE 的两个主要方面是对数值模拟的规划和统计分析。

离散和连续设计变量的数目可能非常大。筛选模拟支持将对主要因素(设计驱动因素)的挑选纳为 MDO 的设计变量。即便如此,所需的计算工作量也是非常巨大的。

连续改进设计

为提升整体设计做出调整,如产品的机械、电气和 EMC 性能间的协调以及温度限制、可制造性或成本等其他限制条件,有利于实现连续改进。对每个学科而言,这些改进可以看作是对基础设计的完善。在进行热设计时,则可视为对监控点温度的调整,从而与将用作测量物理原型的传感器的位置相匹配。

利用 MDO 技术连续改进多媒体系统的概念/设计

业务优势

针对汽车应用的现代化收音机和导航系统(即多媒体系统)极为复杂,包含大量机电零部件。这些汽车多媒体系统的设计必须符合从机械稳定性和热管理到电磁兼容性和光学均匀性等要求,因而需要机械、电气和软件工程师相互配合。掌握多门学问很有必要。

设计自由度对累计成本和知识的影响

大陆汽车必须快速响应瞬息万变的客户要求。产品的开发必须顾及客户信心以及质量、成本和设计时间。多学科设计优化 (MDO) 非常适合用于在多学科环境中找到更好的设计解决方案。模拟支持知识生成,并且有助于以更低的成本、更短的时间和更大的产品灵活性更深入地了解产品表现,从而提高客户对我们产品的信心。

本文最初发表于明导旗下刊物《Engineering Edge》。

引述:

“我们之所以选择FloTHERM是出于多方面的考虑,但总的来说是因为其强大的解决方案能力。FloTHERM 与物体相关联的笛卡尔网格生成是瞬时、全自动的,最重要的是可确保即使基本模型的几何结构发生变化,网格也能得出准确的模拟结果。这正是我们的多学科设计优化活动所需要的。而建模和结果评估能力更是使其成为我们的首选解决方案。” “FloTHERM是我们‘依托模拟做出设计决策’战略的一个关键组成部分,确保我们的热设计目标顺利完成,并帮助我们实现大陆汽车的模拟愿景——只需一次就打造出理想中的产品。”